工业锅炉大气式旋膜除氧器自动化控制的实现
 

 
     工业锅炉大气式旋膜除氧器自动化控制的实现。介绍了大气式热力除氧的原理和流程，针对公司自主设计的大气式热力除氧自动控制系统性能指标进行较为具体的分析，同时验证了PID算法的稳定性和可靠性。
     公司现有蒸汽锅炉3台，其中生产的35吨蒸汽炉1台；20吨蒸汽炉2台，用于公司日常生产和部分采暖工作。为保证蒸汽锅炉给水含氧量符合《GB1576-2011工业锅炉水质标准》的相关要求，公司特安装了2台大气式旋膜除氧器，单台大处理能力为35吨/小时。运行模式为：2台同时使用，分别进水，水箱底部出水管并联接至锅炉给水泵入口母管。大气式旋膜除氧器所用蒸汽为锅炉自产蒸汽，蒸汽供应压力在0.4?0.5MPa，蒸汽温度在143?145°C左右。进大气式旋膜除氧器含氧水为经过离子交换器处理的软化水，水温在15°C左右。
     改造前，该大气式旋膜除氧器虽然由原始的现场操作阀门开度保证压力和温度改为远程手操器控制阀门，但依然是靠值班人员手动控制。此种控制方式不仅增加了值班人员的劳动强度，而且运行工况不稳定。如此一来，锅炉给水除氧效果受值班人员的操作技巧、综合技能影响较大。随着锅炉运行安全管理的不断精细化，对锅炉给水相关指标的稳定性和准确性提出了更髙的要求。同时，受公司人力资源成本的逐年压缩以及工业自动化技术的成熟、普及的影响，对现有大气式旋膜除氧器进行自动化改造的需求越加迫切。
     自2011年4月起至2012年10月，公司历时19个月，自主完成了大气式旋膜除氧器自动化控制改造项目的前期论证、试验、改造、调试和验证性运行，取得了良好效果，具体分析及过程如下所述。
2锅炉大气式旋膜除氧器原理分析
     大气式旋膜除氧器的设计原理：大气主要是由氮气、氧气、二氧化碳以及少量的其他气体组成。大气压力就是组成大气的各种气体的分压力的共同作用结果，即：P大气=Pn2+Pc^+Pcc^(1)式中：P大气为大气压力，单位为Pa;pn2、P〇2、pc〇2分别表示氮气、氧气、二氧化碳的分压力，单位为Pa。根据亨利定律，任何气体在水中的溶解度与该气体在汽水界面上的分压成正比。例如，水中的溶解氧含量只与水面上气体中氧的分压有关，而与总压力无关。氧的分压力愈大，水中溶解氧的浓度就越高。当氧的分压力等于零时，则水中的溶解氧也等于零。
     在大气压力下把水加热到沸腾时，水的饱和温度就等于汽水界面上的大气压力，其他大气组成气体的分压就等于零，当然氧的分压力即等于零。此时，氧气在水中的溶解度急剧下降，因而从水中逸出，这就是热力除氧的原理。用于热力除氧的设备称为热力大气式旋膜除氧器。工业锅炉给水常用大气式旋膜除氧器，是通入热蒸汽将水加热至沸点而达到除氧的目的。为了使大气式旋膜除氧器内的气体能够顺利排到大气中，大气式旋膜除氧器内保持着比大气压力稍髙的压力。一般大气式旋膜除氧器内压力比大气压髙0.01?0.02MPa，而此压力下的水的沸腾温度为102?104°C。
大气式旋膜除氧器的系统图，如图1所示。
1、脱气塔2、贮水箱3、压力表4、安全水封5、水位计
3锅炉大气式旋膜除氧器系统分析及前期试验
     从图1的大气式旋膜除氧器系统图可以看出，从大气式旋膜除氧器底部出来的除氧水直接进入锅炉给水泵，其流量大小受锅炉用水量控制。为便于析出氧的排出，大气式旋膜除氧器顶部排气阀应对空常开，不便纳入自动控制。只有含氧水进水量和蒸汽量可作为自动控制调节对象，对大气式旋膜除氧器而言，这两个量也是为关键的变量。
