摘　要：介绍了纸机蒸汽冷凝水系统汽水分离器液位的测量、控制和联锁。较为详尽地解析了汽水分离器液位的分程控制及其调节阀特性选择,介绍了汽水分离器液位与冷凝水泵的联锁。

关键词：测量；液位控制；分程控制；联锁

中图分类号：TS734`+.8

　　　　文献标识码：A

　　　　文章编号：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

( China BCEL International Engineering Co., Ltd., Beijing, 100026)

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

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

在造纸过程中,纸机蒸汽冷凝水系统及其控制对纸张质量与节能增效至关重要,而汽水分离器的液位测量、控制与联锁则是纸机蒸汽冷凝水系统控制的重要组成部分之一。汽水分离器的液位测量、控制与联锁不仅影响其汽水分离效果而且也会影响纸机蒸汽冷凝水系统的正常操作与运行。

1　汽水分离过程简述及其控制意义

纸张干燥的热能(或称为潜热)来自于蒸汽在纸机烘缸内的冷凝。众所周知,蒸汽总是在饱和温度下冷凝,同理,过热的冷凝水也会闪蒸出蒸汽。一般而言,从纸机烘缸内排出的是蒸汽和冷凝水的混合物。当纸机正常运行时,该混合物中的蒸汽是很少的,但也不排除非正常情况下有大量蒸汽排出的情况。当蒸汽和冷凝水的混合物排至汽水分离器时,由于冷凝水泵的抽吸作用,汽水分离器内的压力较低,此时混合物中的冷凝水因过热会从汽水分离器上部闪蒸分离出蒸汽。另一方面,混合物中原有的蒸汽,也要通过汽水分离器进行分离。即从汽水分离器上部分离出来的蒸汽,既包含冷凝水闪蒸出来的蒸汽，也包含汽水混合物中原有的蒸汽。概言之,从汽水分离器分离出来的蒸汽准确地应称之为湿蒸汽(英文常称之为vapor而不称之为steam,与烘缸前稍过热的新鲜蒸汽以示有区别)。一般情况下,这些湿蒸汽常回用到下一烘缸区或其他低压烘缸区。工程上也常称这些湿蒸汽为二次蒸汽。为利于上述汽水闪蒸与分离过程,汽水分离器的液位测量、控制与联锁显得尤为重要。汽水分离器的液位过高或过低不仅影响汽水分离效果而且不利于烘缸冷凝水的排出,同时必然也会牵连纸机烘缸组压力、差压控制,从而影响整个蒸汽冷凝水系统而导致纸机不能正常操作与运行。所以说,汽水分离器的液位测量、控制与联锁也是纸机蒸汽冷凝水控制系统的一个重要部分,影响纸机干燥部两个最为重要的运行性能指标是蒸发速率和蒸汽耗用量 [1]。

图2　纸机汽水分离器液位控制系统图

2　液位测量

综合国内外有关资料,纸机蒸汽冷凝水系统汽水分离器液位的测量大多采用带远传信号的磁浮子液位计或差压式液位计。磁浮子液位计还可以附带磁翻板就地显示,这种仪表被称为带远传信号磁翻板式液位计。

2.1　磁浮子液位计

磁浮子液位计是通过检测浮子位置的变化来进行液位测量的。其中原理之一是浮子位置的变化转换成4～20mA标准信号输出,然后输入至控制系统。

磁浮子液位计结构简单、价格较低、可靠性高,带磁翻板读数直观,适合于各种储罐或冷凝水罐的液位测量。磁浮子液位计的缺点是：①存在摩擦,从而引入测量误差或容易造成故障；②测量筒内可能由于纸机蒸汽冷凝水系统运行不正常，导致压力有时喘动致使仪表测量值频繁波动,从而对控制产生不良影响；③由于测量筒内可能有异物致使仪表测量筒内浮子卡住而造成一次仪表不能正常运行。

2.2　差压式液位计

密闭容器内液位的测量通常采用差压式液位计。由于测量差压的仪表通用性强、结构简单、安装方便、可靠性高,因而差压式液位计广泛用于制浆造纸领域和其他化工领域。

密闭容器内差压式液位计测量原理如图1所示。

图1中是受压容器液位测量,其变送器必须进行100%负迁移整定。计算公式为：

Δ P= H· ρ 1　(kPa)

C= H0·ρ1-h·ρ 2　(kPa)

因此，得出仪表整定范围为：

C～ C+Δ P　(kPa)

式中，Δ P为高度 H的液柱产生的差压,即量程； H为测量液柱高度； h为冷凝或隔离液柱高度； H 0为仪表安装线与测量基准线间距,即零点迁移值；(当基准线在安装线之上时 H 0为正,反之为负)； ρ 1为被测介质密度； ρ 2为冷凝或隔离介质密度； C为迁移量。

