廢熱鍋爐底部調節閥復雜控制的應用

　　廢熱鍋爐底部的調節閥既要控制廢熱鍋爐底部的液位，也要對廢熱鍋爐反沖洗進(jìn)行控制，因此對調節閥的控制成為工藝上的難點(diǎn)。為此，設計一套控制方案，實(shí)現了此調節閥兩種控制的自動(dòng)無(wú)擾切換和協(xié)調，將其應用于某煤制天然氣項目的氣化爐，獲得了較好的控制效果。

　　氣化爐是煤制天然氣工藝中的關(guān)鍵設備，目前應用較多的是碎煤加壓氣化爐，其優(yōu)勢有：自熱式工藝，所需熱量由煤的部分燃燒提供;加壓有利于氣化爐中反應效率的提高。廢熱鍋爐是氣化爐不可缺少的部分，氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣中含有大量的煤、灰及焦油等雜質(zhì)，在離開(kāi)氣化爐后進(jìn)入洗滌冷卻器，然后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)行廢熱利用和進(jìn)一步的洗滌，洗滌所用到的介質(zhì)為煤氣水，并且在廢熱鍋爐底部和洗滌冷卻器之間通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，以實(shí)現洗滌后含有煤塵和冷凝焦油的煤氣水都能通過(guò)廢熱鍋爐底部管線(xiàn)排出。因此，洗滌所用的高壓煤氣水需不斷地補入，以保持廢熱鍋爐底部的液位。洗滌后的粗煤氣從頂部離開(kāi)廢熱鍋爐后，再由氣液分離器進(jìn)行分離后，進(jìn)入下一界區，氣液分離器產(chǎn)生的煤氣水再返回廢熱鍋爐進(jìn)行循環(huán)利用。

1、工藝介紹

　　圖1所示為某煤制天然氣項目氣化爐的廢熱鍋爐工藝流程圖。氣化爐在正常運行時(shí)，廢熱鍋爐底部的液位要控制在合理范圍內，液位過(guò)高時(shí)，增加了粗煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐的阻力，且會(huì )導致粗煤氣中含有大量的水蒸氣;液位過(guò)低時(shí)，由于進(jìn)入廢熱鍋爐粗煤氣溫度為181℃左右，而廢熱鍋爐的正常操作溫度在161～175℃之間，液位過(guò)低將會(huì )使廢熱鍋爐運行于較高溫度下，對設備造成損壞。因此，在廢熱鍋爐下部設計了調節閥，以實(shí)現液位的自動(dòng)控制。

圖1 氣化爐廢熱鍋爐工藝流程

　　氣化爐運行過(guò)程中，粗煤氣帶出的煤粉、灰與焦油在廢熱鍋爐中積聚，會(huì )造成廢熱鍋爐底部堵塞，造成廢鍋底部液位的升高，當超過(guò)粗煤氣進(jìn)氣孔時(shí)，會(huì )導致進(jìn)氣阻力明顯增大，導致洗滌冷卻器出口溫度升高，進(jìn)而影響粗煤氣和煤氣水的正常運轉，為防止上述情況的發(fā)生，需設置自動(dòng)反沖洗裝置，對廢熱鍋爐進(jìn)行定期的反沖洗，反沖洗作用將廢熱鍋爐中沉積的雜質(zhì)與煤氣水充分混合，通過(guò)底部管線(xiàn)排出廢熱鍋爐。工藝過(guò)程控制上的難點(diǎn)包括：

　　a.反沖洗順序控制與液位自動(dòng)控制兩種策略作用時(shí)間的分配，相互切換時(shí)的自動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)設計。根據上述的工藝要求，反沖洗順序控制為周期循環(huán)控制，防止閥門(mén)與管線(xiàn)堵塞，但氣化爐處于正常工況下，要始終投入廢熱鍋爐液位的自動(dòng)控制。

　　b.反沖洗順序控制，是一個(gè)自動(dòng)的、無(wú)需人工操作的過(guò)程，必須嚴格按照工藝要求、反沖洗步驟進(jìn)行設計，且要考慮到順序控制過(guò)程中出現的各種意外情況。

　　c.當執行反沖洗順序控制時(shí)，廢熱鍋爐中只有進(jìn)水，無(wú)排水，所以液位會(huì )有明顯變化，則要求調節閥的液位自動(dòng)控制必須有較高的調節品質(zhì)。

