1、前言
在水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔猓@些煙氣直接排入大氣，一方面會造成能源損失，另一方面會造成環(huán)境溫度升高，污染環(huán)境。利用水泥窯排出的高溫?zé)煔饨ㄔO(shè)水泥余熱發(fā)電電站是提高生產(chǎn)效益、節(jié)約能源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
水泥余熱發(fā)電電站較一般電站具有一定的特殊性，主要表現(xiàn)在水泥窯排放的煙氣量和煙氣溫度不易控制。由于水泥窯的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方法、原料、燃料條件發(fā)生變化，產(chǎn)生的廢熱煙氣品質(zhì)也隨之波動較大，給純低溫余熱鍋爐的余熱利用帶來了很多困難。另一方面，水泥余熱發(fā)電余熱鍋爐汽包熱容量較小，受水泥回轉(zhuǎn)窯運行情況的制約，在熱源不穩(wěn)定的情況下，導(dǎo)致汽包水位波動劇烈。
汽包水位的控制是水泥余熱發(fā)電余熱鍋爐控制系統(tǒng)的重要組成部分，因此在汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計中，要盡量考慮水泥余熱發(fā)電鍋爐的特點和發(fā)電系統(tǒng)工藝要求，最大限度地利用煙氣的余熱，穩(wěn)定蒸汽參數(shù)，保證汽輪機在穩(wěn)定工況下運行。
2、余熱鍋爐汽包水位控制的任務(wù)
在水泥窯余熱鍋爐系統(tǒng)中，汽包是整個鍋爐系統(tǒng)中的重要部分，是實現(xiàn)汽水分離的關(guān)鍵裝置。為了鍋爐系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行，必須盡量減小汽包水位的測量誤差，提高汽包水位的控制精度。鍋爐汽包水位的控制對鍋爐的安全運行尤為重要，因為汽包水位的過高或過低都會引起蒸汽品質(zhì)變壞或者水循環(huán)惡化，甚至?xí)斐蓢?yán)重事故。水位過高，會使蒸汽帶水帶鹽，蒸汽品質(zhì)下降，嚴(yán)重時對汽輪機葉片產(chǎn)生危害，直接影響生產(chǎn)安全水位過低又會影響蒸發(fā)器的水循環(huán)，引起蒸發(fā)器局部過熱而損壞。
鍋爐給水控制的任務(wù)是使鍋爐給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包的水位保持在一定的范圍內(nèi)。
3、水泥窯余熱鍋爐汽包水位動態(tài)特性
影響余熱鍋爐汽包水位的主要參數(shù)是給水流量、蒸汽流量和水泥回轉(zhuǎn)窯煙氣量及溫度變化。其中任一參數(shù)發(fā)生變化時，汽包水位都可能出現(xiàn)“虛假水位”的現(xiàn)象，系統(tǒng)具有大滯后、非線性的特點。
3.1 給水流量對汽包水位的影響
給水流量的擾動來向控制調(diào)節(jié)閥，稱為內(nèi)部擾動。在給水流量的作用下，汽包水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖1所示。
圖1 給水流量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線
當(dāng)給水流量階躍ΔW后，水位H的變化如圖1中曲線2所示。如果把汽包和給水看作單容量無自平衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線應(yīng)為圖中的曲線1。但是由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水溫度，給水吸收了原有飽和水中的熱量，使水面下汽泡容積減小，所以擾動初期水位不會立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后，當(dāng)水面下汽泡容量不再變化時，由于進(jìn)、出工質(zhì)流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。曲線3為只考慮給水流量變化時水面下汽泡容積變化所引起的水位變化，可以認(rèn)為是一個慣性環(huán)節(jié)。在給水流量擾動下實際的水位變化用曲線2表示，可以認(rèn)為曲線2是曲線1和曲線3合成而來。
3.2 蒸汽流量對汽包水位的影響
在蒸汽流量的擾動下，汽包水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。
圖2 蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線
當(dāng)蒸汽流量D突然增加時，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)該下降（如圖2中曲線H1），而實際情況并非如此。當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時，汽水混合物中汽泡容積增大，若果余熱鍋爐進(jìn)口煙氣量穩(wěn)定不變，必然導(dǎo)致汽包壓力不斷下降，飽和溫度降低，促使蒸發(fā)速度加快，汽包內(nèi)的水中汽泡體積迅速增加而使水位變化曲線如圖中H2所示。水位實際變化曲線H為H1和H2的疊加。從圖2中可以看出，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在開始階段，水位不但未下降，反而迅速上升，然后再下降；當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然減小時，則水位先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。
