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[摘 要]文章主要介绍了焦炉余热利用系统中影响汽包液位的因素、串级三冲量调节的原理以及基于PLC的汽包液位串级三冲量调节在实际应用中对汽包液位调节所起到的重要作用。
[关键词]汽包液位;串级;三冲量;PID;PLC
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）08–00–02
Application of Cascade Three-Impulse Regulation in Drum Level Control
Wei Qing-zhi， Qi Hui-jie
[Abstract]This paper mainly introduces the factors affecting the drum liquid level in the coke oven waste heat utilization system， the principle of cascade three-impulse regulation and the important role played by PLC based cascade three-impulse regulation of drum liquid level in practical application.
[Keywords]drum level; cascade; three-impulse; PID; PLC
安钢焦化分公司为了响应国家环保政策，坚定不移走绿色发展、节能增效之路，先后对四炼焦车间的6m焦炉以及五炼焦车间的7m焦炉进行上升管改造，实施上升管余热利用技术。该项目控制系统中汽包液位的调节，关系着整个系统的安全性和经济效益，显得尤为重要。该项目自2016年实施以来，已先后完成并投入使用，目前系统整体运行平稳，节能增效效果明显。
1 汽包液位控制的重要性
汽包在整个上升管余热利用系统中起着至关重要的作用，前端过来的除氧水进入汽包，再由汽包输送至各上升管换热器的进水端，通过热交换产生水汽混合物，通过换热器的出口再回到汽包进行汽水分离，水继续循环进入上升管再次进行热交换，产生的饱和蒸汽进入下一级形成过热蒸汽，最终并入蒸汽管网[1]。图1为安钢焦化厂六米焦炉余热利用系统工艺流程图
汽包液位是系统正常运行中一个重要的监控参数。液位过高会影响汽水分离效果，导致饱和蒸汽带水过多，使过热蒸汽温度下降，并且影响过热器的运行。液位过低轻则影响水蒸气平衡，重则可能全部气化，造成上升管的损坏，甚至产生爆炸，造成生产事故。这就要求汽包液位要控制在一个合理范围内，适应各种工况的运行。影响汽包液位的因素主要有给水流量和蒸汽流量。当蒸汽负荷突然增大时，汽包压力会骤然下降，炉水的饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，促使液位很快上升，形成虚假液位。当蒸汽负荷突然减小时，汽包压力会骤然上升，则相应的蒸汽的饱和温度提高，则大部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，促使液位很快下降，形成虚假液位。当上升管内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假液位[2]。当产生虚假液位时，如果采用单一的单冲量调节系统，系统就会根据这个假液位对给水调节阀发出错误的指令，等到汽水达到新的动态平衡，虚假液位消失，此时的实际液位和设定值会有很大的偏差，严重影响系统安全。
2 串级三冲量控制的原理
为了及时消除蒸汽流量波动或给水压力波动对汽包液位的影响，并有效防止虚假液位现象而引起的系统误操作，除了主调节回路中的液位变量外，再引入蒸汽流量信号作为前馈信号，再增加副调节回路，以给水流量作为测量信号。这样由主调节回路、副调节回路以及前馈控制构成了汽包液位的串级三冲量调节系统，其中三冲量分别是汽包液位、给水流量和蒸汽流量，串级是主副2个调节回路。串级三冲量控制实质上就是前馈控制再加上串级控制的系统。通常反馈控制的作用是在出现偏差以后进行调节，而前馈控制是根据干扰的变化而变化的，前馈控制检测的信号是干扰变量的大小，它可以在偏差出现之前对系统进行干预，瞬间进行控制，能够有效的防止虚假液位对系统产生的影响[3]。图2为串级三冲量液位调节方框图。
