★ 侯绪东，万广昊（山东国泰大成科技有限公司，山东 泰安 271000）

关键词：蒸汽调压；汽水分离；自动化控制；控制策略；参数优化

工业蒸汽系统作为能源转换与传输的核心环节，其运行状态直接影响生产安全和经济效益。传统手动调节方式存在响应滞后以及精度不足等问题，难以满足现代化生产对蒸汽品质的严格要求。两级减压与汽水分离技术可有效稳定蒸汽参数并提高分离效率，但需有配套完善的自动控制手段才能发挥性能优势。当前相关研究大多聚焦于单一环节的控制算法探讨上，缺少对整体系统工艺特性与控制策略协同设计的系统性论述。因此，开展蒸汽调压与汽水分离自动化控制系统的综合研究，具有重要理论价值和工程应用前景。

1   蒸汽调压与汽水分离工艺原理

1.1   两级减压工作机理

两级减压系统通过串联配置的调压阀实现了蒸汽压力的梯度调节：第一级调压阀将进口高压蒸汽从1.2～1.6MPa降到1.0MPa左右后进入缓冲罐，此过程中蒸汽流速急剧下降导致部分蒸汽凝结成液态水；第二级调压阀接着把压力降到0.4～0.6MPa，以满足终端用汽设备的需求。两级调压的阶梯式降压方式可有效避免单级大幅降压引发的剧烈闪蒸现象。如图1所示，蒸汽通过调压阀时因节流效应产生焓降且温度与压力同步下降，调压阀开度由下游压力信号反馈控制进而实现压力稳定输出[1]。

图1 两级减压系统工作原理示意图

1.2   汽水分离过程

蒸汽在减压过程中所携带的液态水滴，需要通过专门设计的分离装置进行去除。汽水分离罐采用重力沉降和离心分离相结合的方式，实现了高效的汽水分离工作。汽水混合物进入分离罐之后流速会迅速降低，较大直径的水滴依靠自身重力作用沉降到罐体底部，细小雾状水滴在罐内特殊结构引导下产生旋转运动，离心力让水滴向罐壁聚集并沿着壁面下滑汇集[2]。分离罐内部设置的挡板与导流装置延长了汽水混合物停留时间，罐体上部设置的除雾器进一步捕集微小液滴，确保了出口蒸汽干度达标。整个分离过程依靠罐体结构设计与流体动力学特性的有机结合。

1.3   系统工艺参数特性

蒸汽调压与汽水分离系统的运行状态由压力、温度、流量及液位等多个工艺参数共同决定，各参数之间存在着十分复杂的耦合关系。进口蒸汽压力波动会直接影响调压阀的调节动作频率，蒸汽流量变化会引起罐内压力与液位的联动响应[3]。温度参数与压力之间存在着明确的对应关系，饱和蒸汽状态下温度完全由压力大小来决定，温度偏离对应压力的饱和值表明蒸汽处于过热或湿蒸汽状态。液位参数反映了汽水分离效果与疏水系统工作状态，液位过高会减小有效分离空间从而降低蒸汽品质，液位过低则可能造成疏水阀频繁动作影响使用寿命。

2   自动化控制系统设计

2.1   控制系统硬件配置

自动化控制系统硬件架构采用分布式控制的方式，并选用可编程逻辑控制器作为核心控制单元，负责数据采集与控制算法的运算。压力检测采用扩散硅压力变送器， 测量范围覆盖0～2.0MPa， 精度等级为0.5级， 输出4～20mA标准信号便于远传至控制器。液位测量选用磁翻板液位计配浮球液位开关，实现了连续测量与极限位报警的双重保护。执行机构方面，压力调节阀配置气动薄膜执行器，动作速度快且故障时可自动切换至安全位置。疏水电磁阀接收控制器开关信号，实现了液位的自动调节[4]。如图2所示，控制系统通过现场总线将各检测仪表与执行器连接至控制柜，上位机通过以太网与控制器通讯实现参数设置及运行监控。整套系统硬件配置兼顾了控制精度与可靠性要求。

图2 控制系统硬件配置示意图

2.2   压力控制策略

压力控制系统运用串级PID调节算法，主调节器把出口压力当作被控变量，副调节器负责控制调压阀的开度大小，串级结构可快速抑制进口压力扰动进而提高系统抗干扰能力[5]。控制算法的数学表达式如式（1）所示：

式中：u(t)为控制器输出信号， K_p无量纲；K_i为比例增益系数，无量纲； k_i为积分时间常数， s-1 ；k_d为微分时间常数， s；e(t)为压力偏差值， MPa；τ为积分变量， s；为时间变量， s。该控制算法借助比例环节快速响应压力偏差情况，利用积分环节消除稳态误差现象，通过微分环节预测偏差变化趋势走向，三者协同作用实现压力的精确稳定控制效果。在调节过程中，系统依据负荷变化自动调整阀门开度，以此确保出口压力维持在设定范围之内。

2.3   液位自动调节

液位控制系统采用开关控制和连续调节结合的混合控制模式。当液位处在正常范围之内时系统会保持疏水阀关闭状态，当液位上升到高限位时系统会启动疏水阀开始排水，当液位下降到低限位之后系统便关闭疏水阀。连续液位信号用来计算疏水阀的开启持续时间，其控制规律遵循如式（2）所示关系式：

