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1 引言
硫酸余热锅炉汽包液位控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,并维持汽包液位在工艺允许的范围内，这是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。若液位过高,影响汽水分离的效果,使用气设备发生故障;而液位过低则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸，所以锅炉汽包液位必须严加控制。为了确保锅炉生产的稳定、可靠和经济运行，我们设计采用了伦茨变频调速器、国产永宏PLC等自动化设备组成的锅炉液位自动控制系统。该控制系统通过检测水汽压力、温度，汽包液位等运行物理量，在运行过程中对给水流量及压力等调节量采用全自动调节，保证了硫酸余热锅炉的安全稳定高效运行。
2 硫酸余热锅炉工艺流程分析
硫酸余热锅炉是全厂重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，余热锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。而利用余热气体作为热交换介质的余热锅炉在全国占有很大的比例，其节能降耗效果尤为明显。硫酸余热锅炉就是利用沸腾炉出来的炉气（主要是SO2）温度过高，将其作为热交换对象，通过余热锅炉副产中压蒸汽供后工序使用，既保证了生产需要，也达到了节能降耗的目的。锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。余热锅炉工艺流程如图1所示。
3 系统工艺对控制系统的要求
为保证硫酸余热锅炉系统的自动安全运行和蒸汽的质量，要求对汽包液位控制、除氧气的控制、凝结水井液位及蒸汽温度的控制必须准确。在系统运行过程中，如果有关设备出现故障，应在人机界面上提示报警信息，并依据情况，采取相应的保护措施。控制系统操作简单，参数设置、调整方便、便于操作。控制系统能实现软手操，在任何情况下都有操作手段，防止操作失灵；操作员站显示整个生产工艺流程、修改和打印各种有关参数。硫酸余热锅炉PLC及变频控制技术主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC和变频器控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷（蒸气流量）急剧增加时，表现却为“逆响应特性”，即所谓的“虚假水位”，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。具体调节过程方框图如图2所示。
先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得各自的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D×Dk-W×Wk+H-G=0的关系式存在。其中Dk为蒸汽流量系数Wk为给水流量系数。如果再设定时，保证在稳态下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此时调节器的输出就与符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，PI调节模块的输出必将发生变化。当水位升高了，则调节模块的输出信号就减小，控制变频器使得给水调节阀关小。反之，当水位降低时，调节模块的输出值增大，控制变频器使给水阀开大。实践证明三冲量给水单极自动调节系统能保持水位稳定，且给水调节阀动作平稳。
锅炉给水系统中还有一个比较重要的控制回路是给水压力回路，因为汽包内压力较高，要给锅炉补水必须提供更高的压力，给水压力回路的作用是提高水压，使水能够正常注入汽包。但在蒸汽流量未达到满负荷时，对给水流量的要求也不高。在老式的锅炉系统中一般采用给水泵一直以工频方式运转，用回流阀降低水压防止爆管，现在一般采用通过变频器恒压供水的方式控制水压。锅炉给水量通过汽包液位调节。汽包液位测量选用浮筒液位计。为有效利用转换废热，降低消耗，减低劳动强度，有利于整体工艺稳定，要求汽包液位自动控制，正常生产时波动应小于±5％。PID调节蒸汽出口阀可以很好的控制汽包压力。开车正常后波动范围不大，可以不考虑。转化负荷波动、出预热器锅炉给水温度变化、锅炉负荷波动、排污量变化这几个因素对汽包液位的影响必须考虑。以汽包液位为主调参数、以给水流量为副调参数、以蒸汽流量为前馈，但调节效果很差。引起汽包液位的大起大落。考虑到该废热锅炉控制参数耦合小，流程简单，产汽量也较稳定，我们从操作人员的操作中得到启发，认为减少给水量的波动从而稳定给水温度成为该废热锅炉液位控制的要点。因此我们选用“以汽定水＋液位前馈”比值控制方案，方案框图如图3所示。
其中系数K为汽水损失率（给水流量与蒸汽流量的比值），范围为1.1～1.2。PID参数为P=300％、I=0.4、D=0。这组PID参数可以使阀位波动幅度不大而回路有较快的跟踪效果。液位前馈系数与锅炉额定负荷密切相关，一般是额定负荷越大前馈系数也越大。本项目废热锅炉的额定负荷为35t/h。前馈系数按附表给定。
投运时首先投运给水流量单回路,调节平稳后,再切换为蒸汽流量比值控制,液位前馈同时起作用。“以汽定水＋液位前馈”比值控制方案调试投运简单方便,投运后经负荷扰动(产汽量变化)、液位扰动(排污量变化)实验，抗扰动性能良好,投运以来运行平稳，达到工艺要求。图4为2.5h实时液位记录曲线,其中记录了负荷扰动情况。液位波动范围＜±3％。
4 变频供水控制系统分析
在锅炉控制系统中，汽包液位的控制是一个重要的环节，它直接影响锅炉的安全和蒸汽品质的好坏，也是汽轮机安全运行的必要条件之一。依据设计要求和硫酸厂余热气体的实际工况，采用三冲量调节系统。即：汽包液位、蒸汽流量和给水流量。其中主信号是水位，水位与给水流量构成一般的反馈系统，蒸汽流量变化时，调节启动，相应地改变给水流量，这样当负荷变化出现“虚假水位”时，由于采用蒸汽流量，就有了与负荷同方向变化的信号，从而减少由于“虚假水位”现象而使给水量与负荷相反方向变化的趋势，而当给水量自发地变化时，调节器能立即动作，使给水流量恢复到原来的数值，使系统稳定运行。总控制思路设计框图如图5所示。
传统的锅炉水位控制系统中，给水泵是连续恒速运行的，并且流量的控制是通过调节水管道中调节阀和回流支路实现的。这两种方法都存在明显的缺陷。采用调节阀调节时，由于阀门的开度的减小，水泵出口在压力会上升阀门两边的压差将增大，进而寿命缩短。采用回流支路调整时，大量的水回流也同样造成能量的消耗。由水泵的工作原理可知流量与转速N成正比，扬程H与转速N的平方成正比，轴功率P与转速N三次方成正比，电机的转速与电源频率F成正比，因此改变电源频率，可改变电动机即给水泵的转速，从而达到调节给水流量的目的。
如图6所示为系统构成示意图，本控制系统主要由伦茨变频器和永宏PLC组成，这里汽包水位是被控变量，给水量与蒸发量是两个辅助的冲量，这三个变量是由电动差压变送器进行检测，然后经过PLC的计算输出4～20mA的电流信号控制变频器以实现给水泵转速的调节。
在设计系统时，首先应确定变频器的输出频率，因为这一参数的选择关系到整过系统的控制效果，应根据水泵流量，扬程等参数和最大用水量和最小用水量确定。变频器通过与外部电路相连的输入输出端子设置。手动和自动两种工作状态，手动工作状态通过调节电位器来给定变频器输出频率,这种工作状态是在单机因某种情况停用时进行操作的,自动工作状态时由单片机的输出信号进行控制。
除此以外为保证锅炉运行的安全,在进行自动化控制系统设计时,对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置,以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置,这是必不可少的,以免锅炉发生重大事故。
5 结束语
本系统在硫酸厂投运以来，系统运行效果良好，控制准确可靠，操作简单，维护方便，达到节能、增效和环保的目的，为企业创造了可观的经济效益和社会效益。经过近2年的运行，用户给予了很高评价。随着自动化技术的快速发展，锅炉控制系统将会更加完善。