宋雷，劉勇，李勝利

(中國石油天然氣華東勘察設計研究院，青島 山東 266071)

儀表輔助容器在蒸汽參數(shù)測量中的應用

宋雷，劉勇，李勝利

(中國石油天然氣華東勘察設計研究院，青島 山東 266071)

從蒸汽流量、汽包液位的測量入手，著重分析了兩種冷凝容器、兩種雙室平衡容器的特點及適用場合。在比較兩種冷凝容器時，列出了相應的計算公式并利用Matlab軟件得出的曲線，比較不同結構的冷凝容器的抗干擾能力，供設計人員參考；在比較兩種雙室平衡容器時，結合不同結構的汽包設備，提出不同結構雙室平衡容器的優(yōu)化選擇方案。

蒸汽 儀表輔助容器 規(guī)格要求 安裝方案

煉油裝置中所需要的蒸汽，一部分來自于蒸汽管網，另一部分來自煉油裝置(如常減壓、催化裂化)在自身的工藝流程過程中產生的蒸汽。上述兩種場合下，工藝和熱工專業(yè)人員均要求儀表專業(yè)人員對管網中的蒸汽流量、工藝過程中的汽包液位進行測量，并將測量結果作為計量、控制的輸入數(shù)據(jù)。本文重點討論當蒸汽流量測量采用節(jié)流裝置和汽包液位測量選擇雙室平衡容器時，常用的幾種儀表輔助容器的比較和選擇。

1 測量蒸汽流量時冷凝容器的比較和選擇

測量蒸汽流量時，在測量元件選用孔板的情況下，為了保護變送器的膜盒和緩沖蒸汽的波動，一般在孔板和變送器之間加裝蒸汽冷凝容器。圖1所示是常見的兩種冷凝容器，其底部半徑、容器高度均一致，但冷凝水加注口的位置不同。

在《自控安裝圖冊》中，安裝圖給出的冷凝容器應為圖1a)所示的安裝形式，但在具體工程實施時，圖1b)所示的安裝形式更為常見。從外形上看，其更像一個隔離容器，在實際訂貨中也發(fā)現(xiàn)供貨商習慣通過取消隔離容器一側的接口而直接作為冷凝容器供貨。

在施工階段，冷凝水加注口需置于最高點，所以圖1a)所示的冷凝容器與水平安裝的形式對應；圖1b)所示的冷凝容器與豎直安裝的形式對應。對于冷凝容器的安裝形式，《自控安裝圖冊》要求其水平安裝，以提高抗干擾、波動的能力，但無具體的比較值。筆者針對兩種安裝形式進行定量計算、比較。

所謂蒸汽的波動，一般有兩種情況： 當蒸汽的壓力或溫度突然上升時，冷凝容器內的平衡會被打破，該波動會帶走一部分冷凝水；當蒸汽的壓力或溫度突然下降時，冷凝容器內的平衡也會被打破，該波動會增加一部分冷凝水。這兩種情況均會帶來冷凝容器內液位的變化，在具體計算時，首先認為蒸汽波動是一個能量的概念，其給水平安裝和豎直安裝的冷凝容器帶來的冷凝水體積變化是相等的，即一個相同工況的波動“帶走”和“增加”的冷凝水體積是相同的，在該前提下，定量計算兩種安裝形式的液位差值。

冷凝容器水平安裝、豎直安裝的形式如圖2所示，當容器內的蒸汽和冷凝水達到平衡時，冷凝水的液面和蒸汽接口平齊，當遇到波動時，液面在此基礎上下降或上升。

a) 開口形式(一)

b) 開口形式 (二)

a) 水平安裝

b) 豎直安裝

圖2a)是典型的冷凝容器尺寸圖，蒸汽接口上側為蒸汽，下側為冷凝水，且冷凝水界面和取壓口平齊。假如蒸汽接口位于圓心，當冷凝水液位因受干擾向下波動時，下降的液位高度h1(忽略設備壁厚)為

h1=Rcos [π×(θ/180)]

(1)

式中：R——底面半徑，一般為50mm；θ——夾角(見圖2a)的標注)，取角度值，變化范圍0～90°。

如果將冷凝容器豎直安裝，如前所述，將波動視為能量的概念，其帶走冷凝水的等量體積V在豎直安裝的冷凝容器中產生的液位變化h2為

h2=V/S′

(2)

