CN209131425U - 水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统 - Google Patents

水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统 Download PDF

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张军廷
汪安逸
吴秋灵
曹利兵
韩桂利
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Abstract

本实用新型提供了一种水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，包括安装于水泥窑窑头的AQC汽包和安装于窑尾的SP汽包，还包括：给水泵，分别通过给水管道连接所述AQC汽包和SP汽包；阀门，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的给水管道上；液位计，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包内；流量计，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的产生蒸汽的管道上；DCS系统，接收并处理所述液位计和流量计输出的电信号，输出至上位机，接收上位机发送的指令，控制给水频率和阀门的开度。本实用新型满足水泥窑余热发电系统对余热回收效率和系统工作稳定性的要求。

Description

水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统
技术领域
本实用新型涉及自动控制领域，特别涉及一种水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统。
背景技术
我国是世界水泥生产和消费的大国，近年来新型干法水泥生产发展迅速，技术、设备、管理等方面日渐成熟。新型干法水泥熟料生产企业中由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350℃左右废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的35％，低温余热发电技术的应用，可将排放到大气中占熟料烧成系统热耗35％的废气余热进行回收，使水泥企业能源利用率提高到95％以上，项目的经济效益十分可观。随着世界经济快速发展、新型节能技术的推广应用，充分利用有限的资源和发展水泥窑余热发电项目已经成为水泥业发展的一种趋势，也完全符合国家产业政策。
在水泥生产企业中，水泥窑余热发电系统是一种比较成熟的工艺，水泥窑余热锅炉中的汽包液位既是表征锅炉生产过程的主要工艺指标，也是保证其安全运行的主要条件，现有技术中对于汽包液位的控制通常采用人工方式进行手动控制或者根据液位进行自动控制，手动控制的方式通常会由于操作人员的疏忽或者反应不及时，出现操作滞后的问题。而普通的自动控制方式为了防止汽包内的水进入汽轮机，常常会将汽包液位控制的比较低，这样不利于提高蒸汽的蒸发量，控制效果往往也不太理想。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，能够支持汽包液位的控制，并稳定在最佳水平，提高水泥窑余热发电系统中汽包的蒸汽蒸发量，从而满足水泥窑余热发电系统对余热回收效率和系统工作稳定性的要求。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，包括安装于水泥窑窑头的AQC汽包和安装于窑尾的SP汽包，包括硬件部分和电路控制部分；
所述硬件部分包括：
给水泵，分别通过给水管道连接所述AQC汽包和SP汽包，用于为两汽包提供纯净水；
阀门，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的给水管道上，用于调节给水量；
液位计，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包内，用于测量两汽包内的液位并转换为电信号；
流量计，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的产生蒸汽的管道上，用于测量两汽包内产生蒸汽的流量并转换为电信号；
所述电路控制部分包括：
DCS系统，用于接收并处理所述液位计和流量计输出的电信号，输出至上位机，接收上位机发送的指令，转换为电信号输出至所述给水泵和阀门，控制给水频率和阀门的开度。
由上，该控制系统通过液位计对AQC汽包和SP汽包的液位进行测量，通过流量计的采集两汽包内产生蒸汽的流量，结合汽包内的液位和蒸汽流量，计算出给水泵的最佳给水频率和阀门的开度大小，从而实现对汽包液位的控制，并稳定在最佳工作状态，满足水泥窑余热发电系统对余热回收效率和系统工作稳定性的要求。
其中，所述DCS系统包括信号输入模块，用于接收所述液位计和流量计的电信号。
由上，信号输入模块用于采集模拟量输入信号输出至DCS系统内的处理器，一般接收4-20mA的电流信号。
其中，所述DCS系统包括信号输出模块，用于发送电信号至所述给水泵和阀门。
由上，信号输出模块用于接收DCS系统内处理器的命令，转换为模拟量信号进行输出，一般输出4-20mA的电流信号。
进一步改进，所述硬件部分还包括分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的产生蒸汽的管道上的安全阀门。
由上，在产生蒸汽的管道上安装安全阀门，可在系统出现故障时紧急关闭，保证余热发电系统的安全。
其中，所述液位计采用双室平衡容器，包括，
内层容室，连接汽包的下端；
外层容室，连接汽包的上端；
转换器，通过正压管连接所述内层容室，通过负压管连接所述外层容室，并将所述正压管与负压管的压差转为电信号。
