·紙機(jī)汽水分離器·

紙機(jī)汽水分離器液位的測(cè)量、控制與聯(lián)鎖

鐘益聯(lián)

(中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司,北京,100026)

摘要：介紹了紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)汽水分離器液位的測(cè)量、控制和聯(lián)鎖。較為詳盡地解析了汽水分離器液位的分程控制及其調(diào)節(jié)閥特性選擇,介紹了汽水分離器液位與冷凝水泵的聯(lián)鎖。

關(guān)鍵詞：測(cè)量；液位控制；分程控制；聯(lián)鎖

作者簡(jiǎn)介：鐘益聯(lián)先生，教授級(jí)高級(jí)工程師；主要從事制漿造紙及堿回收、自備熱電站、廢水處理工程的過(guò)程控制及儀表的咨詢(xún)、設(shè)計(jì)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TS734`+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0254- 508X(2015)06- 0064- 04

收稿日期：2015- 02- 06(修改稿)

Abstract：The measurement, control and interlock of steam separator liquid level of paper machine steam and condensate system were introduced in this article. The separator level’s split control and selection of control valve characteristic, the interlocking between separator level and condensate pump were detailed introduced.

Measurement, Control and Interlock for Paper Machine Steam Separator Liquid Level

ZHONG Yi-lian

(ChinaBCELInternationalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing, 100026)

(*E-mail: zhongyl@bcel-cn.com)

Key words：measuring； level control； split control； interlocking

在造紙過(guò)程中,紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)及其控制對(duì)紙張質(zhì)量與節(jié)能增效至關(guān)重要,而汽水分離器的液位測(cè)量、控制與聯(lián)鎖則是紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)控制的重要組成部分之一。汽水分離器的液位測(cè)量、控制與聯(lián)鎖不僅影響其汽水分離效果而且也會(huì)影響紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)的正常操作與運(yùn)行。

1汽水分離過(guò)程簡(jiǎn)述及其控制意義

紙張干燥的熱能(或稱(chēng)為潛熱)來(lái)自于蒸汽在紙機(jī)烘缸內(nèi)的冷凝。眾所周知,蒸汽總是在飽和溫度下冷凝,同理,過(guò)熱的冷凝水也會(huì)閃蒸出蒸汽。一般而言,從紙機(jī)烘缸內(nèi)排出的是蒸汽和冷凝水的混合物。當(dāng)紙機(jī)正常運(yùn)行時(shí),該混合物中的蒸汽是很少的,但也不排除非正常情況下有大量蒸汽排出的情況。當(dāng)蒸汽和冷凝水的混合物排至汽水分離器時(shí),由于冷凝水泵的抽吸作用,汽水分離器內(nèi)的壓力較低,此時(shí)混合物中的冷凝水因過(guò)熱會(huì)從汽水分離器上部閃蒸分離出蒸汽。另一方面,混合物中原有的蒸汽,也要通過(guò)汽水分離器進(jìn)行分離。即從汽水分離器上部分離出來(lái)的蒸汽,既包含冷凝水閃蒸出來(lái)的蒸汽，也包含汽水混合物中原有的蒸汽。概言之,從汽水分離器分離出來(lái)的蒸汽準(zhǔn)確地應(yīng)稱(chēng)之為濕蒸汽(英文常稱(chēng)之為vapor而不稱(chēng)之為steam,與烘缸前稍過(guò)熱的新鮮蒸汽以示有區(qū)別)。一般情況下,這些濕蒸汽?；赜玫较乱缓娓讌^(qū)或其他低壓烘缸區(qū)。工程上也常稱(chēng)這些濕蒸汽為二次蒸汽。為利于上述汽水閃蒸與分離過(guò)程,汽水分離器的液位測(cè)量、控制與聯(lián)鎖顯得尤為重要。汽水分離器的液位過(guò)高或過(guò)低不僅影響汽水分離效果而且不利于烘缸冷凝水的排出,同時(shí)必然也會(huì)牽連紙機(jī)烘缸組壓力、差壓控制,從而影響整個(gè)蒸汽冷凝水系統(tǒng)而導(dǎo)致紙機(jī)不能正常操作與運(yùn)行。所以說(shuō),汽水分離器的液位測(cè)量、控制與聯(lián)鎖也是紙機(jī)蒸汽冷凝水控制系統(tǒng)的一個(gè)重要部分,影響紙機(jī)干燥部?jī)蓚€(gè)最為重要的運(yùn)行性能指標(biāo)是蒸發(fā)速率和蒸汽耗用量[1]。

圖2　紙機(jī)汽水分離器液位控制系統(tǒng)圖

2液位測(cè)量

2.1磁浮子液位計(jì)

