大型化肥裝置開(kāi)工鍋爐汽包水位測(cè)量及補(bǔ)償

李有忠

（中國(guó)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(kāi)工鍋爐由上海鍋爐廠制造，設(shè)計(jì)壓力14.0 MPa，產(chǎn)汽130 t/h。2013年3月開(kāi)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(kāi)工和正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐為全廠透平提供動(dòng)力，是裝置中非常關(guān)鍵的設(shè)備，一旦鍋爐跳車，將會(huì)造成合成氨和尿素裝置停車。汽包水位是開(kāi)工鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，水位過(guò)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(guò)低，破壞汽水的自然循環(huán)，嚴(yán)重缺水時(shí)發(fā)生干鍋事故，為此開(kāi)工鍋爐設(shè)置了4套汽包水位測(cè)量系統(tǒng)，其中1套參與汽包液位三沖量調(diào)節(jié)，3套進(jìn)入SIS系統(tǒng)參與聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)液位高于+100 mm時(shí)，打開(kāi)放水閥，汽包水位高至210 mm或低至-230 mm時(shí)，鍋爐將會(huì)聯(lián)鎖停爐。在汽包水位測(cè)量中，雙室平衡容器是差壓式水位計(jì)一次儀表，它與差壓變送器配套使用。

開(kāi)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(jì)遠(yuǎn)傳指示波動(dòng)大，指示不準(zhǔn)，水位計(jì)測(cè)量偏差大且與就地水位計(jì)存在偏差，汽包水位出現(xiàn)大幅度波動(dòng)并且與現(xiàn)場(chǎng)玻璃板液位計(jì)偏差很大，先后7次造成了開(kāi)工鍋爐因?yàn)槠贿_(dá)到210 mm的高聯(lián)鎖值停爐，嚴(yán)重制約鍋爐正常運(yùn)行，通過(guò)檢查及分析確定汽包水位偏差大的原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量汽包水位未在DCS系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，本文介紹了開(kāi)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(cè)量汽包液位時(shí)波動(dòng)的原因，介紹了和利時(shí)MACS-K DCS系統(tǒng)中汽包水位補(bǔ)償原理，最終達(dá)到汽包水位指示正確、鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)目的[1-3]。

1 原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)差壓變送器量程檢查，對(duì)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行確認(rèn)，最終發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮到不同壓力下密度差異大的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)變送器只是根據(jù)汽包正常工作時(shí)14 MPa壓力對(duì)應(yīng)的密度來(lái)計(jì)算量程范圍，而開(kāi)工鍋爐啟爐有一個(gè)逐漸升溫升壓的過(guò)程，在開(kāi)始階段汽包壓力并不能達(dá)到14 MPa，在此過(guò)程中，汽水密度遠(yuǎn)高于汽包正常工作壓力時(shí)密度，這就導(dǎo)致了汽包液位與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液位偏差很大，控制室DCS顯示的液位比現(xiàn)場(chǎng)玻璃板液位偏高了100 mm以上，給工藝人員帶來(lái)了很大的操作不便，同時(shí)在升壓過(guò)程中汽包液位的波動(dòng)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(jì)指示來(lái)調(diào)整汽包水位，因調(diào)節(jié)不及時(shí)，導(dǎo)致了多次汽包水位高聯(lián)鎖停爐，影響了后續(xù)的開(kāi)車進(jìn)度，如何解決液位偏差大的問(wèn)題，那就必須要對(duì)液位進(jìn)行補(bǔ)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(yùn)算中去，這樣就能解決汽包在升壓過(guò)程中水位指示偏差大的問(wèn)題，同時(shí)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(jiǎn)介

三化肥開(kāi)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(guò)程中，飽和蒸汽因?yàn)槟Y(jié)而釋放的熱量同時(shí)對(duì)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(hào)傳輸?shù)阶兯推鳎鶕?jù)差壓與液位函數(shù)關(guān)系將差壓信號(hào)送到DCS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為汽包液位指示。

開(kāi)工鍋爐雙室平衡容器汽包水位測(cè)量原理（見(jiàn)圖1），在測(cè)量過(guò)程中汽包液位發(fā)生變化會(huì)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(kāi)工鍋爐提供的設(shè)計(jì)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(kāi)工鍋爐為860 mm）；h-測(cè)量水位（單位：mm，測(cè)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(dòng)過(guò)程中或升壓過(guò)程中，同一汽包水位所產(chǎn)生的壓差是不同的（見(jiàn)表1）。

表1 汽包的液位與飽和水和飽和蒸汽的密度對(duì)照表

3 MACS-K DCS系統(tǒng)中汽包水位補(bǔ)償原理

如何能對(duì)汽包液位進(jìn)行補(bǔ)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(jì)算呢，那就必須在DCS系統(tǒng)中對(duì)水位進(jìn)行補(bǔ)償。寧夏石化公司三化肥裝置全流程使用了杭州和利時(shí)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(jì)理念，改進(jìn)、完善了組態(tài)軟件的友好性和易用性，降低了入門(mén)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(qiáng)大而多樣的功能，包括：數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)、報(bào)警、趨勢(shì)、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(bào)表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、顯示管理、人機(jī)對(duì)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(duì)汽包液位補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵就是要建立一個(gè)不同壓力下可以得到不同密度值的函數(shù)，通過(guò)上述的密度表可以推斷出在不同壓力的情況下，對(duì)應(yīng)的密度值接近于線性，因?yàn)镸ACS-K系統(tǒng)給用戶提供了豐富的功能塊，通過(guò)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(jiàn)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(duì)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(jìn)行運(yùn)算。落在XARR最小值和最大值外的IN，算法不進(jìn)行處理，保持上一次的輸出值。有8個(gè)點(diǎn)的該功能塊的運(yùn)算示意圖（見(jiàn)圖2）。

該功能塊最多有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，通過(guò)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(gè)輸入點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)按線性進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。通過(guò)此函數(shù)就可以得到雙室平衡容器汽包液位計(jì)算公式中不同壓力條件下相對(duì)應(yīng)的（ρw-ρs）值，這樣就可以達(dá)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(jiàn)圖3），其中LI_8262測(cè)量平衡容器正負(fù)壓側(cè)差壓值，AM23_LI_8262是補(bǔ)償后的汽包水位測(cè)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(bǔ)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(shí)時(shí)壓力的變化獲得相對(duì)應(yīng)壓力下的（ρw-ρs）值，通過(guò)對(duì)汽包液位函數(shù)的組態(tài)，可以獲得一個(gè)汽包液位值，實(shí)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(bǔ)償，不同壓力條件下可以計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的汽包水位真實(shí)值。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)工鍋爐汽包水位經(jīng)過(guò)在DCS系統(tǒng)補(bǔ)償計(jì)算后，汽包水位指示平穩(wěn)，工藝人員在后續(xù)開(kāi)車和調(diào)試過(guò)程中汽包水位指示正常，與現(xiàn)場(chǎng)玻璃板液位計(jì)的偏差在10 mm左右，并且在調(diào)整負(fù)荷過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，為工藝人員的操作提供了幫助。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，工藝人員的操作難度得到了降低，同時(shí)開(kāi)工鍋爐在后續(xù)的運(yùn)行中再也沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)槠徊▌?dòng)大造成聯(lián)鎖停爐，此次在DCS上對(duì)汽包水位的補(bǔ)償達(dá)到了預(yù)期的效果，后續(xù)在SIS系統(tǒng)中也借鑒DCS成功補(bǔ)償?shù)淖龇?，?duì)3臺(tái)汽包水位進(jìn)行了補(bǔ)償，避免了汽包水位誤指示造成的聯(lián)鎖停爐。