分析磁翻板液位计在锅炉排污控制系统中的运用
返回列表发布日期：2019-12-30 14:20:52 |
摘 要 ：工业锅炉在工业生产中发挥着举足轻重的作用，该文从节能降耗以及提高工作效率的目的出发，针对目前工业生产中 loos 锅炉连续排污设备存在的问题进行了系统研究。该文归纳了目前锅炉连续排污存在的问题，从锅炉连续排污运作原理、设计思路、实施方案3个方面研究构建了改造系统，提出了一种基于仪表控制的锅炉连续排污控制系统。将连续排污扩容器内液位位置维持在一个相对稳定的范围内，提高了二次蒸汽产生的稳定性，防止了除氧罐蒸汽和二次闪蒸出的蒸汽流失损耗。同时，在保证连续排污效果的基础上，有效控制排污温度，实现废热的有效回收利用。
引言
工业锅炉作为工业和社会的必需品，在国民经济和社会发展中占有重要的地位。以我厂锅炉系统为例，我厂锅炉系统主要提供生产用蒸汽。在锅炉的工作过程中，锅炉内的水体在不断地蒸发过程中逐步浓缩，从而在锅炉水的表面残留下大量的浮油、各种悬浮物和浓缩盐，容易在锅炉底部产生沉积的泥渣、泥垢等物质。为了保证锅炉的工作效率，保持锅炉蒸汽高品质运转，防止锅炉沉积对锅炉壁产生腐蚀，保障锅炉的安全运行，锅炉上具有连续排污、定期排污的特殊装置。
1 锅炉连续排污目前存在的问题
以我厂锅炉连续排污设备为例，目前主要存在 2 个问题。
1.1 二次蒸汽产量不稳定，热量损失大
在锅炉连续排污量大的情况下，闪蒸出的部分二次蒸汽会随同废水一起由底部排出，造成二次蒸汽的浪费。而且由于在不同时间段来自锅炉的连续排污炉水流量不同，且流量的变化有时候又是迅速的，规律性也不明显，直接排污方式也会导致扩容器扩容分离效果不稳定，二次蒸汽的产生量也不稳定。一般正常的锅炉排污率在 5%~10%，也就是连续排污污水占整体锅炉运行用水的比率。影响排污率的主要因素有 3 个，即水的碱度、水的硬度和锅炉水的碱度控制值。一般在锅炉水的盐浓度比较低时，排污率通常较低，即 4%~5%。我们以排污率5%，排污流量是 0.5 t/h，工作压力大小为 0.8 MPa，饱和温度达到 175 ℃，每小时产生的热损失将近 4×10 5 万 kJ，与 32 kg的原煤燃烧热值相当，从中不难看出排污水的热损失是相当大的。
1.2 除氧罐内蒸汽流失损耗
现有除氧罐采用锅炉蒸汽进行热力除氧，因此除氧罐内保有一定的压力，正常约为 0.01 MPa 左右，当锅炉连排不进行排放时，除氧罐内的蒸汽会在压力的作用下进入连排扩容器，并由下端手动阀排出，会造成除氧罐内蒸汽的损耗。
2 锅炉连续排污控制系统改进
2.1 锅炉连续排污运作原理
连续排污主要是排去锅炉水表面和水体内的油污、悬浮物和浓缩盐，从而降低锅炉水的碱性，提高锅炉蒸汽的品质。连续排污系统主要由排污管道与连续排污扩容器组成。连续排污扩容器也称连续排污膨胀器，它与锅炉的连续排污口直接相连，主要功能是对锅炉的连续排污炉水进行减压扩容，排污炉水在连续排污膨胀器内减压绝热膨胀分离为二次蒸汽和废水，其中二次蒸汽由专门的管道引出，进入除氧罐加以利用，而废水则通过下端手动阀直接排出扩容器。
2.2 改进设计思路
我们针对连排扩容器进行改造，由于扩容器下端排放口采用直排，在大流量情况下会造成闪蒸蒸汽和废水一起排出，在无流量的情况下，除氧罐蒸汽会在除氧罐内蒸汽压力下进入扩容器内流失。为了改善这一情况，需要增加一套液位控制系统，使扩容器内保留一定的液位，既可以保证扩容器内压力稳定，保证闪蒸蒸汽的稳定产生，又能防止闪蒸蒸汽和除氧罐蒸汽的流失，尽最大可能地节约蒸汽。这就要求系统对液位控制有着很高的要求，要求控制稳定，能够应对不同连续排污流量对液位的影响，保证扩容器安全稳定的运行。根据以上条件自主设计了该套控制系统，该系统由测量机构、控制机构和执行机构组成。其核心是通过传感器将液位信息上传 PID 控制器，利用 PID 控制器内部 PID 计算实现对液位数据处理，反馈给电动调节阀，通过调整调节阀阀度，使扩容罐液位维持在一个稳定的范围内。
2.3 锅炉连续排污实施方案
2.3.1 测量机构液位传感器选择