3.3 余熱鍋爐進(jìn)口煙氣對水位的影響
在回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度T的擾動下，汽包水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。
圖3 水泥回轉(zhuǎn)窯煙氣擾動下水位階躍響應(yīng)曲線
當(dāng)水泥回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度T突然增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強度增加，此時給水量未及時改變，蒸發(fā)量將大于給水量，水位應(yīng)該下降。但是由于汽包汽泡容積的增加，水位先上升，然后才下降，出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象。
4、汽包水位自動控制系統(tǒng)
4.1 汽包水位控制方案
汽包水位控制包括單沖量、雙沖量和三沖量控制方案。由于單沖量和雙沖量控制方案比較簡單，難以適應(yīng)工況復(fù)雜的余熱鍋爐的控制要求，因此目前余熱鍋爐均采用串級三沖量水位控制方案。
串級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括兩個閉環(huán)：一個閉環(huán)在內(nèi)部，稱為副調(diào)節(jié)回路，在控制中起粗調(diào)作用；一個閉環(huán)在外部，稱為主調(diào)節(jié)回路，完成細(xì)調(diào)任務(wù)。系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，他們的作用各不相同。主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的給定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值；副調(diào)節(jié)器的輸出信號送到調(diào)節(jié)機構(gòu)控制生產(chǎn)過程。
三沖量汽包給水控制如圖4所示，以鍋爐汽包水位作為本控制信號，構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路，以給水流量作為串級信號，構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路，以蒸汽流量信號為前饋信號，構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路。主調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路和前饋調(diào)節(jié)回路共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主調(diào)節(jié)回路用于校正水位偏差，前饋調(diào)節(jié)回路路用于補償外擾、主要用于克服“虛假水位”現(xiàn)象。
圖4 水泥余熱發(fā)電串級三沖量給水控制系統(tǒng)方框圖
汽包水位三沖量給水自動控制系統(tǒng)接受汽包水位、蒸汽流量和給水流量三個信號。其中，汽包水位是主信號，任何擾動引起的水位變化，都會使調(diào)節(jié)器輸出信號發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)給水閥門改變給水流量，使汽包水位恢復(fù)到給定值；蒸汽流量信號是前饋信號，其作用是防止由于“虛假水位”而使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生錯誤的動作，改善蒸汽流量擾動時的調(diào)節(jié)質(zhì)量；蒸汽流量和給水流量兩個信號配合，可消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。當(dāng)給水流量變化時，測量孔板前后的差壓變化很快并及時反應(yīng)給水流量的變化，所以給水流量信號作為介質(zhì)反饋信號，使調(diào)節(jié)器在水位還未變化時就可根據(jù)前饋信號消除嚴(yán)，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，起到穩(wěn)定給水流量的作用。
4.2測量信號的校正
(1)汽包水位的校正
汽包鍋爐通常利用壓差原理測量其水位，而鍋爐從啟動、停止到正常負(fù)荷的整個運行范圍內(nèi)、汽包內(nèi)蒸汽和飽和水密度隨壓力變化、這樣就不能直接用壓差信號來代表水位，因此必須對測量信號進(jìn)行壓力修正。