從串级三冲量液位调节方框图可以看出，主调节回路和副调节回路是串联使用的，在蒸汽流量和给水流量稳定时共同对液位进行实时调节，以保证汽包液位的稳定。当系统在稳态状态下，汽包液位测量值偏离设定值时，主调节器通过副回路对给水流量进行调节，使稳态时的汽包液位回到给定值。当系统出现给水流量扰动时，给水流量反馈给副回路，系统就能够及时得到调节效果的反馈，并迅速消除给水流量的自发性扰动。由蒸汽流量构成的前馈通道，在蒸汽流量发生扰动时，能够将蒸汽流量信号与主调节器的输出信号通过一定关系进行计算，得出的计算值作为副调节器的给定值，此时副回路能够迅速进行调节，改变给水流量，有效的防止了因出现虚假液位进而使系统产生的误动作。
3 串级三冲量调节控制系统应用
整个焦炉上升管余热利用系统选用AB公司Compact Logix控制系统对生产过程进行监控和管理，数据采集与显示。系统分为上位监控画面和下位PLC两部分，上下位之间通过以太网连接，以实现高速稳定通讯。下位硬件选用美国罗克韦尔公司1769-L33ER处理器及1769系列I/O模块，编程软件采用RSLogix5000可编程软件。系统上位采用罗克韦尔自动化公司的FactoryTalk View Site Edition软件以实现对整个生产工艺的实时监控与操作。程序中单独建立汽包液位三冲量串级调节功能块，主程序段如图3所示。 程序段中有主副2个PID调节块，主PID调节为LRC1001，副PID调节为FRC1001。汽包液位为LET1001，通过液位变送器测得;蒸汽流量为FT103，通过一体化节流式流量测量装置测得;给水流量为FT102，通过数字超声波流量计测得。给水调节阀控制值为LVZ103，采用电动单座调节阀对汽包给水量进行调节。
汽包液位LET1001作为主调节器的测量值，汽包给水流量FT102作为副调节器的测量值。副调节回路的前馈值通过主调节器的输出和蒸汽流量测量值以公式LRC1001.CV*K1+FT103*K2+K3得出，最终副调节器输出4～20mA电流信号控制给水调节阀动作实现汽包液位的调节。根据串级控制系统主副调节器选择正、反作用的原则，主调节器选择反作用，副调节器选择正作用，为保证汽包液位的无静态误差，主调节器采用PI控制算法，为保证副调节器的快速性，去掉微分作用，采用PI或P控制算法.在手动模式下主调节器的控制输出值由反推公式得出，以实现系统控制方式的无扰切换。
上位监控画面有汽包液位串级三冲量调节窗口，如图4所示。画面按钮可实现对系统手动、自动控制方式，以及串级是否投入进行控制。通过画面可对调节系数K1、K2、K3以及主副PID调节参数进行修改。此外还可对各种参数和过程变量进行实时监控及历史记录查询。
4 结束语
系统在安钢焦化厂6m焦炉余热利用上升管改造项目中首次应用，调试中通过对现场生产情况以及系统各参数的实时监控进行分析，修改程序及调节参数，使系统最终实现稳定调节，效果显著。系统随后又在焦化厂7m焦炉上升管余热利用改造项目中再次使用，目前运行稳定，调节效果显著。通过实际应用表明串级三冲量液位调节系统调节灵敏、调节质量好，安全性能好，能够有效地克服汽包液位受蒸汽流量和给水流量温度、压力突变时而产生的干扰影响，减小汽包液位波动，对提高整个系统的安全性以及系统的经济效益具有重要作用。
参考文献
[1] 樊响，刘江，杨飞.焦炉上升管荒煤气余热利用技术[J].资源节约与環保，2019（5）：14-16.
[2] 张子才，龚争理，黄良沛，等.锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用[J].国外电子测量技术，2011（2）：20-24.
[3] 吴明永，杨素娟.基于PLC的锅炉串级三冲量给水控制系统[J].工业锅炉，2008（5）：23-24.
[4] 徐春梅，张浩，杨平.汽包水位串级三冲量非线性PID控制系统[J].华东电力，2009（5）：838-841.
