秦雅君

(中國天辰化學工程有限公司，天津 300400)

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化工裝置鍋爐汽包液位儀表選型與計算

秦雅君

(中國天辰化學工程有限公司，天津 300400)

摘要：化工裝置中廢熱鍋爐的主要作用為利用反應產(chǎn)生的熱量產(chǎn)生水蒸氣，起到節(jié)約能源的效果。主要介紹了汽包液位儀表的選型以及液位補償?shù)扔嬎惴椒?，針對汽包液位的控制提出了一些參考。在托普索工藝包中建議采用普通導壓管連接的差壓液位變送器，計算時通過密度補償減少測量值誤差，但考慮到伴熱及可能出現(xiàn)的液位波動等問題，在某項目設計中創(chuàng)新使用連通器與雙法蘭組合測量汽包液位，同時結合密度補償公式進行計算，既減少了伴熱工作量，又可以通過連通器穩(wěn)定液位。該項目已投入運行，使用效果良好。

關鍵詞：汽包液位差壓測量雙室平衡容器密度補償連通器

1生產(chǎn)背景

在化工生產(chǎn)中有許多產(chǎn)能反應，如加氫反應會有大量的熱量產(chǎn)生，如何有效利用這些熱量，節(jié)約能源并產(chǎn)生經(jīng)濟效益[1]，是化工領域的一個重要課題。廢熱鍋爐就是利用這些熱量并根據(jù)不同的熱量等級產(chǎn)生不同壓力等級的蒸汽，以供公用工程或后續(xù)工段使用的典型設備[2-3]。由此，汽包水位的高低直接影響鍋爐的運行是否安全： 水位過高，會使蒸汽量增加，嚴重時出現(xiàn)滿水、過水事故；如果水位過低，會導致鍋爐缺水事故，需緊急停爐，若處理不當，在嚴重缺水時大量進水，就會出現(xiàn)汽鍋爆炸事故。因此，汽包水位測量在保證安全生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，鍋爐汽包流程如圖1所示。

圖1　鍋爐汽包流程簡要示意注： A2，A3——鍋爐進水口；B2，B3——鍋爐蒸汽出口；LT——汽包液位變送器

廢熱鍋爐與汽包之間是動態(tài)平衡的關系，汽包是一個汽液兩相并存的空間，是具有自平衡能力的被控對象。鍋爐給水在汽包內(nèi)部不斷汽化沸騰，使得氣相和液相交接面形成水汽混合物的劇烈沸騰狀態(tài)，即虛假液位[4]，汽包液位測量的難點也正在于此。為了解決運行中汽包存在虛假水位導致直接測量不準確的問題，以下闡述兩種在工程領域使用的液位計測量方法，供參考、比較。

2雙室平衡容器測量與計算

2.1結構簡述

雙室平衡容器自身的結構具有一定自我補償能力，如圖2所示。在基準杯的上方有1個圓環(huán)形漏斗，此結構將整個容器分成兩部分，故稱雙室平衡容器。根據(jù)功能特點命名各部分為凝氣室、基準杯、溢流室和連通器。

1) 凝氣室和基準杯的功能是將飽和蒸汽部分的壓力穩(wěn)定下來并導向變送器的正壓端?；鶞时娜莘e是固定的，所以當冷凝水充滿基準杯后，便如同冷凝罐原理，蒸汽與冷凝水有一個相對平衡的轉換，此時基準杯所傳導的壓力就是汽包上方飽和蒸汽的壓力且壓力可穩(wěn)定傳導。

2) 連通器的設計旨在傳導汽包中液態(tài)部分介質(zhì)壓力，同時也保證此段導壓管為流通狀態(tài)，防止冬季結冰。

3) 溢流室的作用是進行熱傳導，確保雙室平衡容器與汽包溫度一致。由于下降管的作用，溢流室存液是極為少量的。

圖2　雙室平衡容器結構示意

2.2公式計算

計算原理基于靜壓式液位計的計算[2]：

(1)

式中：p+，p-——壓力變送器正、負端壓力；pS——基準杯口以上所有靜壓力；ρL——汽包飽和水密度；ρS——汽包飽和蒸汽密度；ρ0——冷凝液在環(huán)境溫度下的密度；H——基準杯口距下法蘭中心距離；L——基準杯口與正壓端水平管中心距離；h——汽包實際液位高度。

根據(jù)雙室平衡容器的結構，平衡容器內(nèi)部環(huán)境與汽包環(huán)境一致，所以凝氣室內(nèi)的飽和蒸汽密度與汽包內(nèi)的飽和蒸汽密度一致，連通器內(nèi)部的飽和水密度、正壓端L型管豎直部分的凝結水密度均與汽包內(nèi)飽和水密度一致。由此可知，影響液位計算的外界條件只有環(huán)境溫度下冷凝水的密度，此值會隨著季節(jié)而發(fā)生變化，可以參照表1，得出在0～40 ℃，由此影響的壓力值小于差壓值的0.7%，是可以接受的誤差范圍。由于實際的保溫措施，這個值還會更小。

