賈曉軍，侯長(zhǎng)江

(1. 中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003; 2. 中石油云南石化有限公司，昆明 650399)

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煉油裝置中平衡容器差壓液位計(jì)的應(yīng)用

賈曉軍1，侯長(zhǎng)江2

(1. 中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003; 2. 中石油云南石化有限公司，昆明 650399)

摘要：以某動(dòng)力站燃油燃?xì)忮仩t汽包液位測(cè)量為背景，介紹了平衡容器差壓液位計(jì)的測(cè)量原理及優(yōu)缺點(diǎn)，著重分析了幾種常見(jiàn)的平衡容器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法。針對(duì)煉油裝置中平衡容器的選型及液位補(bǔ)償修正的必要性進(jìn)行了探討，可知無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)平衡容器的正、負(fù)壓室連接至差壓變送器的高壓側(cè)，在DCS內(nèi)做相應(yīng)組態(tài)調(diào)整，都可得到液位的正確顯示。煉油裝置內(nèi)的汽包液位補(bǔ)償僅在啟、停爐時(shí)有意義，由于啟、停爐過(guò)程時(shí)間較短且產(chǎn)生的液位誤差在工藝操作要求允許范圍內(nèi)，因而不進(jìn)行補(bǔ)償修正完全可以滿足生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：平衡容器正負(fù)壓室液位補(bǔ)償

汽包水位是保證鍋爐安全運(yùn)行的指標(biāo)之一，也是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否平衡的標(biāo)志[1]。汽包液位過(guò)高會(huì)直接影響汽水分離的效果，使飽和蒸汽濕度增大，容易造成過(guò)熱器和汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢，引起過(guò)熱器爆管，機(jī)組熱效率降低。當(dāng)水位高到一定程度，蒸汽就要帶水，可能引起破壞性事故；汽包液位太低會(huì)影響鍋爐水循環(huán)，使水冷壁局部過(guò)熱而發(fā)生爆管事故[2]。因此，水位控制系統(tǒng)一直受到人們的重視。目前，技術(shù)人員已研究出了許多控制方案，如汽包水位的三沖量控制、汽包水位的串級(jí)控制等[1]。在這些控制方案中都用到了汽包水位，因?yàn)槠坏膶?duì)象特性復(fù)雜，水位測(cè)量存在很大的不確定性，其規(guī)律難以掌握，所以汽包水位測(cè)量存在較大的技術(shù)問(wèn)題[3]。筆者以某煉油異地改造石油化工項(xiàng)目動(dòng)力站燃油燃?xì)忮仩t汽包的液位測(cè)量為工程背景，在著重介紹平衡容器的基礎(chǔ)上，就煉油裝置工程安裝中平衡容器正負(fù)壓室的選擇及實(shí)際測(cè)量中液位補(bǔ)償修正的必要性進(jìn)行了深入的探討。

1動(dòng)力站燃油燃?xì)忮仩t汽包液位儀表

動(dòng)力站燃油燃?xì)忮仩t汽包上共設(shè)3組液位儀表，其中1組為就地玻璃板液位計(jì)，其他2組遠(yuǎn)傳液位儀表分別為電接點(diǎn)液位計(jì)及平衡容器差壓液位計(jì)。文中僅對(duì)平衡容器差壓液位計(jì)進(jìn)行介紹。

1.1測(cè)量原理

平衡容器差壓液位計(jì)的測(cè)量原理是將汽包內(nèi)水位h產(chǎn)生的壓力和平衡容器形成的參比水柱產(chǎn)生的壓力進(jìn)行比較，得到差壓Δp，實(shí)現(xiàn)“水位-差壓”變換，即將水位轉(zhuǎn)換為Δp，由差壓變送器測(cè)量差壓Δp[3]。

1.2特點(diǎn)

平衡容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，工程應(yīng)用中應(yīng)盡可能地避免“虛假水位”。差壓變送器的精度和穩(wěn)定性很高。蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器還具有固有補(bǔ)償特性。但汽包在不同的工作壓力下其差壓范圍不同；不同形式的平衡容器其參比水柱的密度不同，從而影響測(cè)量精度。

2幾種常見(jiàn)的平衡容器

2.1單室平衡容器

單室平衡容器[4]如圖1所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但測(cè)量誤差較大。當(dāng)鍋爐在額定蒸汽壓力運(yùn)行，水位為正常水位時(shí)，其輸出的Δp比較穩(wěn)定，測(cè)量較準(zhǔn)確；當(dāng)蒸汽壓力下降時(shí)，此時(shí)的水位保持不變，正壓側(cè)壓力p+變化不大，負(fù)壓側(cè)的壓力p-將顯著增大，致使平衡容器輸出差壓減小，水位表指示偏高。