式中：V——冷凝器水平安裝時冷凝水下降的總體積，V=SH(S——圖2a)中陰影部分的底面積，S=[Rcos(πθ/180)]×[Rsin(πθ/180)]+2×[(90-θ)×(πR2/360)]；H——冷凝容器的高度)；S′——冷凝容器豎直安裝時的底面積，S′=πR2。

采用節(jié)流裝置進行蒸汽流量測量時，上述液位波動(h1，h2)產生的靜壓會影響最終的流量數(shù)值，所以h1，h2的數(shù)值越小越好。

水平與豎直兩種安裝方式的液位變化差值Δh=h2-h1。

用Matlab軟件繪制當θ值自0～90°變化時，Δh變化的曲線如圖3所示。

a) H=100mm

b) H=150mm

c) H=200mm

由圖3可以看出，Δh的數(shù)值始終為正值，所以同一波動下，冷凝容器豎直安裝的液位變化始終大于水平安裝的變化，液位高度變化的靜壓最終反映在流量數(shù)值上。因此，同一規(guī)格的冷凝容器水平安裝的方式顯然優(yōu)于豎直安裝的形式，且隨著波動越大，豎直安裝方式的低抗干擾能力表現(xiàn)越明顯。冷凝容器高度越小，其水平安裝的優(yōu)勢越弱；反之，水平安裝的優(yōu)勢越明顯。隨著高度的降低，其曲線的駐點(即切線斜率為零的點)越提前，因而不應選擇高度較小的冷凝容器。

為了保證冷凝容器的使用效果、提高其抗干擾能力，設計階段應選擇文中圖1a)所示結構的冷凝容器，施工階段應采用水平安裝的形式，并且要求冷凝容器的高度不能低于150mm。

2 測量汽包液位時雙室平衡容器的比較和選擇

分析不同結構的雙室平衡容器首先需注意平衡容器所在的汽包結構，煉油裝置工藝過程中產生蒸汽的汽包最常見的有兩種，如圖4和圖5所示。

圖4 汽包形式(一)

圖5 汽包形式(二)

圖4所示的形式為蒸汽發(fā)生器、產汽汽包一體化的組合方式，這種結構的汽包以催化裂化裝置中的油漿發(fā)生器最為典型，由于進、出口簡單，文中以結構圖的形式給出；圖5所示的形式為蒸汽發(fā)生器、產汽汽包分開設置的模式，之間用下降管、上升管相連。該結構的汽包較圖4所示形式更為常見，比如常減壓裝置中的常二中蒸汽發(fā)生器、制氫裝置的轉化爐過熱段蒸汽發(fā)生器、硫磺裝置的燃燒爐廢熱回收器、焚燒爐廢熱回收器等。該形式的汽包進出口較多，文中以圖5所示的形式給出。

采用差壓原理測量汽包液位時，差壓數(shù)值從輔助容器內測得，而液位計算時密度值直接引用了汽包內水、蒸汽的數(shù)值，故汽包液位測量的關鍵是保證水、蒸汽從汽包引至輔助容器后的密度近似不變。采用雙室平衡容器的目的就是將正、負取壓端引入一個筒體內，采用倒T型架的形式與汽包連通，故其可保證雙室平衡容器內的壓力、溫度與汽包內近似一致，對于水來講，同溫同壓下密度相同，所以最終也就保證了汽包液位測量的準確性。

雙室平衡容器的選用，一般有如下兩種結構，如圖6和圖7所示，兩種平衡容器公式的計算方式、安裝要求均有不同。

圖6 雙室平衡容器結構示意(一)

圖7 雙室平衡容器結構示意(二)

圖6和圖7中，設蒸汽的密度為ρS，汽包水的密度為ρW，接變送器的導壓管內常溫水的密度為ρC，汽包液位為H，圖6中平衡容器的測量范圍為L，圖7中基準杯頂部到正端導壓管的距離為H1，基準杯頂部到負端導壓管的距離為H2。

由圖6所示的結構可以看出，此種結構的平衡容器工作時倒“T”型的連通管下部為汽包水，上部為蒸汽，連通管內水的高度也為汽包內液位的實際高度，容器筒內為蒸汽冷凝水，高度與負取壓口平齊。該結構下的差壓計算公式為Δp=ρWgH+ρSg(L-H)，當ρS遠小于ρW時(如低壓飽和蒸汽)，在精度要求不高的情況下公式可簡化為Δp=ρWgH，該結構的遷移量為ρWgL。