[5] 陈晓梅.锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用[J].工程技术（引文版）2011（11）：1.
[关键词]汽包液位;串级;三冲量;PID;PLC
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）08–00–02
Application of Cascade Three-Impulse Regulation in Drum Level Control
Wei Qing-zhi， Qi Hui-jie
[Abstract]This paper mainly introduces the factors affecting the drum liquid level in the coke oven waste heat utilization system， the principle of cascade three-impulse regulation and the important role played by PLC based cascade three-impulse regulation of drum liquid level in practical application.
[Keywords]drum level; cascade; three-impulse; PID; PLC
安钢焦化分公司为了响应国家环保政策，坚定不移走绿色发展、节能增效之路，先后对四炼焦车间的6m焦炉以及五炼焦车间的7m焦炉进行上升管改造，实施上升管余热利用技术。该项目控制系统中汽包液位的调节，关系着整个系统的安全性和经济效益，显得尤为重要。该项目自2016年实施以来，已先后完成并投入使用，目前系统整体运行平稳，节能增效效果明显。
1 汽包液位控制的重要性
汽包在整个上升管余热利用系统中起着至关重要的作用，前端过来的除氧水进入汽包，再由汽包输送至各上升管换热器的进水端，通过热交换产生水汽混合物，通过换热器的出口再回到汽包进行汽水分离，水继续循环进入上升管再次进行热交换，产生的饱和蒸汽进入下一级形成过热蒸汽，最终并入蒸汽管网[1]。图1为安钢焦化厂六米焦炉余热利用系统工艺流程图
汽包液位是系统正常运行中一个重要的监控参数。液位过高会影响汽水分离效果，导致饱和蒸汽带水过多，使过热蒸汽温度下降，并且影响过热器的运行。液位过低轻则影响水蒸气平衡，重则可能全部气化，造成上升管的损坏，甚至产生爆炸，造成生产事故。这就要求汽包液位要控制在一个合理范围内，适应各种工况的运行。影响汽包液位的因素主要有给水流量和蒸汽流量。当蒸汽负荷突然增大时，汽包压力会骤然下降，炉水的饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，促使液位很快上升，形成虚假液位。当蒸汽负荷突然减小时，汽包压力会骤然上升，则相应的蒸汽的饱和温度提高，则大部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，促使液位很快下降，形成虚假液位。当上升管内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假液位[2]。当产生虚假液位时，如果采用单一的单冲量调节系统，系统就会根据这个假液位对给水调节阀发出错误的指令，等到汽水达到新的动态平衡，虚假液位消失，此时的实际液位和设定值会有很大的偏差，严重影响系统安全。
2 串级三冲量控制的原理
为了及时消除蒸汽流量波动或给水压力波动对汽包液位的影响，并有效防止虚假液位现象而引起的系统误操作，除了主调节回路中的液位变量外，再引入蒸汽流量信号作为前馈信号，再增加副调节回路，以给水流量作为测量信号。这样由主调节回路、副调节回路以及前馈控制构成了汽包液位的串级三冲量调节系统，其中三冲量分别是汽包液位、给水流量和蒸汽流量，串级是主副2个调节回路。串级三冲量控制实质上就是前馈控制再加上串级控制的系统。通常反馈控制的作用是在出现偏差以后进行调节，而前馈控制是根据干扰的变化而变化的，前馈控制检测的信号是干扰变量的大小，它可以在偏差出现之前对系统进行干预，瞬间进行控制，能够有效的防止虚假液位对系统产生的影响[3]。图2为串级三冲量液位调节方框图。