圖1　單室平衡容器結(jié)構(gòu)和測(cè)量示意

由圖1可以得到水位測(cè)量關(guān)系式：

Δp=p+-p-=

(ρc-ρs)gL-(ρw-ρs)gh

(1)

式中：ρc——平衡容器內(nèi)凝結(jié)水密度；ρw——汽包內(nèi)飽和水密度；ρs——汽包內(nèi)飽和蒸汽密度；g——重力加速度；h——汽包水位；Δp——平衡容器輸出差壓；L——水位計(jì)量程。

由圖1可以看出，p+由恒定的水柱高度維持恒定，p-則隨汽包水位變化而變化，所以Δp隨汽包水位而變化。但是，由于汽包內(nèi)的飽和水與平衡容器內(nèi)的冷凝水溫度不同(即密度不同)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了減少此誤差，通常是使平衡容器的安裝標(biāo)高(正負(fù)壓取樣管的垂直距離L)與二次顯示儀表的刻度全量程一致，并在二次表校驗(yàn)時(shí)，按運(yùn)行額定參數(shù)和環(huán)境平均溫度，考慮密度影響的修正值。單室平衡容器一般用于測(cè)量低溫、低壓容器的水位，在測(cè)量鍋爐汽包水位時(shí)，要運(yùn)用水位測(cè)量的蒸汽壓力自動(dòng)校正系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的測(cè)量。

2.2雙室平衡容器

雙室平衡容器[4]的正壓側(cè)與單室平衡容器一樣，維持恒定水柱高度，負(fù)壓側(cè)置于平衡容器內(nèi)，下部與汽包的水室相連通，其水柱高度隨著汽包水位的變化而變化。

雙室平衡容器的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)外2根管內(nèi)水溫比較接近，減少了單室平衡容器正負(fù)壓取樣管內(nèi)水的密度不同所引起的測(cè)量誤差，但由于平衡容器內(nèi)的溫度遠(yuǎn)低于汽包內(nèi)的溫度，故負(fù)壓管內(nèi)的水位比汽包實(shí)際水位偏低，因而產(chǎn)生測(cè)量誤差。當(dāng)蒸汽壓力和平衡容器環(huán)境溫度變化時(shí)，此誤差是個(gè)變數(shù)。

雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其水位測(cè)量關(guān)系式與單室平衡容器相同。

圖2　雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量示意

2.3蒸汽罩式雙室平衡容器

蒸汽罩式雙室平衡容器采用汽包內(nèi)飽和蒸汽來(lái)加熱正、負(fù)壓側(cè)取樣管內(nèi)的水，使之處于飽和溫度，即ρc=ρw，從而消除了雙室平衡容器內(nèi)水溫與汽包內(nèi)水溫不同而帶來(lái)的測(cè)量誤差，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于ρc=ρw，蒸汽罩式雙室平衡容器的水柱-差壓關(guān)系式為

Δp=p+-p-=(ρw-ρs)g(L-a-h)

(2)

(3)

蒸汽罩雙室平衡容器雖然消除了環(huán)境溫度對(duì)水位測(cè)量的影響，但當(dāng)汽包工作壓力p降低時(shí)，雖然實(shí)際水位不變，但由于飽和水密度增加，p+增大，Δp也將顯著增大，導(dǎo)致水位指示出現(xiàn)誤差。

圖3　蒸汽罩式雙室平衡容器水位測(cè)量示意注： a——水杯上沿至飽和蒸汽入口間距；b——水杯高度；c——飽和蒸汽入口至平衡容器頂端間距

2.4蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器

鑒于當(dāng)汽包工作壓力變化時(shí)，單室平衡容器和蒸汽罩雙室平衡容器的輸出差壓變化方向恰好相反，于是提出了蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器[4]，即帶中間抽頭的雙室平衡容器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器結(jié)構(gòu)和測(cè)量示意

蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器正壓側(cè)取樣管的水柱改由2段組成，1段保持飽和溫度，另1段保持室溫。適當(dāng)選擇2段的比例，即可實(shí)現(xiàn)在某一特定水位(如正常水位)下平衡容器輸出的差壓值不受蒸汽壓力變動(dòng)的影響。

目前，測(cè)量鍋爐汽包水位時(shí)，廣泛采用蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器，用蒸汽罩對(duì)正壓恒位水槽加熱，使槽內(nèi)的水在任何情況下都與汽包壓力下飽和水的密度相同，不受環(huán)境溫度的影響。蒸汽罩的加熱蒸汽取自汽包的蒸汽室，凝結(jié)水經(jīng)疏水管流至鍋爐下降管。