磁浮子液位計(jì)是通過(guò)檢測(cè)浮子位置的變化來(lái)進(jìn)行液位測(cè)量的。其中原理之一是浮子位置的變化轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出,然后輸入至控制系統(tǒng)。

磁浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、可靠性高,帶磁翻板讀數(shù)直觀,適合于各種儲(chǔ)罐或冷凝水罐的液位測(cè)量。磁浮子液位計(jì)的缺點(diǎn)是：①存在摩擦,從而引入測(cè)量誤差或容易造成故障；②測(cè)量筒內(nèi)可能由于紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)運(yùn)行不正常，導(dǎo)致壓力有時(shí)喘動(dòng)致使儀表測(cè)量值頻繁波動(dòng),從而對(duì)控制產(chǎn)生不良影響；③由于測(cè)量筒內(nèi)可能有異物致使儀表測(cè)量筒內(nèi)浮子卡住而造成一次儀表不能正常運(yùn)行。

2.2差壓式液位計(jì)

密閉容器內(nèi)液位的測(cè)量通常采用差壓式液位計(jì)。由于測(cè)量差壓的儀表通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、可靠性高,因而差壓式液位計(jì)廣泛用于制漿造紙領(lǐng)域和其他化工領(lǐng)域。

密閉容器內(nèi)差壓式液位計(jì)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1中是受壓容器液位測(cè)量,其變送器必須進(jìn)行100%負(fù)遷移整定。計(jì)算公式為：

ΔP=H·ρ1(kPa)

采空區(qū)充填后形成含水介質(zhì)為中粗砂的含水層，圍巖具有隔水作用。地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，滲入地下部分沿基巖構(gòu)造裂隙發(fā)育方向，匯集到中粗砂中，其排泄方式主要為人工開(kāi)采。經(jīng)估算，采空區(qū)蓄置的含水層，調(diào)節(jié)資源量約為1.3萬(wàn)m3，單井涌水量大于1000m3/d，成為花崗巖基巖裂隙水貧水區(qū)中的富水地段。

C=H0·ρ1-h·ρ2(kPa)

因此，得出儀表整定范圍為：

C～C+ΔP(kPa)

式中，ΔP為高度H的液柱產(chǎn)生的差壓,即量程；H為測(cè)量液柱高度；h為冷凝或隔離液柱高度；H0為儀表安裝線與測(cè)量基準(zhǔn)線間距,即零點(diǎn)遷移值；(當(dāng)基準(zhǔn)線在安裝線之上時(shí)H0為正,反之為負(fù))；ρ1為被測(cè)介質(zhì)密度；ρ2為冷凝或隔離介質(zhì)密度；C為遷移量。

當(dāng)H、H0、h單位為mm,ρ1、ρ2單位為kg/m3時(shí),計(jì)算出C值單位為Pa。工程上常用kPa,故計(jì)算出的C值常要轉(zhuǎn)換成kPa。圖1中a為密閉容器底部到儀表安裝線的距離。

圖1　差壓式液位計(jì)測(cè)量原理圖

3液位分程控制

一般來(lái)說(shuō),一臺(tái)控制器的輸出僅操縱一個(gè)閥門(mén)。若一臺(tái)控制器操縱幾個(gè)閥門(mén),并且是按輸出信號(hào)的不同區(qū)間操縱不同的閥門(mén),這種控制方式被稱(chēng)之為分程控制(split range control)[2]。按照文獻(xiàn)[2]的分類(lèi),分程控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜控制系統(tǒng)中的特殊控制系統(tǒng)。

理論上,分程控制方案主要是解決調(diào)節(jié)器與閥門(mén)定位器以及調(diào)節(jié)閥的配合問(wèn)題。一個(gè)分程控制方案的設(shè)計(jì)過(guò)程,首先要從工藝生產(chǎn)安全的角度出發(fā)確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式,然后根據(jù)控制邏輯和調(diào)節(jié)器的正反作用確定各調(diào)節(jié)閥工作區(qū)段和相應(yīng)開(kāi)度的曲線,最后結(jié)合調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)、氣關(guān)來(lái)確定各個(gè)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)定位器的正反作用、零位和量程[3]。

圖2所示為紙機(jī)汽水分離器液位控制系統(tǒng)圖。圖3所示為紙機(jī)汽水分離器分程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與調(diào)節(jié)器輸出之間的關(guān)系。結(jié)合圖2和圖3來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明紙機(jī)汽水分離器液位分程控制原理。

圖4　汽水分離器液位自動(dòng)聯(lián)鎖方框圖(2臺(tái)泵)

圖5　汽水分離器液位自動(dòng)聯(lián)鎖方框圖(1臺(tái)泵)