由上，双室平衡容器的外层容室与汽包的蒸汽相连，外层容室内充满了冷凝水；当外层容室的水面低于平衡容器上侧导压管时，靠汽包蒸汽的冷凝水补充，当水面高于平衡容器上侧导压管时，水经上侧导压管流入锅炉汽包，使外层容室的水位高度始终保持不变。内层容室经平衡容器下侧导压管与锅炉汽包的水相连，其水位高度随汽包的水位变化而变化。由于平衡容器外层容室与转换器的负压管连接，内层容室与转换器正压管连接，通过将正、负压管产生的差压转换为电流信号送至DCS系统。
其中，所述上位机安装于余热发电中控室内，包括一PID控制器，通过OPC的通讯方式与DCS系统进行通信。
由上，上位机内的PID控制器通过将DCS系统收集到的数据与参考值进行比较，从而可计算得到新的输入值，以使系统的数据达到或保持在参考值范围内，PID控制器可根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。
进一步改进，所述AQC汽包和SP汽包的给水管道上分别安装有沿水流方向开启的单向阀。
由上，可实现给水管道中的水流方向单一性，避免汽包内的水回流。
附图说明
图1为本实用新型水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统的结构示意图；
图2为本实用新型水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统的模块原理图；
图3为本实用新型双室平衡容器的结构示意图；
图4为本实用新型流量计的结构示意图；
图5为本实用新型手自动模式切换的原理图
具体实施方式
水泥窑余热发电锅炉利用水泥回转窑的窑头AQC(Air Quenching Cooler，篦式冷却机)汽包和窑尾SP(Suspension Preheater，悬浮预热器)汽包的废热作为原料，使余热发电锅炉产生低压蒸汽，蒸汽进入汽轮机驱动发电机发电。这样窑头和窑尾的废热得到了有效利用，一来可以降低工厂用电，使制造水泥的本钱下降，二来减少了CO2等气体的排放，环境污染得到了有效的改善。
下面参照附图所示，对本实用新型所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统的工作原理进行详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的一较佳实施例中，水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统的硬件部分包括安装于水泥窑窑头的AQC汽包100和安装于窑尾的SP汽包200；
所述AQC汽包100和SP汽包200内分别安装有液位计，用于测量两汽包内的液位，其产生蒸汽的管道上还分别安装有流量计，用于测量两汽包内产生蒸汽的流量；
给水泵300，分别通过给水管道连接所述AQC汽包100和SP汽包200，用于为两汽包提供纯净水；
所述AQC汽包100和SP汽包200的给水管道上分别安装有沿水流方向开启的单向阀，保证给水管道中的水流方向单一性，避免汽包内的水回流；
阀门401、402，可选用电磁阀，分别安装于所述AQC汽包100和SP汽包200的给水管道上，用于调节给水量；
安全阀门，分别安装于所述AQC汽包100和SP汽包200的产生蒸汽的管道上，可在系统出现故障时紧急关闭，保证余热发电系统的安全。
如图2所示，该水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统还包括电路控制部分，通过电路控制上述各硬件，实现汽包液位的控制，具体包括：
液位计500，分别安装于所述AQC汽包100和SP汽包200内，用于测量两汽包内的液位并转换为电信号；
如图3所示，本实施例中液位计500采用采用双室平衡容器，包括：内层容室501，连接汽包的下端；外层容室502，连接汽包的上端；转换器505，通过正压管503连接所述内层容室501，通过负压管504连接所述外层容室502，并将所述正压管503与负压管504的压差转为电信号；
在进行测量工作时，双室平衡容器的外层容室502与汽包的蒸汽相连，外层容室502内充满了冷凝水；当外层容室502的水面低于平衡容器上侧导压管时，靠汽包蒸汽的冷凝水补充，当水面高于平衡容器上侧导压管时，水经上侧导压管流入锅炉汽包，使外层容室502的水位高度始终保持不变；内层容室501经平衡容器下侧导压管与锅炉汽包的水相连，其水位高度随汽包的水位变化而变化。由于平衡容器外层容室502与转换器505的负压管504连接，内层容室501与转换器505的正压管503连接，通过将正、负压管产生的差压转换为电流信号送至DCS系统700；
流量计600，分别安装于所述AQC汽包100和SP汽包200的产生蒸汽的管道上，用于测量两汽包内产生蒸汽的流量并转换为电信号；
如图4所示，本实施例中，流量计600选用差压式流量计，通过嵌套的方式安装于产生蒸汽的管道上，其嵌套接口上下两端分别连接两条传感器导线601、602，通过采集蒸汽流经嵌套接口时产生的压力差，并由转换器603转换为电信号送至DCS系统700；
所述DCS系统700通过信号输入模块701接收所述液位计500和流量计600输出的电信号，经过处理后输出至上位机800；
所述上位机800通过OPC的通讯方式与DCS系统700进行通信，用于直观显示DCS系统700采集到的各种数据，其内设有PID控制器(比例-积分-微分控制器)，通过将DCS系统700收集到的数据与参考值进行比较，从而可计算得到新的输入值，工作人员将新的输入值输入上位机800，生成控制指令发送至DCS系统700，经由信号输出模块702进行信号转换，输出模拟量信号至给水泵300和阀门400，控制给水频率和调解阀门的开度，使系统稳定在最佳工作状态。
上述水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统在自动模式下工作时，其工作步骤如下：