传感器主要考虑常用的磁翻板式液位计及压差式液位计 2 种，在锅炉向连排扩容器内排污时会造成扩容器内压力波动，影响压差式液位计的测量精度，而磁翻板液位计则采用液位浮力翻版，不受压力波动影响，而且便于现场便于直观观察液位。所以我们最终选取磁翻板液位计作为我们液位信号的来源。
2.3.2 现场控制器选择
现场控制器如果预算充足可以考虑市场上常见的西门子 PLC 控制器，它具有强大的运算功能与高实时性的优点。如果从控制预算角度可以选用 XSC5 系列 PID 仪表控制器，能够有效适应现场高温环境，且造价低廉，可以满足我们的设计要求。它可以实现接受来自磁翻板液位计的4 mA~20 mA液位信号，经过内部 PID 算法计算后控制现场西门子电动调节阀保证液位稳定。
2.3.3 现场 PID 参数整定
现场控制方式一般采用 PID 控制，按偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制（简称 PID 控制）是连续系统控制理论中技术最成熟，应用最广泛的一种控制技术。由于其算法简单、可靠性高等优点，因此在控制系统中控制器最常用的控制规律是 PID 控制。原理框图如图 1 所示。
PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类 ：理论计算整定法和工程整定方法，一般情况多采用的是工程整定法。通过现场试验与分析，在多次测试中根据液位变化情况调整PID 参数，并要及时根据连续排污情况的变化及时修订 PID参数。
2.3.4 现场电动调节阀选择
现场调节阀要求能够耐高温，高可靠性，能够接受控制信号一般多以 4 mA~20 mA 或 0 V~10 V 为主，并能通过信号反馈。基于此种情况，一般选用西门子 SKD62 系列电动调节阀。
3 锅炉连续排污控制系统改进效果
改造后的连续排污系统已在实际工厂中投入运行使用，运行效果良好。 改造完成后通过长时间的运行观察，当连续排污流量不稳定时，通过 PID 控制器对调节阀开度的控制，对于流量变化及时响应，对于扩容器内液位做出响应的调整，有效地避免了液位剧烈波动，扩容器内液位稳定，扩容器内压力恒定，其下层液位能有效保证蒸汽进入除氧罐，防止了除氧罐内蒸汽通过扩容器流失。
该次对锅炉连排系统的优化改造，不仅可以提高扩容器内闪蒸产生二次蒸汽的稳定性，避免了在某些情况下除氧罐内蒸汽和二次蒸汽的流失损耗，节约了能源，同时后期还可以考虑将控制器内液位等运行数据上传中控室，以便于运行人员可以远程发现问题，并能时刻掌握锅炉排污数据，更好地保证锅炉系统运行。
引言
工业锅炉作为工业和社会的必需品，在国民经济和社会发展中占有重要的地位。以我厂锅炉系统为例，我厂锅炉系统主要提供生产用蒸汽。在锅炉的工作过程中，锅炉内的水体在不断地蒸发过程中逐步浓缩，从而在锅炉水的表面残留下大量的浮油、各种悬浮物和浓缩盐，容易在锅炉底部产生沉积的泥渣、泥垢等物质。为了保证锅炉的工作效率，保持锅炉蒸汽高品质运转，防止锅炉沉积对锅炉壁产生腐蚀，保障锅炉的安全运行，锅炉上具有连续排污、定期排污的特殊装置。
1 锅炉连续排污目前存在的问题
以我厂锅炉连续排污设备为例，目前主要存在 2 个问题。
1.1 二次蒸汽产量不稳定，热量损失大
在锅炉连续排污量大的情况下，闪蒸出的部分二次蒸汽会随同废水一起由底部排出，造成二次蒸汽的浪费。而且由于在不同时间段来自锅炉的连续排污炉水流量不同，且流量的变化有时候又是迅速的，规律性也不明显，直接排污方式也会导致扩容器扩容分离效果不稳定，二次蒸汽的产生量也不稳定。一般正常的锅炉排污率在 5%~10%，也就是连续排污污水占整体锅炉运行用水的比率。影响排污率的主要因素有 3 个，即水的碱度、水的硬度和锅炉水的碱度控制值。一般在锅炉水的盐浓度比较低时，排污率通常较低，即 4%~5%。我们以排污率5%，排污流量是 0.5 t/h，工作压力大小为 0.8 MPa，饱和温度达到 175 ℃，每小时产生的热损失将近 4×10 5 万 kJ，与 32 kg的原煤燃烧热值相当，从中不难看出排污水的热损失是相当大的。