     从大气式旋膜除氧器工作原理可以得知，大气式旋膜除氧器的蒸汽量与含氧水进水量紧密相连。把15°C的冷水加热到102?104°C的饱和沸腾状态，所需的热量就来自于进入大气式旋膜除氧器的蒸汽。
     由此可以计算出在自产蒸汽系统供应压力下，进入到大气式旋膜除氧器中的蒸汽量与含氧水量之间的关系，约为1:6.2,即处理6.2吨含氧水需输入1吨蒸汽。一旦该比例失衡，将造成大气式旋膜除氧器运行不稳定，如含氧水供给量增大，蒸汽供给量必须随时增大；否则，必将引起大气式旋膜除氧器内压力降低，除氧水温度降低，影响到除氧效果。如果含氧水供给量降低，蒸汽供给量不随之降低，将使大气式旋膜除氧器内压力迅速升髙，以至造成安全水封失效，发生冒水事故。将含氧水进水量和蒸汽量两个变量通过某一参数紧密联系在一起，成为大气式旋膜除氧器自动化实现的关键。
     先后以流量、温度、压力三个关键参数作为分析和试验对象展开相关讨论。对于流量。由于系统蒸汽压力存在波动，单位流量蒸汽所带的热值也存在波动，相应的处理含氧水量也随之变化。例如，直接以二者流量关系作为自动控制参数时，必须考虑蒸汽压力这一重要因素。可见，实现起来较为复杂。对于温度。手动操作下，以温度为控制参数进行大量试验，发现如下关系：由于水的温度变化较为缓慢，以温度为控制参数时，常出现水箱内水温达到了饱和温度，减小蒸汽量后，大气式旋膜除氧器压力过低，不仅造成大量的水汽化，而且不利于析出氧的顺利排出，直接影响除氧效果。对于压力。试验过程中发现，将大气式旋膜除氧器内蒸汽空间压力控制在一定范围内，可以保证大气式旋膜除氧器内的水温，同时也不会造成超压冒水或低压不利于排气的现象发生。但是，人工控制大气式旋膜除氧器压力过程中，由于蒸汽压力波动较大，水箱又是微压运行，致使操作蒸汽阀门非常频繁，大大增加了值班人员的工作量。
     综合分析，在自动控制关键参数的选择上，控制大气式旋膜除氧器内蒸汽空间压力不仅可靠性高而且易于实现。为尽量简化自动化设备及中间环节，在设计上采取含氧水上水独立自控，大气式旋膜除氧器以大气式旋膜除氧器内蒸汽空间压力作为控制参数的定压控制方式。
4锅炉大气式旋膜除氧器自动化的实现
4.1大气式旋膜除氧器上水自动控制
     大气式旋膜除氧器的用水量与蒸汽锅炉的运行负荷紧密相连。要想保证大气式旋膜除氧器水位为一定值，就必须保证进入大气式旋膜除氧器的含氧水与大气式旋膜除氧器所供应除氧水的流量相同。若想保证水位控制精度非常髙，在自动化控制实现中，好在含氧水管道和除氧水管道上各安装流量计，以流量信号作为控制量和反馈量。但是，此种模式对流量计精度和可靠性的要求较髙，控制器设计也相对复杂。根据本系统的如下状况；
     （1)锅炉负荷变化具有连续性，一般总蒸发量在20?50吨/小时，不存在较大的阶跃性变化；
     （2)两个大气式旋膜除氧器并联运行，正常运行时总贮水量在70吨左右，有调节器的反应时间；
     （3)两个大气式旋膜除氧器并联运行时，液位控制在70%左右，且允许液位出现小幅波动。采用以单水箱液位为控制对象，将液位信号转换为压力信号输入给PID调节器。通过PID调节器控制含氧水给水阀门，从而调节给水量，以控制大气式旋膜除氧器水箱液位。大气式旋膜除氧器液位控制系统图，如图2所示。
     由于大气式旋膜除氧器液位上部空间非标准大气压，所以在液位信号采集和转化时必须考虑液位上部空间的汽平衡。