為了使平衡容器能迅速達(dá)到正常的工作狀態(tài)，在汽包與平衡容器的連接管之間加裝汽側(cè)一次門，當(dāng)鍋爐開始升壓時(shí)，要關(guān)閉該閥門，使較高壓力的爐水由疏水管注入平衡容器，并迅速充滿正壓恒位水槽。待儀表管路沖洗后，打開該閥門，水位表即可正常投入。

在鍋爐參數(shù)變化時(shí)，為了保證汽包水位一定，差壓與水位成單值函數(shù)，密度補(bǔ)償長(zhǎng)度b必須選擇合適，b值的確定是在水位為正常水位h0時(shí)求取的。因此，只有當(dāng)汽包水位為h0時(shí)，才能進(jìn)行良好的密度補(bǔ)償。

水位測(cè)量關(guān)系式：

Δp=ρcg(L-a-b)+ρwgb-

ρsg(L-a)-(ρw-ρs)g h

(4)

3煉油裝置中平衡容器的選型及應(yīng)用

蒸汽在煉油裝置中主要用于伴熱、換熱、消防、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、吹掃等方面，其重要性不言而喻。蒸汽的產(chǎn)生方式主要為高溫油品余熱回收產(chǎn)汽，產(chǎn)出的蒸汽壓力分別為1.0， 2.5， 4.2MPa，主要為中、低壓蒸汽。選用的平衡容器均為蒸汽罩式雙室平衡容器。以某煉油異地改造石油化工項(xiàng)目動(dòng)力站燃油燃?xì)忮仩t汽包為背景，介紹在煉油裝置工程安裝中平衡容器正負(fù)壓室的選擇及實(shí)際測(cè)量中液位補(bǔ)償修正的必要性。

3.1正確選擇平衡容器的正負(fù)壓室

由于蒸汽罩式雙室平衡容器從外形上很難區(qū)分正負(fù)壓引壓管，因而平衡容器和變送器連接中常出現(xiàn)引壓導(dǎo)管接反的現(xiàn)象,造成現(xiàn)場(chǎng)投送異常。探其原因,主要是安裝人員不清楚平衡容器的引壓管與差壓變送器之間的連接原理所致[5]。要理清該原理，首先要清楚在差壓液位計(jì)測(cè)量中的4個(gè)過(guò)程參數(shù)： 實(shí)際液位、差壓值、電流信號(hào)值、顯示液位。以圖3為例，分析4個(gè)參數(shù)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

當(dāng)負(fù)壓補(bǔ)償管接變送器高壓側(cè)，正壓管接變送器低壓側(cè)時(shí)：

p+=ρsg(a+c)+ρcg(L-a)

(5)

p-=ρwg h+ρsg(L-h+c)

(6)

Δp,h的計(jì)算如式(2)、式(3)所示，參數(shù)的變化如圖5所示。

當(dāng)負(fù)壓補(bǔ)償管接變送器低壓側(cè)，正壓管接變送器高壓側(cè)時(shí)：

p+=ρwgh+ρsg(L-h+c)

(7)

p-=ρsg(a+c)+ρwg(L-a)

(8)

(9)

參數(shù)的變化如圖6所示。

由圖5、圖6可知，無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)平衡容器的正負(fù)壓室連接至差壓變送器的高壓側(cè)，均可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)壓管的接法在DCS內(nèi)做相應(yīng)組態(tài)調(diào)整，從而得到液位的正確顯示。

圖5　負(fù)壓補(bǔ)償管接高壓側(cè)時(shí)的參數(shù)變化示意

圖6　負(fù)壓補(bǔ)償管接低壓側(cè)時(shí)的參數(shù)變化示意

3.2液位補(bǔ)償修正的必要性

根據(jù)式(3)、式(9)可知，影響蒸汽罩式雙室平衡容器測(cè)量精度的主要有2個(gè)參數(shù)ρw和ρs，主要通過(guò)如下兩方面影響液位的準(zhǔn)確顯示。

1) 由于飽和蒸汽的密度與飽和水的密度相比而言，其密度太小，在工程應(yīng)用中，計(jì)算所引起的誤差時(shí)，一般將飽和蒸汽密度忽略。

2) 汽包在不同工作壓力下其飽和水和飽和蒸汽的密度不同引起誤差。

對(duì)于第一種原因引起的誤差，在計(jì)算變送器量程時(shí)按實(shí)際工況將飽和蒸汽密度帶入公式計(jì)算即可。對(duì)于第二種原因引起的誤差，可通過(guò)在DCS中列出飽和蒸汽與飽和水在不同壓力下的密度值表，將工作壓力下所測(cè)的實(shí)際差壓值及查表所得的密度值帶入式(3)或式(9)計(jì)算，得出準(zhǔn)確的實(shí)際液位。

