差壓法測量鍋爐汽包水位的分析與應(yīng)用

吳斌

(中國石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計分公司，北京 100101)

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差壓法測量鍋爐汽包水位的分析與應(yīng)用

吳斌

(中國石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計分公司，北京 100101)

摘要：針對影響汽包水位測量的因素，分別介紹了單室平衡容器、雙室平衡容器和改進型雙室平衡容器在差壓法測量中的應(yīng)用，通過比較說明了各自的優(yōu)缺點。重點討論了改進型雙室平衡容器與傳統(tǒng)差壓變送器相結(jié)合測汽包水位的方法，論述了該平衡容器的固有補償特性，通過設(shè)計合適的平衡容器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在DCS中建立壓力補償系統(tǒng)，可在一定程度上克服汽包“虛假水位”的影響，達到提高測量精度的目的，同時強調(diào)了應(yīng)對平衡容器和測量管路做合理保溫。

關(guān)鍵詞：汽包水位單室平衡容器雙室平衡容器壓力補償系統(tǒng)差壓法

汽包水位對于煉油裝置安全穩(wěn)定的運行不可或缺，汽包水位過高或過低都會影響生產(chǎn)裝置的正常運行。水位過高減小了蒸發(fā)的空間，造成汽水分離的效果較差，使飽和蒸汽帶液過多，影響下游蒸汽驅(qū)動設(shè)備(如汽輪機)的正常運行；水位過低有可能造成鍋爐干燒，大面積損壞水冷壁，甚至引發(fā)汽包爆炸，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。為實現(xiàn)對汽包水位的有效控制，避免水位劇烈波動造成損失，一般煉廠都會采用三沖量的控制方式，但是實現(xiàn)精確控制的前提是能得到汽包水位的準(zhǔn)確值。因此，如何提高測量精度就具有重大意義，筆者主要就差壓法在汽包水位測量中的應(yīng)用進行了分析。

1差壓法測汽包水位

汽包水位的準(zhǔn)確測量一直是煉油裝置的難點之一，這是因為在汽包壓力偏離設(shè)計工作點時，飽和水和飽和水蒸氣的密度會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致“虛假水位”的問題，給測量帶來很大困難。在設(shè)計過程中，一般設(shè)計兩套測量方案，以實現(xiàn)冗余測量： 采用浮筒或者雙法蘭或者導(dǎo)波雷達；采用平衡容器配差壓變送器。由于平衡容器配差壓變送器的方式經(jīng)濟實惠，且能在一定程度上克服“虛假水位”的問題，該方案一直應(yīng)用廣泛。常用的平衡容器有單室平衡容器和雙室平衡容器。

2單室平衡容器的應(yīng)用分析

單室平衡容器結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和安裝，適用于精確度要求不太高的鍋爐汽包水位測量，典型的采用單室平衡容器的測量系統(tǒng)如圖1所示。

分析可知，在一定壓力下，ρw和ρs都是定值，但由于單室平衡容器的體積很小，很容易受到環(huán)境溫度的影響，其內(nèi)部冷凝水的密度經(jīng)常變化，進而造成ρ的變化，帶來測量誤差。為解決該問題，引入雙室平衡容器差壓法。

圖1　單室平衡容器測量系統(tǒng)示意注： ρ——參比水柱密度；ρs——汽包內(nèi)飽和蒸汽密度；ρw——汽包內(nèi)飽和水密度；Δp——變送器測得的差壓；　H——汽包內(nèi)飽和水水位；L——基準(zhǔn)杯口至連通器水平　管中心線的距離；Ps——汽包壓力

3雙室平衡容器的應(yīng)用分析

目前的鍋爐汽包水位測量中，雙室平衡容器配差壓變送器的方法占絕大部分，該種測量方案是由單室平衡容器改進而來。雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)有許多種，但它們的測量原理基本相同，以兩種比較典型的結(jié)構(gòu)為例進行介紹。

3.1雙室平衡容器

在實踐中應(yīng)用較多的平衡容器如圖2所示。其原理： 汽包飽和蒸汽從凝汽室進入，進行熱交換，生成飽和凝結(jié)水，凝結(jié)水聚積在凝汽室內(nèi)，產(chǎn)生的壓力傳遞到變送器的負(fù)壓側(cè)；倒T字形的連通器將汽包內(nèi)飽和水經(jīng)過平衡容器與變送器正壓側(cè)相連，為了防止凝結(jié)水由蒸汽側(cè)進入汽包，從而出現(xiàn)水封的問題，一般連通器口應(yīng)比蒸汽取壓口略低。推導(dǎo)計算Δp的公式如下：

p+=ps+Hgρw+(L-H)gρs

(1)

p-=ps+Lgρw1

(2)

Δp=Hgρw+(L-H)gρs-Lgρw1

(3)

