李有忠

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

寧夏石化公司三化肥裝置開工鍋爐由上海鍋爐廠制造，設(shè)計壓力14.0 MPa，產(chǎn)汽130 t/h。2013年3月開始安裝，鍋爐為單鍋筒，集中下降管，按π型露天布置，自然循環(huán)燃?xì)忮仩t，在裝置開工和正常運行時，鍋爐為全廠透平提供動力，是裝置中非常關(guān)鍵的設(shè)備，一旦鍋爐跳車，將會造成合成氨和尿素裝置停車。汽包水位是開工鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，水位過高，直接影響汽水分離，甚至發(fā)生蒸汽帶水損壞透平，水位過低，破壞汽水的自然循環(huán)，嚴(yán)重缺水時發(fā)生干鍋事故，為此開工鍋爐設(shè)置了4套汽包水位測量系統(tǒng)，其中1套參與汽包液位三沖量調(diào)節(jié)，3套進入SIS系統(tǒng)參與聯(lián)鎖保護，當(dāng)液位高于+100 mm時，打開放水閥，汽包水位高至210 mm或低至-230 mm時，鍋爐將會聯(lián)鎖停爐。在汽包水位測量中，雙室平衡容器是差壓式水位計一次儀表，它與差壓變送器配套使用。

開工鍋爐自2017年7月至2018年1月調(diào)試期間鍋爐汽包水位計遠傳指示波動大，指示不準(zhǔn)，水位計測量偏差大且與就地水位計存在偏差，汽包水位出現(xiàn)大幅度波動并且與現(xiàn)場玻璃板液位計偏差很大，先后7次造成了開工鍋爐因為汽包水位達到210 mm的高聯(lián)鎖值停爐，嚴(yán)重制約鍋爐正常運行，通過檢查及分析確定汽包水位偏差大的原因為現(xiàn)場測量汽包水位未在DCS系統(tǒng)內(nèi)進行補償，本文介紹了開工鍋爐雙室平衡容器的工作原理，分析了雙室平衡容器在測量汽包液位時波動的原因，介紹了和利時MACS-K DCS系統(tǒng)中汽包水位補償原理，最終達到汽包水位指示正確、鍋爐運行平穩(wěn)目的[1-3]。

1 原因分析

經(jīng)過對現(xiàn)場差壓變送器量程檢查，對設(shè)計資料進行確認(rèn)，最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計人員在設(shè)計之初并沒有考慮到不同壓力下密度差異大的問題，現(xiàn)場變送器只是根據(jù)汽包正常工作時14 MPa壓力對應(yīng)的密度來計算量程范圍，而開工鍋爐啟爐有一個逐漸升溫升壓的過程，在開始階段汽包壓力并不能達到14 MPa，在此過程中，汽水密度遠高于汽包正常工作壓力時密度，這就導(dǎo)致了汽包液位與現(xiàn)場實際液位偏差很大，控制室DCS顯示的液位比現(xiàn)場玻璃板液位偏高了100 mm以上，給工藝人員帶來了很大的操作不便，同時在升壓過程中汽包液位的波動也很大，工藝人員為了防止汽包高水位造成停爐，只能參考就地液位計指示來調(diào)整汽包水位，因調(diào)節(jié)不及時，導(dǎo)致了多次汽包水位高聯(lián)鎖停爐，影響了后續(xù)的開車進度，如何解決液位偏差大的問題，那就必須要對液位進行補償，使平衡容器在不同的工作壓力下，可以有不同的密度參與到液位的運算中去，這樣就能解決汽包在升壓過程中水位指示偏差大的問題，同時也使工藝操作人員能夠讀取準(zhǔn)確的汽包液位示值，提高了操作的準(zhǔn)確性。

2 雙室平衡容器簡介

三化肥開工鍋爐B47W雙室平衡容器是由正壓管、負(fù)壓管等零件焊接而成，工作過程中，飽和蒸汽因為凝結(jié)而釋放的熱量同時對正壓管和負(fù)壓管加熱，使正壓管內(nèi)的重度在任何工況下都近似等于汽包內(nèi)水的重度，又由于正確選用正壓管的高度，不論容器內(nèi)壓力如何變化，正壓管的壓力與負(fù)壓管的壓力變化值均相等，因此雙室平衡容器輸出差壓不變，汽包水位不變，一旦汽包水位變化，則變送器輸出差壓隨之變化，差壓變送器的負(fù)壓側(cè)由于平衡容器有恒定的水柱而維持不變，正壓側(cè)隨著汽包水位的變化而變化。利用正壓側(cè)、負(fù)壓側(cè)形成的差壓信號傳輸?shù)阶兯推?，根?jù)差壓與液位函數(shù)關(guān)系將差壓信號送到DCS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為汽包液位指示。

開工鍋爐雙室平衡容器汽包水位測量原理（見圖1），在測量過程中汽包液位發(fā)生變化會產(chǎn)生相應(yīng)的差壓，差壓和汽包水位之間的關(guān)系如下式。

圖1 雙室平衡容器原理圖

根據(jù)開工鍋爐提供的設(shè)計參數(shù)。式中：L-汽包汽相側(cè)和水相側(cè)取樣孔之間的距離（單位：mm，開工鍋爐為860 mm）；h-測量水位（單位：mm，測量范圍為汽包中心線上下300 mm）；h0-430 mm（汽包中心線到液相側(cè)取壓孔距離）；ΔP-差壓（單位：Pa）；ρw-飽和水密度（單位：kg/m3）；ρs-飽和蒸汽密度（單位：kg/m3）；g-重力加速度（單位：m/s2）。