2、解決方案

　　針對上述的某煤制天然氣項目廢熱鍋爐底部液位自動(dòng)控制由PID控制實(shí)現，液位由現場(chǎng)的雙法蘭差壓液位計檢測，再根據調節閥的特性，設定合理的PID參數，以獲得最佳的調節品。反沖洗順序控制由程序實(shí)現，具體程序流程如圖2所示。

圖2 反沖洗順序控制程序流程

　　廢熱鍋爐正常運行工況時(shí)，CH038閥門(mén)、底部調節閥均打開(kāi)，將含雜質(zhì)的煤氣水排出廢熱鍋爐。當粗煤氣出洗滌冷卻器溫度超過(guò)某定值時(shí)，反沖洗程控不允許投入，但可以手動(dòng)反沖洗，若是因廢熱鍋爐堵塞導致，需到現場(chǎng)進(jìn)行疏通處理。只有粗煤氣出洗滌冷卻器的溫度低于某定值時(shí)，反沖洗程控才允許投入。具體操作為：先點(diǎn)擊“A”，再點(diǎn)擊“S”，程序控制開(kāi)始，自動(dòng)關(guān)閉CH038閥門(mén)，打開(kāi)CH039閥門(mén)，使高壓煤氣水反沖廢熱鍋爐底部，操作人員可根據工況變化，手動(dòng)設定底部調節閥的開(kāi)度脈動(dòng)的峰值、谷值、長(cháng)度和周期，使高壓煤氣水具有一定的沖擊力，將沉積下的雜質(zhì)與煤氣水混合，以達到反沖洗的目的。本次反沖洗結束后，關(guān)閉CH039閥門(mén)，打開(kāi)CH038閥門(mén)，底部調節閥恢復到程序控制投入前的狀態(tài)。程序控制進(jìn)行反沖洗間隔計時(shí)，到達間隔計時(shí)的設定值后，反沖洗程序控制再自動(dòng)投入。若程序控制執行時(shí)，閥門(mén)出現未開(kāi)、關(guān)到位的情況，程序控制會(huì )自動(dòng)退出，保證設備處于安全狀態(tài)，且發(fā)出報警信息。反沖洗畫(huà)面下部為底部調節閥開(kāi)度的實(shí)時(shí)趨勢，便于操作員觀(guān)察程序控制的狀態(tài)。另外，操作員根據實(shí)際工況，在任何時(shí)間都可以通過(guò)點(diǎn)擊“M”，就可將程序控制切除。

　　兩種控制策略均對底部調節閥作用，廢熱鍋爐的反沖洗程序控制為循環(huán)運行，除了反沖洗運行的時(shí)間以外，其他時(shí)間均為液位的自動(dòng)控制，針對兩種控制運行時(shí)間的分配、切換，筆者所設計的解決方案如圖3所示。

圖3 底部調節閥控制方案

　　當液位自動(dòng)控制切換到反沖洗程序控制時(shí)，控制程序發(fā)出指令，使程序控制開(kāi)始作用，調節閥接收程控的指令而進(jìn)行開(kāi)度的變化，此時(shí)液位PID控制仍為自動(dòng)狀態(tài)，但不對閥門(mén)作用，且PID的輸出保持在切換時(shí)的數值;當反沖洗程序控制切換到液位自動(dòng)控制時(shí)，控制程序發(fā)出另一指令，閥門(mén)開(kāi)度立即回到PID所保持的開(kāi)度數值，液位PID控制立即恢復作用，調節閥門(mén)對液位進(jìn)行控制，此時(shí)反沖洗程控不對閥門(mén)進(jìn)行控制，進(jìn)入反沖洗間隔計時(shí)，等待下一次程控的執行，但在間隔計時(shí)過(guò)程中，反沖洗程控時(shí)刻跟蹤液位PID控制的輸出。