式中： ρw1——凝結(jié)水的密度。

圖2　普通雙室平衡容器測量系統(tǒng)示意

式(3)中，一定工況下，ρw和ρs都是定值。但由于平衡容器存在散熱，凝汽室內(nèi)水溫從上部到下部逐步降低，且不易確定溫度分布，導(dǎo)致ρw1不易確定。實際上ρw1的值與靠近汽包遠近、雙室平衡容器的具體結(jié)構(gòu)、容器保溫情況和環(huán)境溫度變化均有關(guān)系，既沒有參考值，又不能準(zhǔn)確測量。工程應(yīng)用中為計算方便，近似認(rèn)為凝汽室的溫度等于汽包內(nèi)溫度，則ρw1與ρw近似相同。但實際汽包內(nèi)溫度遠高于平衡容器溫度，會給測量帶來誤差。

3.2改進型雙室平衡容器

改進型雙室平衡容器是一種具有巧妙設(shè)計結(jié)構(gòu)的汽包水位測量輔助裝置，實際應(yīng)用中效果良好，其主要結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)如圖3所示，主要包括基準(zhǔn)杯、凝汽室、連通器和溢流室等部分。與普通雙室平衡容器類似，來自汽包的飽和水蒸氣在凝汽室內(nèi)進行熱交換，生成飽和的凝結(jié)水，源源不斷灌入基準(zhǔn)杯內(nèi)；基準(zhǔn)杯的下端接入差壓變送器的負(fù)壓端，將凝結(jié)水產(chǎn)生的壓力傳導(dǎo)至變送器的負(fù)壓側(cè)；連通器被設(shè)計成倒T字形，它將鍋爐下部飽和水經(jīng)過平衡容器與變送器正壓側(cè)相連，從而將產(chǎn)生的壓力傳向變送器的正壓側(cè)。不同之處在于，改進型雙室平衡容器增加了溢流室，它接收由基準(zhǔn)杯溢流出的凝結(jié)水，并通過凝結(jié)水管，將凝結(jié)水不斷排出。由于飽和蒸汽不斷冷凝，不斷釋放熱量，在此過程中，溢流室不斷蓄熱為整個容器進行加熱，確保容器內(nèi)溫度與汽包中的溫度達到一致。

圖3　改進型雙室平衡容器測量系統(tǒng)示意　注： ρc——水在環(huán)境溫度下的密度；l——基礎(chǔ)杯口　至負(fù)壓側(cè)水平引壓管中心線的距離

3.2.1改進型雙室平衡容器的測量原理

改進型平衡容器是通過飽和蒸汽不斷冷凝放熱的方法，使負(fù)壓側(cè)基準(zhǔn)杯的水溫等于汽包內(nèi)溫度，從而使基準(zhǔn)杯內(nèi)冷凝水的密度始終與汽包內(nèi)飽和水的密度相等。同時，為保證水平引壓管至變送器正負(fù)壓側(cè)的垂直引壓管中水的密度等于環(huán)境溫度下水的密度，從而便于計算，敷設(shè)引壓管的水平段時，應(yīng)注意延伸足夠的距離，一般要求1m以上。推導(dǎo)差壓測量的計算公式如下：

Δp=(ρw-ρs)gH+Lgρs-lgρw-(L-l)gρc

(4)

3.2.2改進型雙室平衡容器的固有特性

由式(4)可知，當(dāng)壓力變化時，測得的差壓不僅與ρw和ρs的值有關(guān)，也與平衡容器的結(jié)構(gòu)參數(shù)L和l有關(guān)。利用該特性，在設(shè)計平衡容器時，針對汽包的正常操作水位，選擇合適的L和l值，可極大補償汽包壓力變化對汽包正常操作水位的影響，即當(dāng)汽包壓力變化時，在正常操作水位下，測得的差壓值保持不變，從而獲得較為準(zhǔn)確的汽包水位測量值。該特性由容器的自身結(jié)構(gòu)所決定，又稱為雙室平衡容器的固有補償特性 。

3.2.3DCS中壓力補償系統(tǒng)的建立

由上述分析可知，改進型雙室平衡容器解決了容器內(nèi)的冷凝水與汽包內(nèi)飽和水存在的溫差問題，同時可通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)L和l，消除正常操作狀態(tài)下壓力變化對汽包水位測量的影響。但在工程應(yīng)用中，當(dāng)汽包壓力變化時，汽包水位與正常水位往往會有很大偏離，雖然平衡容器具有補償特性，但補償范圍有限，因而需要采取必要的措施，進一步消除汽包壓力變化對汽包水位測量的影響。通常情況下，可任選壓力補償和溫度補償中的一種，補償效果基本相同，但補償起始點有所區(qū)別： 由“飽和水與飽和水蒸氣密度表”可知，溫度可以與100℃以上的飽和密度和100℃以下時的非飽和密度完全對應(yīng)；而對于壓力來說，密度表中只有對應(yīng)飽和密度的相對壓力值，即最低的相對壓力0對應(yīng)的已經(jīng)是100℃時的飽和密度。由此可知，工程實際中汽包的工作溫度都很高，從0℃開始補償是完全沒有必要的。因此，筆者只針對壓力補償?shù)姆椒?，建立補償系統(tǒng)。