表1　水密度對照

3差壓液位計的測量與計算

3.1結構簡述

此方法基于托普索工藝包，通過對密度進行補償，計算出被測值。連接形式同常規(guī)差壓液位變送器。

3.2公式計算

差壓液位計算公式：

(2)

式中：p——上法蘭口以上靜壓力。

經(jīng)過變換得出：

(3)

從式(3)可以看出，影響液位是被控對象的密度值，ρ0的變化在雙室平衡容器中已經(jīng)論述，特別是在有儀表伴熱保溫的情況下，可以認為是恒定值，根據(jù)安裝地點設定為默認值，如1 000 kg/m3。然而汽包內(nèi)部的壓力和溫度變化對飽和蒸汽和鍋爐給水的密度造成很大的影響，飽和蒸汽密度ρS和飽和水密度ρL作為此運算中需要補償和整定的2個參數(shù)。這里所說的汽包內(nèi)部壓力的數(shù)值來源于設置在設備上的壓力變送器。根據(jù)密度與壓力的關系，通過建模擬合出曲線如圖3、圖4所示，計算公式(托普索工藝包提供)如下：

ρS=0.009p2+0.457 6p+0.890 7

(4)

(5)

圖3　汽包內(nèi)飽和蒸汽密度曲線

圖4　汽包內(nèi)飽和水密度曲線

3.3實際應用

在某項目中，甲烷化工段使用的是托普索的工藝包，在甲烷化爐下游有一套廢熱鍋爐系統(tǒng)，工況條件見表2所列。

表2　廢熱鍋爐汽包工況條件

根據(jù)表2，考慮設計整體的接口尺寸一致性，建議將差壓變送器改為連通器與雙法蘭差壓液位計組合使用，經(jīng)與工藝包商溝通，同意做此修改，計算公式如下：

(6)

式中：ρ——毛細管中硅油的密度。

其中硅油的選擇要考慮到溫度的影響，在此工況的設計中，采用D.C.704硅油，適用溫度范圍是0～315 ℃。

此結構形式中，連通器起到了穩(wěn)定液位的作用，雙法蘭差壓變送器用硅油的密度代替了導壓管液體的密度，減小了密度變化的影響，同時也節(jié)省了伴熱的工作量。目前該工段已開車并出成品，液位顯示平穩(wěn)。

4結束語

綜合以上兩種方法，一種采用結構補償方式，計算相對簡單，但是對設備和儀表的維護量較大，儀表本身結構相對復雜，但由于是將鍋爐里面動態(tài)的被控對象穩(wěn)定后測量，對儀表本身的測量環(huán)境改善了很多；另一種采用軟件補償方式，通過建模擬合曲線來達到補償目的，可控性強，此方法對于儀表本身來說相對簡單，安裝方便，但由于是通過建模與經(jīng)驗值得出的修正因子，也會存在一定的誤差，因而兩種方法在應用中各有千秋，在實際生產(chǎn)中也都有成功應用案例。某項目中將兩個方法進行了一次優(yōu)化組合，實踐表明，使用效果也是理想的。

參考文獻：

[1]莫德格，李團偉，張軍偉.廢熱鍋爐及設計計算簡介[J].內(nèi)蒙古石油化工，2006(07): 35.

[2]李莊.化工機械設備安裝調(diào)試[M].吉林： 吉林電子出版社，2012.

[3]古大田，方子風.廢熱鍋爐[M].北京： 化學工業(yè)出版社，2002.

[4]侯子良，劉吉川.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M].北京： 中國電力出版社，2005.

[5]程啟明，王明媚，王映裴，等.火電廠鍋爐汽包水位測量技術發(fā)展與現(xiàn)狀[J].電站系統(tǒng)工程，2010(02)： 9-12,15.

[6]朱炳興.變送器選用與維護[M].北京： 化學工業(yè)出版社，2001.

[7]李良貿(mào)，張以民.常用測量儀表實用指南[M].北京： 中國計量出版社，1988.

[8]王森，紀綱.儀表常用數(shù)據(jù)手冊[M].北京： 化學工業(yè)出版社，2006.

[9]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業(yè)出版社，2000.

[10]王雪梅，張悅崑，安鐵夫，等.HG/T 20507—2014自動化儀表選型設計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

中圖分類號：TQ056.1+4

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)01-0071-03

作者簡介：秦雅君(1983—)，女，2009年畢業(yè)于北京化工大學控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表專業(yè)設計工作。

稿件收到日期： 2015-08-28，修改稿收到日期： 2015-12-10。