　　通過(guò)上述的方案設計來(lái)實(shí)現兩種控制策略的時(shí)間分配、無(wú)擾動(dòng)切換。由于反沖洗程控作用時(shí)，高壓噴射煤氣水只進(jìn)入廢熱鍋爐，但無(wú)出口排出，因此程控結束后，液位會(huì )有較大的升高，所以液位自動(dòng)控制應根據調節閥的特性，設置最優(yōu)的PID控制參數，實(shí)現液位控制的快速性、穩定性和準確性。

3、應用效果

　　將筆者設計的控制方案投入到實(shí)際的工程中，需對該控制方案分步投入、調試，實(shí)現液位PID控制參數的最優(yōu)化、程序控制的完善化，最終得以在實(shí)際工程中有效應用。

3.1、液位自動(dòng)控制

　　為實(shí)現底部調節閥對液位的自動(dòng)控制，需對PID控制器的參數進(jìn)行調試、優(yōu)化，以獲得最佳的調節品質(zhì)。

　　當P=2、I=60s時(shí)，液位設定值由55%下降至50%，控制的超調量為2.78%，穩定時(shí)間為300s，液位自動(dòng)控制的效果如圖4a所示;當時(shí)，液位設定值由55%下降至50%，控制的超調量為3%，穩定時(shí)間為147s，液位自動(dòng)控制的效果如圖4b所示。

圖4 液位控制效果

　　通過(guò)上述兩種在不同參數下的控制效果圖的對比可知：參數為第二種情況時(shí)，液位控制的超調量變化不大，且實(shí)現了的液位的快速穩定，控制品質(zhì)最佳。

3.2、反沖洗程序控制

　　反沖洗程序控制單獨投入使用時(shí)，程序控制畫(huà)面中所有參數均由操作人員根據實(shí)際工況進(jìn)行設定。反沖洗程控涉及3個(gè)閥門(mén)的狀態(tài)：CH038閥、CH039閥均按程序進(jìn)行開(kāi)、關(guān)動(dòng)作;底部調節閥按所設定的參數進(jìn)行脈動(dòng)。反沖洗程序控制完全實(shí)現了工藝上對反沖洗控制的要求。

3.3、液位自動(dòng)控制與反沖洗程序控制聯(lián)合作用

　　經(jīng)過(guò)液位PID控制與反沖洗程控的單獨調試后，再將二者結合起來(lái)，共同投入到現場(chǎng)設備的控制中，根據實(shí)際的控制效果，繼續進(jìn)行優(yōu)化、提高調節品質(zhì)。當反沖洗程序控制退出后，液位PID控制立即恢復作用，此時(shí)液位已分別上升4.41%和8.54%，但通過(guò)PID控制，分別經(jīng)過(guò)49、200s，便將液位調節穩定。因此可以得出：無(wú)論廢熱鍋爐運行于何種工況下，筆者設計的控制方案都能順利完成反沖洗控制，且能快速調節穩定液位，獲得了較好的控制效果。

4、結束語(yǔ)

　　根據控制方案實(shí)際應用的效果圖，可以看出筆者所設計的控制方案：液位PID控制與反沖洗程序控制自動(dòng)、無(wú)擾切換，大大減小了操作人員的工作量;液位PID控制具有較高的調節品質(zhì)，反沖洗程序控制操作簡(jiǎn)單，參數修改方便，完全按照工藝要求進(jìn)行控制。筆者設計的控制方案，不僅解決了運行控制上的難點(diǎn)，而且實(shí)現了工藝的要求，獲得了滿(mǎn)意的效果。