S100：通过上位机800的数据采集软件采集汽包的液位、汽包给水流量、汽包蒸汽蒸发量等DCS系统中的数据，保存至数据库；
S200：根据采集的数据计算前五分钟的液位均值与已划分的区间进行对比出所属区间；
本步骤中，为了监控及操作的方便，通常会在操作界面设定窑头AQC汽包和窑尾SP汽包的液位区间端点：液位高高限PV_HH、液位高限PV_H、液位低限PV_L、液位低低限PV_LL，根据数学区间进行划分出五个区间，分别为：大于等于高高限，大于高限且小于高高限、大于等于低限且小于高限、大于低低限且小于等于低限、小于等于低低限，并分别设置五个区间的PID参数：KP(比例)、KI(积分)、KD(微分)；
S300：计算蒸汽流量差值；
根据采集的数据计算前五天和前五分钟内蒸汽流量与进入汽包内的水流量的差值；
S400：计算阀门开度；
将前五天和前五分钟内蒸汽流量与进入汽包内的水流量的差值导入PID控制器，分别计算出窑头给水阀门和窑尾给水阀门的开度大小；
S500：计算给水泵的频率；
给水泵频率控制是以窑头AQC汽包100液位、窑头给水阀门401开度、窑尾SP汽包200液位和窑尾给水阀门402的开度为依据进行控制的，整合为以下公式：
PV＝(Lt_AQC-Sp_AQC)*K_LT_AQC+(Sp_V_AQC-V_AQC)*K_V_AQC+(Lt_Sp-SP_SP)*K_LT_SP+(Sp_V_SP-V_SP)*K_V_SP；
其中，上述公式内的符合分别代表：
PV：给水泵频率的目标参数；
Lt_AQC：窑头AQC汽包液位，即液位计测量的值；
Sp_AQC：窑头AQC汽包液位设定值；
K_LT_AQC：窑头液位系数；
Sp_V_AQC：窑头AQC汽包给水阀门开度理想值；
V_AQC：当前窑头AQC汽包给水阀门开度；
K_V_AQC：窑头给水阀门的开度系数；
Lt_SP：窑尾SP汽包液位；
Sp_SP：窑尾SP汽包液位设定值；
K_LT_SP：窑尾液位系数；
Sp_V_SP：窑尾SP汽包给水阀门开度理想值；
V_SP：当前窑尾SP汽包给水阀门开度；
K_V_P：窑尾给水阀门开度系数。
通过上述公式可得到给水泵频率的目标参数PV，将目标参数PV输入至PID控制器内，即可该目标参数对应的给水泵频率的大小。
本实施例中，当目标参数PV保持在0的水平时，代表窑头AQC汽包内的液位与窑尾SP汽包内的液位处于同一水平，且都处于最佳工作区间，此时将给水泵频率大小控制在其相应值上，即可实现汽包液位的自动控制，并稳定在最佳水平。
如图5所示，本系统除支持自动调节模式，还支持手动调节模式，在自动工作模式下，bool类型的变量为1，此时输入变量选择器选择的是自动输入的设定值V1；当将bool类型的变量修改为0时，该系统切换为手动调节模式，此时输入变量选择器选择的是手动输入的设定值V2，即该控制系统按照手动输入的参数进行给水泵频率大小的调节，手动模式可在系统发生错误时，及时应对，保证余热发电系统的安全。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，包括安装于水泥窑窑头的AQC汽包和安装于窑尾的SP汽包，其特征在于，包括硬件部分和电路控制部分；
所述硬件部分包括：
给水泵，分别通过给水管道连接所述AQC汽包和SP汽包，用于为两汽包提供纯净水；
阀门，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的给水管道上，用于调节给水量；
液位计，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包内，用于测量两汽包内的液位并转换为电信号；
流量计，分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的产生蒸汽的管道上，用于测量两汽包内产生蒸汽的流量并转换为电信号；
所述电路控制部分包括：
DCS系统，用于接收并处理所述液位计和流量计输出的电信号，输出至上位机，及将接收的上位机的指令转换为电信号输出至所述给水泵和阀门，控制给水频率和阀门的开度。
2.根据权利要求1所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述DCS系统包括信号输入模块，用于接收所述液位计和流量计的电信号。
3.根据权利要求2所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述DCS系统包括信号输出模块，用于发送电信号至所述给水泵和阀门。
4.根据权利要求1所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述硬件部分还包括分别安装于所述AQC汽包和SP汽包的产生蒸汽的管道上的安全阀门。
5.根据权利要求1所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述液位计采用双室平衡容器，包括，
内层容室，连接汽包的下端，其液位高度与汽包内的液位高度相同；
外层容室，连接汽包的上端；
转换器，通过正压管连接所述内层容室，通过负压管连接所述外层容室，并将所述正压管与负压管的压差转为电信号。
6.根据权利要求1所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述上位机安装于余热发电中控室内，包括一PID控制器，通过OPC的通讯方式与DCS系统进行通信。
7.根据权利要求1所述的水泥窑余热锅炉汽包液位控制系统，其特征在于，所述AQC汽包和SP汽包的给水管道上分别安装有沿水流方向开启的单向阀。
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CN111023079A (zh) * 2019-12-25 2020-04-17 浙江中智达科技有限公司 一种mah生产控制方法及装置
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