4.2大气式旋膜除氧器蒸汽供给自动控制
     以大气式旋膜除氧器内蒸汽空间压力为控制点，将对其采集的信号作为反馈信号，与设定值进行对比，通过调节器控制蒸汽阀门开度，以调整大气式旋膜除氧器的蒸汽供应量。大气式旋膜除氧器压力控制系统图，如图3所示。
     根据水在0.11?0.12MPa压力下水的沸腾温度为102?104°C这一规律，保持大气式旋膜除氧器上蒸汽空间表压为0.01?0.02MPa范围，就可保证除氧温度，同时有利于析出氧的外排。此种控制模式受蒸汽供应系统压力波动影响较小，可靠性较高。
4.3锅炉大气式旋膜除氧器系统调试与参数的整定
4.3.1锅炉大气式旋膜除氧器系统的调试
     根据本系统大气式旋膜除氧器两台并联运行、贮水量大、水位波动小的特点，在调试过程中先投入含氧水自动控制系统。由于大气式热力除氧水箱要求好是连续保持含氧水和蒸汽的供应，且波动不宜过大，所以根据锅炉运行负荷状况，将含氧水自动控制系统中PID控制器中阀位的下限定为阀门开度的10%。此时，流量为19吨/小时，将上限控制在80%,此阀位状态下供水量为54吨/小时，从而避免在水箱高水位状态下陶门开度过小而影响大气式旋膜除氧器连续工作的情况。
     投入水位自动控制系统后，在大气式旋膜除氧器运行稳定的情况下投入蒸汽控制系统。虽然该系统中大气式旋膜除氧器采取高位布置，为避免给水泵入口汽化，特将大气式旋膜除氧器出水温严格控制在104.5°C以下。另外，考虑到自动控制器、电动阀门在运算和执行过程中存在一定的波动和惯性，为避免压力超出水箱水封极限压力，经过反复试验和调试，认为将大气式旋膜除氧器上方蒸汽空间表压控制在0.010?0.012MPa范围内较为合适。
4.3.2锅炉大气式旋膜除氧器系统参数的整定
     大气式旋膜除氧器的运行必须是在保证锅炉给水充足的前提下进行，同时需考虑到含氧水的调节较为稳定。所以，自动控制系统各参数整定过程中，应先确定含氧水供给控制调节器的参数。基于前期的试验数据，该系统整定采取的是经验试凑法，即先试凑比例度，再加积分。由于含氧水自动控制所参考的液位参数本身波动不是很剧烈且容许有一定的偏差，所以在PID调节中未加入微分量。在含氧水自动控制调整稳定后，根据给水量整定蒸汽供给自动控制系统参数。先按含氧水供给量及汽水比6:1的关系确定比例度，然后再使用经验试凑法不断调整积分量。由于大气式旋膜除氧器工作压力为微压且波动较大，所以在试凑积分量时从50%开始。先以10%步进，待系统初步稳定后再进行微调。反复尝试，将PID调节器内的参数设置为P=120%,I=80s,D=ls时，系统为稳定。
5锅炉大气式旋膜除氧器效果分析及验证
     由于本次改造所使用的均是较为成熟的PID智能控制仪表和电动执行器，可靠性较高。同时，为提高系统应急能力，分别在液位、压力等控制仪表上安装高低位报警设备。在此次改造中，为提高供水应急能力，保留原有手动控制系统，以便应急使用。该自动控制系统改造完成后，经过12个月的试运行，运行状态稳定，各控制参数均符合相关规范要求。运行数据抽样统计情况，如表1所示。
     通过对本系统大气式旋膜除氧器及锅炉运行状态参数的统计与分析，结合对大气式旋膜除氧器自动控制下所输送除氧水溶解氧的监测，得出在工业锅炉系统中，大气式旋膜除氧器可以实现自动化控制，且自动运行的稳定性、运行效率和除氧效果均优于手动控制。