從串级三冲量液位调节方框图可以看出，主调节回路和副调节回路是串联使用的，在蒸汽流量和给水流量稳定时共同对液位进行实时调节，以保证汽包液位的稳定。当系统在稳态状态下，汽包液位测量值偏离设定值时，主调节器通过副回路对给水流量进行调节，使稳态时的汽包液位回到给定值。当系统出现给水流量扰动时，给水流量反馈给副回路，系统就能够及时得到调节效果的反馈，并迅速消除给水流量的自发性扰动。由蒸汽流量构成的前馈通道，在蒸汽流量发生扰动时，能够将蒸汽流量信号与主调节器的输出信号通过一定关系进行计算，得出的计算值作为副调节器的给定值，此时副回路能够迅速进行调节，改变给水流量，有效的防止了因出现虚假液位进而使系统产生的误动作。
3 串级三冲量调节控制系统应用
整个焦炉上升管余热利用系统选用AB公司Compact Logix控制系统对生产过程进行监控和管理，数据采集与显示。系统分为上位监控画面和下位PLC两部分，上下位之间通过以太网连接，以实现高速稳定通讯。下位硬件选用美国罗克韦尔公司1769-L33ER处理器及1769系列I/O模块，编程软件采用RSLogix5000可编程软件。系统上位采用罗克韦尔自动化公司的FactoryTalk View Site Edition软件以实现对整个生产工艺的实时监控与操作。程序中单独建立汽包液位三冲量串级调节功能块，主程序段如图3所示。 程序段中有主副2个PID调节块，主PID调节为LRC1001，副PID调节为FRC1001。汽包液位为LET1001，通过液位变送器测得;蒸汽流量为FT103，通过一体化节流式流量测量装置测得;给水流量为FT102，通过数字超声波流量计测得。给水调节阀控制值为LVZ103，采用电动单座调节阀对汽包给水量进行调节。
汽包液位LET1001作为主调节器的测量值，汽包给水流量FT102作为副调节器的测量值。副调节回路的前馈值通过主调节器的输出和蒸汽流量测量值以公式LRC1001.CV*K1+FT103*K2+K3得出，最终副调节器输出4～20mA电流信号控制给水调节阀动作实现汽包液位的调节。根据串级控制系统主副调节器选择正、反作用的原则，主调节器选择反作用，副调节器选择正作用，为保证汽包液位的无静态误差，主调节器采用PI控制算法，为保证副调节器的快速性，去掉微分作用，采用PI或P控制算法.在手动模式下主调节器的控制输出值由反推公式得出，以实现系统控制方式的无扰切换。
上位监控画面有汽包液位串级三冲量调节窗口，如图4所示。画面按钮可实现对系统手动、自动控制方式，以及串级是否投入进行控制。通过画面可对调节系数K1、K2、K3以及主副PID调节参数进行修改。此外还可对各种参数和过程变量进行实时监控及历史记录查询。
4 结束语
系统在安钢焦化厂6m焦炉余热利用上升管改造项目中首次应用，调试中通过对现场生产情况以及系统各参数的实时监控进行分析，修改程序及调节参数，使系统最终实现稳定调节，效果显著。系统随后又在焦化厂7m焦炉上升管余热利用改造项目中再次使用，目前运行稳定，调节效果显著。通过实际应用表明串级三冲量液位调节系统调节灵敏、调节质量好，安全性能好，能够有效地克服汽包液位受蒸汽流量和给水流量温度、压力突变时而产生的干扰影响，减小汽包液位波动，对提高整个系统的安全性以及系统的经济效益具有重要作用。
参考文献
[1] 樊响，刘江，杨飞.焦炉上升管荒煤气余热利用技术[J].资源节约与環保，2019（5）：14-16.
[2] 张子才，龚争理，黄良沛，等.锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用[J].国外电子测量技术，2011（2）：20-24.
[3] 吴明永，杨素娟.基于PLC的锅炉串级三冲量给水控制系统[J].工业锅炉，2008（5）：23-24.
[4] 徐春梅，张浩，杨平.汽包水位串级三冲量非线性PID控制系统[J].华东电力，2009（5）：838-841.
[5] 陈晓梅.锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用[J].工程技术（引文版）2011（11）：1.