同時，汽包水位的測量值至少要有3個，因此還需要對這些信號進(jìn)行3取2的運算處理。差壓原理測量的取壓裝置-平衡容器有單室平衡容器、雙室平衡容器和蒸汽罩補償式平衡容器三種。單室平衡容器測量原理簡單，如圖5所示，因汽包內(nèi)的飽和水、蒸汽與平衡容器內(nèi)凝結(jié)水溫度不同、密度不同，從而造成較大的測量誤差。
圖5 單室平衡容器差壓水位計
雙室平衡容器是差壓式測量中非常普遍的一種裝置，如圖6所示，差壓ΔP與水位H的關(guān)系為：
圖6 雙室平衡容器差壓水位計
圖7 蒸汽罩補償式平衡容器差壓水位計
---------------------------（1） 即
------------------------------------------------（2）式中:ΔP為汽包水位的差壓，Pa；H0為汽包正常水位，mm；H為汽包實際水位，mm；ΔH為汽包實際水位與正常水位的差值，mm；L為汽包水位最大測量范圍，mm；ρ′為汽包飽和蒸汽密度，kg/m3；ρ″為汽包飽和水密度，kg/m3；ρW1為平衡容器內(nèi)水密度，kg/m3。
由式（2）看出水位變化ΔH與差壓ΔP不成線性關(guān)系，ρ′和ρ″與汽包壓力有關(guān)，ρW1與溫度有關(guān)。所以，汽、水密度的易變性是雙室平衡容器水位測量的重要誤差來源，即使ΔH為0，不同汽包壓力下ΔH并不一定為0，存在零點漂移的問題。
為了提高測量精度消除零點漂移的現(xiàn)象，可以采用蒸汽罩補償式平衡容器。如圖7所示，其做法就是用蒸汽罩對正壓側(cè)水槽加熱，使槽內(nèi)水在任何情況下與汽包壓力下飽和水密度相同，式（2）可以變?yōu)?/span>
------------------------------------------------（3） 式中:ρa為平衡容器內(nèi)水密度，kg/m3；ΔP為汽包水位的差壓，Pa；H0為汽包正常水位，mm；H為汽包實際水位，mm；ΔH為汽包實際水位與正常水位的差值，mm；L為汽包負(fù)壓端接口與平衡容器內(nèi)管頂部的垂直高度，mm；ρ′為汽包飽和蒸汽密度，kg/m3；ρ″為汽包飽和水密度，kg/m3。
其中，ρa為環(huán)境溫度下平衡容器內(nèi)水密度，變化不大，可視為常值，通過合理地設(shè)計L和l，便可以使ΔP在ΔH=0條件不隨壓力變化而變化，消除零點漂移現(xiàn)象。
即:ΔP=ΔP0-gΔH(ρ′-ρ″)-------------------------------------------------------------------（4）
式（4）表明，蒸汽罩補償式平衡容器輸出的壓差ΔP與汽包內(nèi)汽、水的密度有關(guān)，也就是受汽包壓力的影響。為了消除汽包壓力對水位測量的影響，需要同時采集汽包水位和壓力信號，并建立汽包壓力與汽包內(nèi)汽、水的密度的數(shù)學(xué)模型，然后通過式（4）進(jìn)行校正計算，便可實現(xiàn)信號的自動校正。
（2）蒸汽流量的校正
過熱蒸汽流量的測量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，它在設(shè)計參數(shù)下的測量精度較高，但當(dāng)被測蒸汽的壓力、溫度偏離設(shè)計值時，工質(zhì)的密度變化會造成流量測量誤差，所以以需要進(jìn)行壓力、溫度校正。蒸汽流量D的校正公式如式（5）。
--------------------------------------------------（5）式中：D為過熱蒸汽流量，kg/h；p為過熱蒸汽壓力，MPa；t為過熱蒸汽溫度，℃；Δp為節(jié)流裝置壓差，MPa；ρ為過熱蒸汽密度，kg/m3；K為流量系數(shù)
式（5）表明，過熱蒸汽流量D與過熱蒸汽的壓力p和溫度t有關(guān)。為了消除蒸汽壓力、溫度對流量測量的影響，需要同時采集蒸汽流量（節(jié)流裝置壓差）、壓力和溫度信號，然后通過式（5）進(jìn)行校正計算，便可實現(xiàn)信號的自動校正。
（3）給水流量的校正
由于水的物理性質(zhì)的復(fù)雜性，給水密度除了與給水溫度有關(guān)外，還與給水壓力存在一定的關(guān)系。在壓力、溫度對水密度的影響中，溫度的作用是主要的。
對于水泥窯純低溫余熱電站的給水介質(zhì)主要運行參數(shù)如溫度、壓力只能在某一特定范圍內(nèi)變化，給水壓力變化范圍1.35-3MPa，給水溫度變化范圍100-200℃。計算結(jié)果表明，當(dāng)給水溫度為100℃、壓力在0.196-19.6MPa范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為0.47%；壓力19.6MPa不變、給水溫度在100-290℃范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為13%。這就說明給水流量的測量只需采取溫度校正。當(dāng)然，若給水溫度變化也不大的情況下，則可不必對給水流量進(jìn)行校正。
5、結(jié)語
汽包水位串級三沖量控制系統(tǒng)在抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量方面有較好的性能。為了更好地對汽包水位進(jìn)行控制，應(yīng)采用串級三沖量水位控制方案，這樣可有效地將汽包水位控制在一定范圍內(nèi)，有利于提高蒸汽品質(zhì)，保證水泥余熱發(fā)電鍋爐安全運行。
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