從以上公式中可以看出汽包的液位與飽和水和飽和蒸汽的密度有很大的關(guān)系，而在汽包不同壓力下，汽水密度都是隨壓力改變的，飽和水的密度ρw與飽和蒸汽的密度ρs在不同壓力下相差很大；因此在鍋爐啟動過程中或升壓過程中，同一汽包水位所產(chǎn)生的壓差是不同的（見表1）。

表1 汽包的液位與飽和水和飽和蒸汽的密度對照表

3 MACS-K DCS系統(tǒng)中汽包水位補償原理

如何能對汽包液位進行補償，使其在不同壓力下能使用不同的密度參與汽包水位的計算呢，那就必須在DCS系統(tǒng)中對水位進行補償。寧夏石化公司三化肥裝置全流程使用了杭州和利時公司最新推出的MACS-K大型分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了全冗余，多重隔離等可靠性技術(shù)，吸收了安全系統(tǒng)的設(shè)計理念，改進、完善了組態(tài)軟件的友好性和易用性，降低了入門難度，提高了用戶組態(tài)的效率，提升了用戶的舒適感。組態(tài)軟件MACSV6.5.2具有強大而多樣的功能，包括：數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)、報警、趨勢、總貌圖、模擬流程圖、數(shù)據(jù)一覽、日志管理、表格管理、事件順序記錄、報表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計、顯示管理、人機對話、打印管理、系統(tǒng)故障診斷及故障監(jiān)視、系統(tǒng)組態(tài)、操作員在線參數(shù)設(shè)定、存檔數(shù)據(jù)的離線查詢、控制分組、控制回路等。

在DCS系統(tǒng)上對汽包液位補償?shù)年P(guān)鍵就是要建立一個不同壓力下可以得到不同密度值的函數(shù)，通過上述的密度表可以推斷出在不同壓力的情況下，對應(yīng)的密度值接近于線性，因為MACS-K系統(tǒng)給用戶提供了豐富的功能塊，通過比較可以選用ONEFOLD（一維插值）功能塊，此功能塊的詳細(xì)組態(tài)信息（見表2）。

該功能塊將輸入值IN置于X軸的某一段中，然后根據(jù)與該段相關(guān)的XARR、YARR值算出對應(yīng)IN的OUT值。落在給定XARR的最大值和最小值之間的IN，用與其相鄰的兩組XARR、YARR值進行運算。落在XARR最小值和最大值外的IN，算法不進行處理，保持上一次的輸出值。有8個點的該功能塊的運算示意圖（見圖2）。

該功能塊最多有16個輸入點和16個輸出點，通過該功能塊可以將密度表中的壓力值做為IN端輸入，而相應(yīng)的汽包飽和水與飽和汽密度之差作為OUT端輸出，而兩個輸入點之間的數(shù)據(jù)按線性進行自動計算。通過此函數(shù)就可以得到雙室平衡容器汽包液位計算公式中不同壓力條件下相對應(yīng)的（ρw-ρs）值，這樣就可以達到在不同壓力情況下獲取不同密度的目的。根據(jù)h=430+1 000×ΔP/（（ρw-ρs）×g）（mm），DCS系統(tǒng)組態(tài)（見圖3），其中LI_8262測量平衡容器正負(fù)壓側(cè)差壓值，AM23_LI_8262是補償后的汽包水位測量值。

表2 一維ONEFOLD（一維插值）功能塊

圖2 一維ONEFOLD（一維插值）功能示意圖

圖3 汽包水位DCS補償組態(tài)

圖3中F2X是汽包壓力與（ρw-ρs）的函數(shù)，根據(jù)鍋爐汽包壓力PI_8262B的實時壓力的變化獲得相對應(yīng)壓力下的（ρw-ρs）值，通過對汽包液位函數(shù)的組態(tài)，可以獲得一個汽包液位值，實現(xiàn)了汽包液位在不同壓力條件下獲得汽包內(nèi)不同飽和蒸汽和飽和水密度的補償，不同壓力條件下可以計算出相對應(yīng)的汽包水位真實值。

4 結(jié)語

開工鍋爐汽包水位經(jīng)過在DCS系統(tǒng)補償計算后，汽包水位指示平穩(wěn)，工藝人員在后續(xù)開車和調(diào)試過程中汽包水位指示正常，與現(xiàn)場玻璃板液位計的偏差在10 mm左右，并且在調(diào)整負(fù)荷過程中也沒有出現(xiàn)大幅度的波動，為工藝人員的操作提供了幫助。經(jīng)過補償后，工藝人員的操作難度得到了降低，同時開工鍋爐在后續(xù)的運行中再也沒有出現(xiàn)因為汽包水位波動大造成聯(lián)鎖停爐，此次在DCS上對汽包水位的補償達到了預(yù)期的效果，后續(xù)在SIS系統(tǒng)中也借鑒DCS成功補償?shù)淖龇ǎ瑢?臺汽包水位進行了補償，避免了汽包水位誤指示造成的聯(lián)鎖停爐。