透平转速调节在汽包液位控制中的应用

张述飞

（中海石油建滔化工有限公司，海南东方572600）

稳定汽包液位是化工生产过程中主要的工艺指标之一，也是保证设备安全运行的必要条件。传统的汽包液位控制一般采用单冲量／双冲量／三冲量的控制方式，在开车阶段或锅炉负荷较低的情况下采用单冲量控制，适当负荷下切换到三冲量控制［1］。该控制方案普遍把给水阀作为调节回路的执行器，通过稳定给水流量来控制汽包液位，往往会造成调节阀前后差压较大，从而消耗在调节阀上的能量较大，不利于装置的节能。在中海石油化学股份有限公司800kt／a甲醇装置中通过采用透平转速来调节给水量，进而控制液位，减少了调节阀上的能量损失，取得了较好的控制效果。

1 传统汽包液位控制方案

1.1 系统概况

该甲醇装置中高压汽包液位由4台差压变送器测量，1台FF总线变送器信号（LT2003）引入DCS用于调节，3台HART协议变送器信号（LT2004／2005／2006）引入ESD用于联锁保护。汽包出口饱和蒸汽流量和汽包压力采用FF总线变送器测量；给水流量采用FF总线涡街流量计。2台给水调节阀中大阀FV2001A为等百分比流量特性，最大流量206t／h；小阀FV2001B为直线流量特性，最大流量103t／h。并联装配3台高压给水泵，2台性能参数完全一致的Elloet蒸汽透平J541A／B，1台电泵J541C。正常情况下2台透平运行，电泵处于备用状态。

1.2 传统的高压汽包液位控制方式

装置投产后高压汽包液位一直采用传统的单冲量／三冲量控制方式，操作过程中根据汽包不同的负荷进行选择。单冲量就是单纯的液位调节，往往在初始上水或负荷较小的情况下使用；三冲量液位控制系统是将汽包液位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈－串级反馈控制系统［2］。

传统的三冲量液位控制系统将给水流量、蒸汽流量等扰动引入到串级控制系统的副环，因此能够迅速被副环克服［3］。控制回路的最终原件执行器由调节阀FV2001A／B来充当。2台调节阀的实际动作通过DCS CALCU功能块实现，对应关系见表1所列。

表1 调节阀开度与控制器的输出对应关系

实际运行过程中，在负荷正常的情况下，锅炉上水流量200t／h左右，FV2001B开度始终处于90%，FV2001A开度则在10%左右进行液位调节。2台透平转速在3 500r／min固定不变，由于透平处于较高转速，汽包给水压力也高，FV2001A／B前后差压较大。同时由于FV2001A流通能力相对较大，微小的阀位变化就会引起液位和汽包给水压力的较大变化，影响了汽包液位的稳定性。图1为高压汽包液位6h的趋势，液位最大有3%的偏差。

2 转速控制方案的构成和原理

2.1 转速调节控制汽包液位的思路

虽然单冲量／三冲量汽包液位控制可以满足液位调节的需要，但由于透平（J541A／B）转速采用手动调节，转速固定不变，通过改变调节阀开度来控制高压汽包给水量。在实际运行过程中FV2001A处于较小的开度，给水调节阀前后差压较大，节流过程中造成的能量损失大，不利于装置的经济运行。同时易对阀芯阀座产生冲蚀破坏，缩短调节阀使用寿命。但是如果将2台调节阀开度处于较大的位置，甚至全开，通过透平转速来实现给水流量的控制，即可减少透平的蒸汽用量，实现装置节能降耗的目的。

图1 传统控制方式下高压汽包液位曲线

具体方案：在液位控制系统中引入一个转速调节器SIC2001，将液位调节器输出信号、蒸汽流量信号、给水流量信号送加法器LY2003B，加法器输出信号送至转速调节器。该方案中主调节器是液位控制器LIC2003C，副调节器是转速调节器SIC2001，将SIC2001输出的4～20mA信号送至ITCC控制调速阀调节透平转速。FIC2001保持在手动状态，输出锁定在较大值，以便实现透平转速调节汽包液位的目的。该方案实际上是在典型的串级三冲量控制系统基础上演变而成，主调节器保证水位无静态偏差，其输出信号、给水流量信号和蒸汽流量信号都作用到副调节器，当蒸汽负荷改变时迅速调节透平转速保证给水流量和蒸汽流量的平衡［4］。其控制原理如图2所示。