圖7所示的雙室平衡容器，其基準杯上的漏斗將筒體分成了兩個室： 凝汽室和溢流室，兩室分離并通過倒“T”型架與汽包連通。在工作時飽和蒸汽經上取壓管進入凝汽室，凝結成飽和水后進入基準杯，當基準杯內的飽和水盛滿后溢出到溢流室后，經容器底部開口流進汽包內下降管。該結構下的差壓計算公式為Δp=ρWg(H-H2)+ρSg(H1-H)，當ρS遠小于ρW時(如低壓飽和蒸汽)，在精度要求不高的情況下計算公式可簡化為Δp=ρWg(H-H2)。這種結構下其遷移量為ρCg(H1-H2)。

當熱工專業(yè)人員選用圖4所示的汽包時，由于其外部無下降管，可以選擇圖6所示形式的平衡容器；當選用圖5所示的汽包時，可以從圖6和圖7所示的兩種平衡容器中選擇一種使用。但從圖6和圖7所示的結構可以看出，圖7中平衡容器的結構優(yōu)于圖6的，其優(yōu)勢在于使筒體內的溫度更接近于汽包內的溫度。圖6所示結構中，平衡容器僅通過倒“T”型架與汽包進行了單連通，筒內負取壓口以下全部為飽和水，通過取壓管與汽包內飽和蒸汽連通的方式進行吸熱，從而維持容器內溫度，由于筒內的飽和水不流動，因而克服容器內溫度的變化能力存在滯后。圖7的結構中，平衡容器與汽包采用雙連通的形式，即正、負取壓口通過倒“T”型架與汽包進行小連通，同時平衡容器又通過負取壓口、下降管接口與汽包進行大連通。筒內溢流室中汽包液位以上為蒸汽，以下為冷凝水，當從基準杯中流出的冷凝水使溢流室內冷凝水液位高出汽包液位時，該部分冷凝水會迅速流進汽包的下降管中，該流動方式使平衡容器克服溫度變化的能力加強，容器內的溫度較圖6所示形式更接近汽包內的溫度，因而其筒內水、蒸汽的密度與汽包內的參數(shù)更接近。

在設計階段如果選用雙室平衡容器來測量汽包液位，當汽包形式選用圖5形式時，建議選用圖7所示結構的平衡容器。同時，與熱工專業(yè)人員溝通，將容器筒體底部的排液管嘴與介質速度最快的下降管連接，使溢出和凝結后的飽和水及時排出，同時增設截止閥，通過調節(jié)閥門開度防止筒內抽空。在現(xiàn)場施工過程中，需注意兩點： 為了防止導壓管內水的溫度過高或汽化，導壓管的伴熱應盡量采用熱水伴熱，如果采用蒸汽伴熱，則需對伴熱管和導壓管進行隔離；為了使變送器正負取壓室內水的密度接近常溫水，建議變送器距離平衡容器導壓管嘴的距離不應小于1000mm。

3 結束語

蒸汽流量、汽包液位的測量在《自控安裝圖冊》和相關資料中均有論述。文中結合工藝設備的形式，采用定量計算的方法，輔以軟件的仿真曲線，詳細闡述了如何優(yōu)化選擇不同結構的冷凝容器和雙室平衡容器用于蒸汽量和汽包液位測量，供煉油裝置自控設計人員、儀表維護人員、施工人員借鑒。

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ApplicationofInstrumentAuxiliaryContainerinSteamParametersMeasurement

Song Lei, Liu Yong, Li Shengli

(CNPC EastChina Design Institute, Qingdao， 266071， China)

Proceeding with steam flow and drum level measurement, the characteristics and applicable occasions of two types of condensation containers and two dual-chamber balance containers are evaluated. During comparison of two condensation containers, corresponding formulas are listed, and anti-disturbance capability for two condensation containers with different structure are compared with curves obtained by Matlab software as reference for designers. Optimal selection scheme for dual-chamber balance containers with different structure is put forwards by comparison of two dual-chamber balance containers with combination of different structure of drum equipment.

steam； instrument auxiliary container； specification requirement； installation scheme

稿件收到日期： 2013-01-17,修改稿收到日期2013-03-06。

宋雷(1983—)，男，河北保定人，畢業(yè)于北京化工大學自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石油天然氣華東勘察設計研究院電控室，從事儀表及自控設計工作，任工程師。

TH816

B

1007-7324(2013)03-0026-04