摘要：介绍了三冲量控制系统的结构与工作原理，以及其在汽包液位控制中所起的重要作用。并重点阐述了深度挖掘横河CS3000 DCS系统的功能块中的一些功能后，硫磺回收主炉汽包三冲量控制系统的设计与组态上的创新。
关键词：三冲量；DCS；组态。
1.引言
27万吨/年硫磺回收装置是大连石化公司生产新区中的重要组成部分。主炉汽包是其重要的设备，起着回收反应热量的作用。汽包液位是工艺参数中重要的参数之一，汽包液位过高或者过低都是主反应炉停工的触发条件之一，所以控制好主炉汽包液位至关重要。该汽包属于废热回收汽包，所产生的热量也是由工艺负荷所决定，所以也增加了控制该液位的难度。当负荷突然增大,汽包压力突然降低, 水就会急剧汽化,出现大量气泡,形成了“虚假液位”。在大多数的汽包液位控制中采用了三冲量控制,但稳定性是不同的。因为三冲量控制主要由DCS或者PLC完成,不同系统的性能不同,导致了控制性能也有所不同。大连石化公司27万吨/年硫磺回收装置采用了日本横河DCS,其性能可靠、功能强大、组态简单、操作方便。组态设计充分利用了日本横河CENTUM CS3000 DCS系统的功能,最大限度地优化了三冲量控制设计,使得这个硫磺回收主炉汽包三冲量系统的设计组态有别于其他三冲量控制系统。
2.汽包虚假水位产生的原因
决定汽包水位的除了汽包中储水量的多少外,也与水位下汽包容积有关。而水位下汽包容积与反应炉的负荷,蒸汽压力等有关。在影响汽包水位的诸多因素中,以锅炉的蒸发量D和给水量W为主。
汽包水位在给水流量作用下的的动态特性，即控制通道特性，如图1所示。如果把汽包看成单容量无自衡对象,水位阶跃响应曲线如图中的H所示。
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图1
由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，需要从原有饱和水中吸取部分热量，使得水位下汽包容积减少。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位将因汽包中的储水量增加而上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了因储水量增加而直线上升。所以图1中H1线是水位的实际变化曲线。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不马上增加，而呈现一段起始惯性段，水温越低，纯滞后时间越长。
汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性，在蒸汽流量干扰作用下，水位的阶跃响应曲线如图2所示。
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图2
在蒸汽流量D突然增加，当负荷不发生变化的情况下，从物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水流量W，水位变化应如图2中的H1。但实际情况冰非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必然导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图中的H2。则实际变化曲线H为H1与H2的叠加。从图中可以看出，当蒸汽量加大时，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降。反之，则水位先下降，然后上升。这种现象称为虚假液位。
3.传统的三冲量汽包液位控制系统
在面对汽包液位这个控制课题时，传统的单冲量控制系统即气泡液位单回路控制系统显然已经不能满足需要。主要原因有：
1）当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作。
2）对负荷不灵敏。
3）对给水干扰不能及时克服。
针对单冲量控制系统不能克服虚假液位的影响，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就可以纠正虚假液位引起的误动作，也能提前克服负荷的变化，从而大大的改善控制品质。将蒸汽流量信号的引入就构成了双冲量控制系统。双冲量控制系统实际上就是带一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统。
但双冲量控制系统对于给水干扰不能及时克服这个问题，同样不能解决。此外，由于控制阀的工作特性不一定完全线性，做到静态补偿也比较困难。为此，把给水流量信号引入，构成了三冲量控制系统。
传统的三冲量控制系统，实际上是前馈-串级控制系统，起系统结构图见图3。
图3
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工艺系统的PID图见图4。
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图4
4.27万吨/年硫磺回收装置主炉汽包的三冲量控制系统的设计与实现。
传统的汽包三冲量控制系统中有一个前馈控制器，将蒸汽流量引入液位的运算输出中进行计算，将计算的结果给串级的副回路作为给定值。
由于我公司生产新区7套装置都采用了日本横河CS3000的DCS系统，该系统的功能强大，有些功能块有一些特殊功能，可以使组态更加简便，同时也可以得到更好的控制效果，所以在主炉汽包的组态上与别的装置的三冲量会有些许不同，在这个方案中，就没有前馈控制器，而是采取了更加简单快捷的办法。
在介绍主炉汽包三冲量控制系统之前，先了解下组态所需使用的功能块的结构，以及一些平时不使用的功能。
1）PVI（指示功能块）
结构图见图5。
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其中OUT为主输出端口，SUB为辅助输出端口，OUT只能输出PV值，而SUB端口可以输出PV值，以及△PV值(当前采样周期的PV值减去上个采样周期的PV值)。
2) PID(PID控制块)
结构图见图6。
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图6
其中IN为输入端口，OUT为输出端口，BIN为补偿输入端。补偿一共有2种形式，一种形式是输入补偿，一种形式为输出补偿。输入补偿就是把补偿值补偿在测量值上也就是PV=PV+VN。输出补偿就是把补偿值补偿在输出端，MV=MV+VN。
在设计硫磺三冲量控制系统的时候就充分利用了PVI功能块的辅助输出端口与PID功能块的补偿端口，使得设计更简洁，更方便。图7为硫磺主炉三冲量控制系统的组态图。
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图7
图中24-FT4141为1系列主炉汽包蒸汽流量，24-FI4141是这个变送器的现实模块。24-LT4109是一些列主炉汽包液位，24-LC4109是这个三冲量系统串级部分主回路控制器。24-FT4142是一些列主炉汽包的给谁流量，24-FC4142是整个三冲量控制系统的串级部分副回路控制器。该控制思想的核心就是用24-FI4141的辅助输出端口SUB与24-LC4109的补偿输入端VN相结合，从而省去了一个前馈控制器，达到前馈控制的目的。
24-FI4141与24-LC4109的组态细节见图8与图9。
图8
图9
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图8为24-FI4141的组态细目，在OUTPUT项目下，辅助输出选项里，辅助输出数据选择dPV，也就是选择的△PV值。其目的是把蒸汽量在每个采样周期的变化量引入到补偿运算中去。
图9为24-LC4109的组态细目，在计算方法项目下，I/O补偿项目里选择输出补偿。作用是将从24-FI4141里引入的蒸汽量的变化值直接跟主回路所运算出来的所需给水量想加作为副回路的给定值。
这么做补偿运算的作用是当蒸汽量忽然发生变化时能第一时间反映到副控制回路（给水控制回路）的给定值上，使得控制效率更高。而且跟传统意义上直接引蒸汽流量还需要初始偏置值的方法不同，这样的方法更科学，更有效。
5.结束语
汽包三冲量控制方法多种多样，以上的方法经过多年生产验证，液位平稳。非常适合于27万吨/年硫磺回收装置的汽包液位控制，值得拥有同样DCS控制系统的装置推广。
参考文献：
翁维琴.过程控制系统及工程【M】.北京：化学工业出版社，2002.