工程應(yīng)用中是否需要補(bǔ)償修正，可通過(guò)兩方面考慮，一是工藝操作及安全生產(chǎn)是否需要精度極高的數(shù)據(jù)；二是補(bǔ)償修正所需的成本及所帶來(lái)的收益是否合理。以一組工程實(shí)際數(shù)據(jù)分析補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/p>

該動(dòng)力站燃油燃?xì)忮仩t汽包液位儀表取源間距為600mm，液位量程為-300～+300mm，報(bào)警值見(jiàn)表1所列。平衡容器規(guī)格為： L=600mm； a=75mm； b=75mm；c=124mm。

表1液位報(bào)警聯(lián)鎖值

報(bào)警聯(lián)鎖名稱報(bào)警聯(lián)鎖值/mm液位低低聯(lián)鎖-150液位低低報(bào)警-100液位低報(bào)警 -75液位高報(bào)警 +75液位高高報(bào)警+100液位高高聯(lián)鎖+150

在正常工況下，其工作壓力穩(wěn)定在4.2MPa，液位測(cè)量準(zhǔn)確。在啟、停爐時(shí)，其工作壓力變化較大，會(huì)產(chǎn)生上述第二種原因引起的液位誤差。不同工作壓力下不同液位所產(chǎn)生的差壓見(jiàn)表2所列。實(shí)際工作壓力與正常工作壓力相差越大，其液位所產(chǎn)生的差壓誤差越大。

表2不同液位不同壓力下所產(chǎn)生的差壓kPa

壓力/MPa液位/mm-300-200-10001002003000 4.974.023.072.131.180.24 -0.710.44.723.822.922.021.120.23-0.671.54.513.652.791.931.070.22-0.642.54.333.502.681.851.030.21-0.623.44.193.392.591.791.000.199-0.64.24.113.332.551.760.980.196-0.59

動(dòng)力站鍋爐汽包最小實(shí)際壓力與正常工作壓力下產(chǎn)生的液位誤差見(jiàn)表3所列，可以看出，在高/低報(bào)警區(qū)域內(nèi)，液位最大誤差為52mm；在高高/低低報(bào)警區(qū)域內(nèi)液位最大誤差為55mm；

在聯(lián)鎖區(qū)域內(nèi)最大誤差在60～65mm。對(duì)于煉油裝置中主要用于伴熱、換熱、消防、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、吹掃的蒸汽，在保證蒸汽壓力恒定的前提下，其汽包內(nèi)液位可適當(dāng)波動(dòng)。誤差在工藝操作要求允許范圍內(nèi)，所以不進(jìn)行補(bǔ)償修正(不增加DCS運(yùn)算、表格檢索的時(shí)間及誤差)是完全可以滿足煉油裝置生產(chǎn)需求的。

表3液位誤差

液位/mm4.2MPa工況與0MPa工況液位誤差/mm-30089.98-20072.84-10055.70038.5610021.422004.28300-12.85

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)平衡容器的正、負(fù)壓室連接至差壓變送器的高壓側(cè)，在DCS內(nèi)做相應(yīng)組態(tài)調(diào)整，都可得到液位的正確顯示。煉油裝置內(nèi)的汽包液位補(bǔ)償僅在啟、停爐時(shí)有意義，由于啟、停爐過(guò)程時(shí)間較短且產(chǎn)生的液位誤差在允許范圍內(nèi)，所以是否需要對(duì)煉油裝置內(nèi)的汽包做液位補(bǔ)償以達(dá)到提高液位精度要求，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求而定。

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Application of Differential Pressure Liquid Level Gauge for Balance

Container in Oil Refining Equipment

Jia Xiaojun1, Hou Changjiang2

(1. Sinopec Luoyang Engineering Co. Ltd., Luoyang, 471003, China;

2. PetroChina Yunnan Petrochemical Co. Ltd., Kunming,650399, China)

Abstracts： The measurement principle and advantage/disadvantage of balance container liquid level meter is introduced with liquid level measurement of one power station oil or gas boiler as background. The structures and measurement methods of several common used balance containers are analyzed with emphasis. The necessity of balance container selection and liquid level compensation correction for oil refining equipment are discussed. It is concluded right liquid level can be displayed with relative configuration adjustment in DCS no matter positive or negative pressure chamber of on-site balance container is connected to high pressure side of differential pressure transmitter. Liquid level compensation for steam drum in oil refining equipment is only helpful during boiler start-up and shut-down. Production requirement can be completely met without compensation correction since time is short during start-up and shut-down and liquid level error generated falls into acceptable range of process operation requirement.

Key words：balance container; positive and negative pressure chamber; liquid level compensation

中圖分類號(hào)：TK223.7+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0017-04

作者簡(jiǎn)介：賈曉軍(1982—)，男，2009年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化洛陽(yáng)工程有限公司，主要從事煉油裝置的儀表設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-08-27。