從圖2可以看到,紙機(jī)汽水分離器液位控制回路LC設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)閥LV1和LV2,其中LV1為送液閥,LV2為回流閥。從圖3可以看到，紙機(jī)汽水分離器分程控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與調(diào)節(jié)器輸出之間的關(guān)系。根據(jù)工藝控制要求和汽水分離器液位波動(dòng)特性,結(jié)合圖3對(duì)液位控制過(guò)程進(jìn)行解析：當(dāng)液位高于設(shè)定點(diǎn)時(shí),閥門(mén)LV2關(guān)閉,閥門(mén)LV1打開(kāi),直至液位達(dá)到設(shè)定點(diǎn)為止；當(dāng)液位低于設(shè)定點(diǎn)時(shí),此時(shí),LV2打開(kāi)有回流,LV1開(kāi)度較小,保持較少的送液量。當(dāng)LC控制器輸出0～50%時(shí),閥門(mén)LV2開(kāi)度由100%~0朝關(guān)向動(dòng)作；當(dāng)LC控制器輸出50%～100%時(shí),強(qiáng)行使閥門(mén)LV2處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)LC控制器輸出0~100%時(shí),閥門(mén)LV1開(kāi)度由0~100%朝開(kāi)向動(dòng)作。

依據(jù)上述液位控制過(guò)程的解析,就可以方便確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式,調(diào)節(jié)器的正反作用以及定位器的的技術(shù)參數(shù)(蒸汽冷凝水系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選擇參見(jiàn)文獻(xiàn)[4])。在此應(yīng)指出,由于現(xiàn)在大多采用智能型電氣閥門(mén)定位器,LV1和LV2的定位器的正反作用、零位和量程調(diào)整極為方便,故此無(wú)需加以討論(對(duì)于非智能型定位器可參考文獻(xiàn)[3]第二篇第三章第四節(jié)分程控制系統(tǒng))。事實(shí)上,為方便電氣閥門(mén)定位器的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校,現(xiàn)在大多采用在控制系統(tǒng)內(nèi)分程而不在定位器上設(shè)置分程,因而LV1、 LV2輸入仍然為4～20mA 信號(hào)[4]。

4液位自動(dòng)聯(lián)鎖

圖4所示是汽水分離器液位自動(dòng)聯(lián)鎖方框圖(2臺(tái)泵)。從圖4可以看到,當(dāng)汽水分離器液位處于中間位置(通常設(shè)定點(diǎn)是測(cè)量范圍的50%)時(shí),此時(shí)冷凝水泵P1處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)及操作狀態(tài)。如果液位下降至20%,冷凝水泵P1停止運(yùn)行。如果液位繼續(xù)下降至10%,此時(shí)要觸發(fā)液位低報(bào)警。當(dāng)液位上升至45%時(shí),冷凝水泵P1啟動(dòng)運(yùn)行。如果液位繼續(xù)上升至80%時(shí),冷凝水泵P2要啟動(dòng)。如果液位繼續(xù)上升至95%時(shí),此時(shí)要觸發(fā)液位高報(bào)警。當(dāng)兩臺(tái)冷凝水泵運(yùn)行后,如果液位下降低于60%時(shí),則要停止冷凝水泵P2運(yùn)行。

圖3　紙機(jī)汽水分離器分程控制系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與調(diào)節(jié)器輸出之間的關(guān)系

工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中常遇到只有1臺(tái)冷凝水泵的情況,其自動(dòng)聯(lián)鎖方式可參考圖5所示的汽水分離器液位自動(dòng)聯(lián)鎖方框圖(1臺(tái)泵)。

根據(jù)圖4和圖5液位聯(lián)鎖方框圖給出的運(yùn)行數(shù)據(jù),操作人員可以根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5結(jié)語(yǔ)

從自動(dòng)控制角度,上述汽水分離器液位的分程控制和液位聯(lián)鎖可以說(shuō)是典型應(yīng)用之一,其技術(shù)原理和控制操作基本適合大多數(shù)紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)的使用情況。上述控制方案在多臺(tái)現(xiàn)代大型高速新聞紙機(jī)上已長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并得到成功應(yīng)用的驗(yàn)證。

在此應(yīng)該指出,由于用戶(hù)所要生產(chǎn)的紙種不同,紙機(jī)裝備、車(chē)速、幅寬等也會(huì)不同,蒸汽冷凝水系統(tǒng)的設(shè)備配置也會(huì)有所不同,但是,參考上述汽水分離器液位的分程控制和液位聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)方法,結(jié)合自己紙機(jī)工程項(xiàng)目的特點(diǎn),改進(jìn)紙機(jī)汽水分離器液位的控制方法和液位聯(lián)鎖,保證紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行,對(duì)紙機(jī)的安全操作及節(jié)能運(yùn)行有著極其重要的意義。

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(責(zé)任編輯：馬忻)