图2 转速调节控制液位原理

2.2 调节器与功能块的作用

转速调节控制方案在原有单冲量／三冲量方案基础上，增加一个转速调节器SIC2001，原有的控制方案继续保留，便于汽包低负荷或设备故障情况下使用。具体的控制系统功能如图3所示。

图3 改进后液位控制系统

各调节器与功能块的作用如下：

a）LIC2003A：用于单冲量液位控制的调节器，反作用；

b）LIC2003C：用于三冲量液位控制的调节器，反作用；

c）FIC2001：给水流量调节器，反作用；

d）SIC2001：转速调节器，反作用，根据透平性能参数控制转速在3 050～3 749r／min；

e）LY2002：高压汽包液位压力补偿计算，算法为

式中：LI2003.PV——高压汽包液位测量值；PI2005.PV——高压汽包压力。

f）FY2002：高压汽包出口蒸汽补偿计算，由于FI2002所测为饱和蒸汽流量，只需进行压力补偿：

式中：FI2002.PV——汽包出口饱和高压蒸汽测量值；PI2005.PV——高压汽包压力；ρ——高压饱和蒸汽参考密度，取67.3kg／m3。

g）求和块：求和功能，液位控制器输出信号、蒸汽流量信号、给水流量信号的代数和。

h）模式选择：用于不同模式间的切换，即单冲量／三冲量／转速调节。操作指令由工艺操作员按需要发出。

3 转速调节在汽包液位控制的投用

3.1 正常工况

在开、停车或者系统不稳定时采用单冲量或三冲量控制。单冲量调节器和三冲量调节器在不被选中时给定值和测量值相等，且不被选中调节器的输出始终跟踪被选中调节器的输出。这样当切换控制方式时不必进行平衡操作，实现无扰动切换。单冲量／三冲量汽包液位控制系统的投用还是采用传统的控制方式。当锅炉负荷达到适当且运行稳定时可切换到转速控制，LIC2003C置自动，SIC2001置串级，LIC2003A，FIC2001置手动。为防止2台给水透平同时调节时互相干扰，其中1台用手动控制转速，使转速固定，另1台透平转速自动根据给水量进行调节。高压汽包正常运行时负荷一般在85%左右，上水量大约200t／h。根据给水透平性能参数将1台透平转速固定在3 200r／min，上水量105t／h，约占补水量的一半，另1台转速在3 050～3 749r／min对流量进行补充调节。转速控制投用后根据运行情况通过FIC2001手动将给水阀FV2001A／B开大，如果液位波动较大，调整需较长时间，直至FIC2001输出为100%。随着给水阀的开大，调速透平转速逐渐下降，蒸汽用量减少。

转速调节方案中透平与传统三冲量控制中调节阀动态特性有很大的差别，当液位存在偏差时，FIC2001动作可以快些，便于迅速克服扰动。但如果SIC2001输出动作过快，造成透平实际转速跟不上设定值，极易造成系统失调。对于SIC2001参数的整定和投用，在实际操作中积分时间可长一些，为防止系统主、副调节器被调量产生共振现象，上一级调节系统的周期至少为下一级系统周期的2～3倍［5］。

实际投用后，通过透平转速调节给水量稳定液位，液位控制效果如图4所示，液位调节偏差控制在1%以内，控制效果良好。

图4 转速调节控制液位趋势

3.2 故障工况

转速调节在实际运行中还需考虑故障情况，最大限度地保证装置稳定运行。当其中1台透平跳车时，电泵会自启动，汽包给水流量迅速增大。此时转速调节方案无法快速克服给水流量的扰动，极易造成高压汽包液位的大幅波动，因而需快速地由转速控制切换到三冲量控制，以保证给水量维持在跳车前的水平，稳定汽包液位。

4 转速控制投用效果

转速控制方案实施后，控制回路的稳定性和可靠性比传统三冲量方案有明显的提高。高压汽包液位控制精度由原来的3%左右提高到了1%左右。由于给水阀FV2001A／B处于90%以上的开度，阀前后差压很小，能量损失大大减小。正常负荷情况下，2台透平转速由原来的3 500r／min降到了3 200r／min左右，减少了蒸汽用量，2台透平大约节省蒸汽2.5t／h。同时透平保持在中速运行状态，减少了设备损耗，降低了故障率。

5 结束语

在传统三冲量液位控制的基础上，以透平转速控制给水量，优化了装置的控制方式，提高了控制水平。实际应用证明，通过转速调节控制汽包液位可取得良好效果，特别是在企业大力提倡节能减排的今天更加意义重大。

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