1.2 除氧罐内蒸汽流失损耗
现有除氧罐采用锅炉蒸汽进行热力除氧，因此除氧罐内保有一定的压力，正常约为 0.01 MPa 左右，当锅炉连排不进行排放时，除氧罐内的蒸汽会在压力的作用下进入连排扩容器，并由下端手动阀排出，会造成除氧罐内蒸汽的损耗。
2 锅炉连续排污控制系统改进
2.1 锅炉连续排污运作原理
连续排污主要是排去锅炉水表面和水体内的油污、悬浮物和浓缩盐，从而降低锅炉水的碱性，提高锅炉蒸汽的品质。连续排污系统主要由排污管道与连续排污扩容器组成。连续排污扩容器也称连续排污膨胀器，它与锅炉的连续排污口直接相连，主要功能是对锅炉的连续排污炉水进行减压扩容，排污炉水在连续排污膨胀器内减压绝热膨胀分离为二次蒸汽和废水，其中二次蒸汽由专门的管道引出，进入除氧罐加以利用，而废水则通过下端手动阀直接排出扩容器。
2.2 改进设计思路
我们针对连排扩容器进行改造，由于扩容器下端排放口采用直排，在大流量情况下会造成闪蒸蒸汽和废水一起排出，在无流量的情况下，除氧罐蒸汽会在除氧罐内蒸汽压力下进入扩容器内流失。为了改善这一情况，需要增加一套液位控制系统，使扩容器内保留一定的液位，既可以保证扩容器内压力稳定，保证闪蒸蒸汽的稳定产生，又能防止闪蒸蒸汽和除氧罐蒸汽的流失，尽最大可能地节约蒸汽。这就要求系统对液位控制有着很高的要求，要求控制稳定，能够应对不同连续排污流量对液位的影响，保证扩容器安全稳定的运行。根据以上条件自主设计了该套控制系统，该系统由测量机构、控制机构和执行机构组成。其核心是通过传感器将液位信息上传 PID 控制器，利用 PID 控制器内部 PID 计算实现对液位数据处理，反馈给电动调节阀，通过调整调节阀阀度，使扩容罐液位维持在一个稳定的范围内。
2.3 锅炉连续排污实施方案
2.3.1 测量机构液位传感器选择
传感器主要考虑常用的磁翻板式液位计及压差式液位计 2 种，在锅炉向连排扩容器内排污时会造成扩容器内压力波动，影响压差式液位计的测量精度，而磁翻板液位计则采用液位浮力翻版，不受压力波动影响，而且便于现场便于直观观察液位。所以我们最终选取磁翻板液位计作为我们液位信号的来源。
2.3.2 现场控制器选择
现场控制器如果预算充足可以考虑市场上常见的西门子 PLC 控制器，它具有强大的运算功能与高实时性的优点。如果从控制预算角度可以选用 XSC5 系列 PID 仪表控制器，能够有效适应现场高温环境，且造价低廉，可以满足我们的设计要求。它可以实现接受来自磁翻板液位计的4 mA~20 mA液位信号，经过内部 PID 算法计算后控制现场西门子电动调节阀保证液位稳定。
2.3.3 现场 PID 参数整定
现场控制方式一般采用 PID 控制，按偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制（简称 PID 控制）是连续系统控制理论中技术最成熟，应用最广泛的一种控制技术。由于其算法简单、可靠性高等优点，因此在控制系统中控制器最常用的控制规律是 PID 控制。原理框图如图 1 所示。
2.3.4 现场电动调节阀选择
现场调节阀要求能够耐高温，高可靠性，能够接受控制信号一般多以 4 mA~20 mA 或 0 V~10 V 为主，并能通过信号反馈。基于此种情况，一般选用西门子 SKD62 系列电动调节阀。
3 锅炉连续排污控制系统改进效果
改造后的连续排污系统已在实际工厂中投入运行使用，运行效果良好。 改造完成后通过长时间的运行观察，当连续排污流量不稳定时，通过 PID 控制器对调节阀开度的控制，对于流量变化及时响应，对于扩容器内液位做出响应的调整，有效地避免了液位剧烈波动，扩容器内液位稳定，扩容器内压力恒定，其下层液位能有效保证蒸汽进入除氧罐，防止了除氧罐内蒸汽通过扩容器流失。
该次对锅炉连排系统的优化改造，不仅可以提高扩容器内闪蒸产生二次蒸汽的稳定性，避免了在某些情况下除氧罐内蒸汽和二次蒸汽的流失损耗，节约了能源，同时后期还可以考虑将控制器内液位等运行数据上传中控室，以便于运行人员可以远程发现问题，并能时刻掌握锅炉排污数据，更好地保证锅炉系统运行。