式中：T_open为疏水阀开启时间， s；K为液位调节系数， s/m； H为实际液位高度， m；H_set为液位设定值， m；T_min为最小开启时间， s。该控制策略依据液位偏差量动态调整排水时间，避免了频繁启停给疏水阀造成的磨损情况。液位调节系数通过实际运行数据进行优化确定，并设置最小开启时间防止阀门动作时间过短导致排水不畅问题。整个液位调节过程实现了自动化控制，并保证了汽水分离效果的稳定性。

2.4   安全保护与联锁

安全保护系统设置多层次联锁机制，目的是确保设备在异常工况时能自动切换至安全状态。在压力保护方面， 当罐内压力超过设计压力的1.1倍时就会触发超压报警， 达到1.2倍时会自动开启安全阀泄压并切断进汽阀门。液位保护采用三取二冗余逻辑，只要三只液位开关里任意两只检测到极高液位信号就启动紧急疏水程序，同时发出声光报警来提示操作人员介入处理。温度监测系统对罐体及管道温度进行连续监控，温度异常升高意味着可能存在疏水不畅或调压阀故障，系统会自动记录报警信息以方便故障诊断。联锁逻辑还涵盖调压阀故障时的旁路切换功能，当主调压阀开度异常或者响应迟缓时其会自动开启备用调节通道，在确保蒸汽供应不中断的同时为主阀维修创造条件。所有联锁动作都会记录到历史数据库用于事故分析与系统优化。

3   系统性能分析与优化

3.1   静态与动态特性

系统静态特性反映了稳态运行时的控制精度与调节品质。本研究通过阶跃响应实验测试压力控制系统设定值变化后的响应过程。实验数据显示，压力调节超调量控制在5%以内，调节时间大概为45秒，稳态误差小于±0.02MPa，能满足工艺方面的要求。动态特性测试是把正弦波扰动信号施加于系统输入端，记录输出响应的幅值衰减与相位滞后情况，频率响应曲线表明系统在低频段具备良好跟随特性。液位控制系统动态响应速度比压力系统稍微慢些，通过优化疏水阀开启时间算法已将液位波动幅度控制在±50mm范围。如表1所示，不同负荷工况下系统都能保持稳定的静态精度。

表1 不同负荷工况下系统性能指标

3.2   稳定性分析

针对控制系统的稳定性，本研究采用劳斯判据和根轨迹法进行理论分析。压力控制回路特征方程各项系数都是正值，并且满足劳斯稳定性条件，表明系统在参数变化范围之内能保持稳定运行。根轨迹分析显示，所有闭环极点都处于复平面左半平面，增益裕度大于10dB，相位裕度超过45度，说明系统具备足够的稳定裕度。液位控制系统因为采用开关调节方式，存在固有的极限环振荡现象，但其振荡幅值和频率都在设计允许范围之内。抗干扰能力测试结果表明，该控制算法对高频噪声有着良好的抑制作用，信噪比提升达到25dB以上。

3.3   参数优化方法

控制参数优化是用遗传算法来搜索最优的PID参数组合，把系统响应的超调量、调节时间以及稳态误差加权和当作适应度函数，通过种群迭代进化的方式去寻找全局最优解。优化过程中，设置比例系数区间为0.5～5.0，积分时间常数区间为10～100秒，微分时间常数区间为1～20秒，种群规模设定成50个个体。优化算法收敛之后所得到的参数组合使系统综合性能指标提升了18%，压力超调量从最开始的8%下降到了4.5%。如表2所示， 优化前后各项性能指标对比结果表明， 参数优化效果显著，系统能耗水平降低约6%，稳定运行时间占比从92%提升到了97%。

表2 参数优化前后性能对比

4   结语

蒸汽调压与汽水分离自动化控制系统的设计，需要充分把握工艺原理，并要合理配置控制硬件以及科学制定控制策略。本文通过深入分析两级减压机理与汽水分离过程，明确了系统工艺参数的内在关联规律，为控制方案设计奠定了理论基础。本文所提出的压力控制策略、液位自动调节方法及安全联锁机制形成了完整的控制体系。性能分析验证结果表明，该体系具备良好的静态精度与动态响应能力。参数优化方法进一步提升了系统的抗干扰性能，同时降低了系统的能耗水平。该研究成果可为同类蒸汽系统的自动化改造提供借鉴，并推动工业节能降耗技术取得进步。

作者简介：

侯绪东（1990-），男，山东济南人，助理工程师，学士，现就职于山东国泰大成科技有限公司，研究方向为机械设备加工制造、维修维护。

参考文献：

[1] 阎之骏. 汽水分离再热器波纹板分离片工作原理及应用场景[J]. 电站辅机, 2025, 46 (03) : 22 - 25.

[2] 曾春杰, 王明军, 田文喜, 等. 蒸汽发生器全尺寸汽水分离装置模型开发[J]. 原子能科学技术, 2022, 56 (11) : 2253 - 2261.

[3] 胡诗曲, 顾凯, 孙鑫宇, 等. 蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟[J]. 核动力工程, 2022, 43 (05) : 7 - 11.

[4] 杜云川. 汽水分离器的研究现状与展望[J]. 流程工业, 2022, (04) : 22 - 24.

[5] 范金龙, 陈世意. 转炉余热蒸汽系统在真空精炼系统中的优化设计[J]. 暖通空调, 2021, 51 (S1) : 332 - 334.

摘自《自动化博览》2026年5月刊