由式(4)可得下式：

(5)

式(5)中，在環(huán)境溫度確定后，ρc為常數(shù)；Δp為變送器的測量值；lgρw-Lgρs和ρw-ρs是關(guān)于飽和水蒸氣與飽和水密度的兩個方程式。通過查詢文獻，可以得到這兩個方程式關(guān)于壓力的函數(shù)曲線。將所得到的函數(shù)以及式(5)輸入到用以執(zhí)行運算任務(wù)的DCS程序中，該雙室平衡容器的補償系統(tǒng)即告建立。

為了使平衡容器能在更接近理想的狀態(tài)下工作，必須在容器的外部進行適當(dāng)?shù)谋?。原因是通常情況下凝汽室的溫度遠高于外部環(huán)境溫度，此時它不斷通過熱輻射向外釋放能量。若容器外部不加保溫或者保溫效果不理想，為彌補損失的熱量，蒸汽凝結(jié)為水的速度會加快，從而引起更多的飽和水蒸氣進入凝汽室，以產(chǎn)生更多的補充熱量。但在實際應(yīng)用中，若環(huán)境溫度過低，處于自然對流狀態(tài)的蒸汽，生成的補充熱量不足以維持容器內(nèi)溫度與汽包內(nèi)飽和水的溫度一致，進而產(chǎn)生測量誤差。另一方面，為達到更好的測量效果，各汽水取樣管、取樣閥門、連通管也應(yīng)做保溫處理；引到差壓變送器的兩根導(dǎo)壓管應(yīng)平行敷設(shè)，共同保溫，并根據(jù)現(xiàn)場需要加伴熱防凍。

4結(jié)束語

差壓法測汽包水位在工程實際中應(yīng)用廣泛，并可在一定程度上消除汽包“虛假水位”的影響。普通雙室平衡容器不能解決汽包內(nèi)飽和水與平衡容器中凝結(jié)水的溫差問題；改進型雙室平衡容器利用蒸汽加熱的方式較好地解決了該問題，并可通過設(shè)計合適的平衡容器結(jié)構(gòu)參數(shù)和在DCS中建立壓力補償系統(tǒng)，提高測量精度。

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賽默飛發(fā)布地表水和飲用水中痕量生物胺的檢測方案

近日，科學(xué)服務(wù)領(lǐng)域的世界領(lǐng)導(dǎo)者賽默飛世爾科技(以下簡稱： 賽默飛)發(fā)布的地表水和飲用水中痕量生物胺的檢測方案。腐胺、尸胺、組胺、亞精胺和精胺是最常見的5種生物胺，攝入過量將會誘發(fā)惡心、心悸、呼吸紊亂等強烈過敏反應(yīng)，甚至危害生命安全。中國水產(chǎn)品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB2733—2005就曾明確限定了市售、非活水產(chǎn)品中組胺的含量。

目前生物胺的準(zhǔn)確定量測定方法主要有氣質(zhì)聯(lián)用、液相色譜法和離子色譜法等。其中僅離子色譜法無需將生物胺經(jīng)過繁瑣的柱前衍生或預(yù)衍生處理，以離子交換分離為基礎(chǔ)，簡單而迅捷地實現(xiàn)了這5種生物胺的分離測定。毛細(xì)管離子色譜的誕生，標(biāo)志著離子色譜進入了低消耗、低成本、高效率時代。其微升級的流量，極大地降低了淋洗液的消耗，配合淋洗液自動發(fā)生裝置使用，有效地保證了各種突發(fā)事件發(fā)生時，離子色譜總能在第一時間內(nèi)完成對應(yīng)的應(yīng)急樣品測定。

賽默飛地表水和飲用水中痕量生物胺的檢測方案，采用通用高壓離子色譜ICS-5000+為依托，選用高效陽離子交換分離柱IonPac CS19，以甲基磺酸淋洗液發(fā)生器在線產(chǎn)生甲基磺酸溶液，梯度淋洗，完成了地表水、自來水試樣中痕量腐胺、尸胺等5種常見生物胺的分離分析。該方法重復(fù)性較好，準(zhǔn)確性較高，在所選定條件下，可準(zhǔn)確完成地表水、自來水中痕量腐胺、尸胺、組胺、亞精胺和精胺的分離測定工作。(賽默飛世爾科技(中國)有限公司)

中圖分類號：TH816

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0066-03

作者簡介：吳斌(1983—)，男，2008年畢業(yè)于北京化工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，從事自動控制設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-12-19，修改稿收到日期： 2015-01-21。