当 H、 H0、h单位为mm, ρ1、ρ 2单位为kg/m 3时,计算出 C值单位为Pa。工程上常用kPa,故计算出的 C值常要转换成kPa。图1中 a为密闭容器底部到仪表安装线的距离。

图1　差压式液位计测量原理图

3　液位分程控制

一般来说,一台控制器的输出仅操纵一个阀门。若一台控制器操纵几个阀门,并且是按输出信号的不同区间操纵不同的阀门,这种控制方式被称之为分程控制(split range control) [2]。按照文献[2]的分类,分程控制系统属于复杂控制系统中的特殊控制系统。

理论上,分程控制方案主要是解决调节器与阀门定位器以及调节阀的配合问题。一个分程控制方案的设计过程,首先要从工艺生产安全的角度出发确定调节阀的气开、气关形式,然后根据控制逻辑和调节器的正反作用确定各调节阀工作区段和相应开度的曲线,最后结合调节阀为气开、气关来确定各个调节阀阀门定位器的正反作用、零位和量程 [3]。

图2所示为纸机汽水分离器液位控制系统图。图3所示为纸机汽水分离器分程控制系统中调节阀开度与调节器输出之间的关系。结合图2和图3来简要说明纸机汽水分离器液位分程控制原理。

图4　汽水分离器液位自动联锁方框图(2台泵)

图5　汽水分离器液位自动联锁方框图(1台泵)

从图2可以看到,纸机汽水分离器液位控制回路LC设置两个调节阀LV1和LV2,其中LV1为送液阀,LV2为回流阀。从图3可以看到，纸机汽水分离器分程控制系统中调节阀开度与调节器输出之间的关系。根据工艺控制要求和汽水分离器液位波动特性,结合图3对液位控制过程进行解析：当液位高于设定点时,阀门LV2关闭,阀门LV1打开,直至液位达到设定点为止；当液位低于设定点时,此时,LV2打开有回流,LV1开度较小,保持较少的送液量。当LC控制器输出0～50%时,阀门LV2开度由100%~0朝关向动作；当LC控制器输出50%～100%时,强行使阀门LV2处于关闭状态。当LC控制器输出0~100%时,阀门LV1开度由0~100%朝开向动作。

依据上述液位控制过程的解析,就可以方便确定调节阀的气开、气关形式,调节器的正反作用以及定位器的的技术参数(蒸汽冷凝水系统调节阀选择参见文献[4])。在此应指出,由于现在大多采用智能型电气阀门定位器,LV1和LV2的定位器的正反作用、零位和量程调整极为方便,故此无需加以讨论(对于非智能型定位器可参考文献[3]第二篇第三章第四节分程控制系统)。事实上,为方便电气阀门定位器的现场调校,现在大多采用在控制系统内分程而不在定位器上设置分程,因而LV1、 LV2输入仍然为4～20mA 信号 [4]。

4　液位自动联锁

图4所示是汽水分离器液位自动联锁方框图(2台泵)。从图4可以看到,当汽水分离器液位处于中间位置(通常设定点是测量范围的50%)时,此时冷凝水泵P1处于正常运转及操作状态。如果液位下降至20%,冷凝水泵P1停止运行。如果液位继续下降至10%,此时要触发液位低报警。当液位上升至45%时,冷凝水泵P1启动运行。如果液位继续上升至80%时,冷凝水泵P2要启动。如果液位继续上升至95%时,此时要触发液位高报警。当两台冷凝水泵运行后,如果液位下降低于60%时,则要停止冷凝水泵P2运行。

图3　纸机汽水分离器分程控制系统中
调节阀开度与调节器输出之间的关系

工程设计项目中常遇到只有1台冷凝水泵的情况,其自动联锁方式可参考图5所示的汽水分离器液位自动联锁方框图(1台泵)。

根据图4和图5液位联锁方框图给出的运行数据,操作人员可以根据需要进行适当的调整。

5　结　语

从自动控制角度,上述汽水分离器液位的分程控制和液位联锁可以说是典型应用之一,其技术原理和控制操作基本适合大多数纸机蒸汽冷凝水系统的使用情况。上述控制方案在多台现代大型高速新闻纸机上已长期稳定运行并得到成功应用的验证。

在此应该指出,由于用户所要生产的纸种不同,纸机装备、车速、幅宽等也会不同,蒸汽冷凝水系统的设备配置也会有所不同,但是,参考上述汽水分离器液位的分程控制和液位联锁的设计方法,结合自己纸机工程项目的特点,改进纸机汽水分离器液位的控制方法和液位联锁,保证纸机蒸汽冷凝水系统安全可靠地运行,对纸机的安全操作及节能运行有着极其重要的意义。