秦雅君
(中國(guó)天辰化學(xué)工程有限公司,天津 300400)
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化工裝置鍋爐汽包液位儀表選型與計(jì)算
秦雅君
(中國(guó)天辰化學(xué)工程有限公司,天津 300400)
摘要:化工裝置中廢熱鍋爐的主要作用為利用反應(yīng)產(chǎn)生的熱量產(chǎn)生水蒸氣,起到節(jié)約能源的效果。主要介紹了汽包液位儀表的選型以及液位補(bǔ)償?shù)扔?jì)算方法,針對(duì)汽包液位的控制提出了一些參考。在托普索工藝包中建議采用普通導(dǎo)壓管連接的差壓液位變送器,計(jì)算時(shí)通過密度補(bǔ)償減少測(cè)量值誤差,但考慮到伴熱及可能出現(xiàn)的液位波動(dòng)等問題,在某項(xiàng)目設(shè)計(jì)中創(chuàng)新使用連通器與雙法蘭組合測(cè)量汽包液位,同時(shí)結(jié)合密度補(bǔ)償公式進(jìn)行計(jì)算,既減少了伴熱工作量,又可以通過連通器穩(wěn)定液位。該項(xiàng)目已投入運(yùn)行,使用效果良好。
關(guān)鍵詞:汽包液位差壓測(cè)量雙室平衡容器密度補(bǔ)償連通器
1生產(chǎn)背景
在化工生產(chǎn)中有許多產(chǎn)能反應(yīng),如加氫反應(yīng)會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生,如何有效利用這些熱量,節(jié)約能源并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益[1],是化工領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。廢熱鍋爐就是利用這些熱量并根據(jù)不同的熱量等級(jí)產(chǎn)生不同壓力等級(jí)的蒸汽,以供公用工程或后續(xù)工段使用的典型設(shè)備[2-3]。由此,汽包水位的高低直接影響鍋爐的運(yùn)行是否安全: 水位過高,會(huì)使蒸汽量增加,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)滿水、過水事故;如果水位過低,會(huì)導(dǎo)致鍋爐缺水事故,需緊急停爐,若處理不當(dāng),在嚴(yán)重缺水時(shí)大量進(jìn)水,就會(huì)出現(xiàn)汽鍋爆炸事故。因此,汽包水位測(cè)量在保證安全生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用,鍋爐汽包流程如圖1所示。
圖1 鍋爐汽包流程簡(jiǎn)要示意注: A2,A3——鍋爐進(jìn)水口;B2,B3——鍋爐蒸汽出口;LT——汽包液位變送器
廢熱鍋爐與汽包之間是動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系,汽包是一個(gè)汽液兩相并存的空間,是具有自平衡能力的被控對(duì)象。鍋爐給水在汽包內(nèi)部不斷汽化沸騰,使得氣相和液相交接面形成水汽混合物的劇烈沸騰狀態(tài),即虛假液位[4],汽包液位測(cè)量的難點(diǎn)也正在于此。為了解決運(yùn)行中汽包存在虛假水位導(dǎo)致直接測(cè)量不準(zhǔn)確的問題,以下闡述兩種在工程領(lǐng)域使用的液位計(jì)測(cè)量方法,供參考、比較。
2雙室平衡容器測(cè)量與計(jì)算
2.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
雙室平衡容器自身的結(jié)構(gòu)具有一定自我補(bǔ)償能力,如圖2所示。在基準(zhǔn)杯的上方有1個(gè)圓環(huán)形漏斗,此結(jié)構(gòu)將整個(gè)容器分成兩部分,故稱雙室平衡容器。根據(jù)功能特點(diǎn)命名各部分為凝氣室、基準(zhǔn)杯、溢流室和連通器。
1) 凝氣室和基準(zhǔn)杯的功能是將飽和蒸汽部分的壓力穩(wěn)定下來并導(dǎo)向變送器的正壓端?;鶞?zhǔn)杯的容積是固定的,所以當(dāng)冷凝水充滿基準(zhǔn)杯后,便如同冷凝罐原理,蒸汽與冷凝水有一個(gè)相對(duì)平衡的轉(zhuǎn)換,此時(shí)基準(zhǔn)杯所傳導(dǎo)的壓力就是汽包上方飽和蒸汽的壓力且壓力可穩(wěn)定傳導(dǎo)。
2) 連通器的設(shè)計(jì)旨在傳導(dǎo)汽包中液態(tài)部分介質(zhì)壓力,同時(shí)也保證此段導(dǎo)壓管為流通狀態(tài),防止冬季結(jié)冰。
3) 溢流室的作用是進(jìn)行熱傳導(dǎo),確保雙室平衡容器與汽包溫度一致。由于下降管的作用,溢流室存液是極為少量的。
圖2 雙室平衡容器結(jié)構(gòu)示意
2.2公式計(jì)算
計(jì)算原理基于靜壓式液位計(jì)的計(jì)算[2]:
(1)
式中:p+,p-——壓力變送器正、負(fù)端壓力;pS——基準(zhǔn)杯口以上所有靜壓力;ρL——汽包飽和水密度;ρS——汽包飽和蒸汽密度;ρ0——冷凝液在環(huán)境溫度下的密度;H——基準(zhǔn)杯口距下法蘭中心距離;L——基準(zhǔn)杯口與正壓端水平管中心距離;h——汽包實(shí)際液位高度。
根據(jù)雙室平衡容器的結(jié)構(gòu),平衡容器內(nèi)部環(huán)境與汽包環(huán)境一致,所以凝氣室內(nèi)的飽和蒸汽密度與汽包內(nèi)的飽和蒸汽密度一致,連通器內(nèi)部的飽和水密度、正壓端L型管豎直部分的凝結(jié)水密度均與汽包內(nèi)飽和水密度一致。由此可知,影響液位計(jì)算的外界條件只有環(huán)境溫度下冷凝水的密度,此值會(huì)隨著季節(jié)而發(fā)生變化,可以參照表1,得出在0~40 ℃,由此影響的壓力值小于差壓值的0.7%,是可以接受的誤差范圍。由于實(shí)際的保溫措施,這個(gè)值還會(huì)更小。
表1 水密度對(duì)照
3差壓液位計(jì)的測(cè)量與計(jì)算
3.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
此方法基于托普索工藝包,通過對(duì)密度進(jìn)行補(bǔ)償,計(jì)算出被測(cè)值。連接形式同常規(guī)差壓液位變送器。
3.2公式計(jì)算
差壓液位計(jì)算公式:
(2)
式中:p——上法蘭口以上靜壓力。
經(jīng)過變換得出:
(3)
從式(3)可以看出,影響液位是被控對(duì)象的密度值,ρ0的變化在雙室平衡容器中已經(jīng)論述,特別是在有儀表伴熱保溫的情況下,可以認(rèn)為是恒定值,根據(jù)安裝地點(diǎn)設(shè)定為默認(rèn)值,如1 000 kg/m3。然而汽包內(nèi)部的壓力和溫度變化對(duì)飽和蒸汽和鍋爐給水的密度造成很大的影響,飽和蒸汽密度ρS和飽和水密度ρL作為此運(yùn)算中需要補(bǔ)償和整定的2個(gè)參數(shù)。這里所說的汽包內(nèi)部壓力的數(shù)值來源于設(shè)置在設(shè)備上的壓力變送器。根據(jù)密度與壓力的關(guān)系,通過建模擬合出曲線如圖3、圖4所示,計(jì)算公式(托普索工藝包提供)如下:
ρS=0.009p2+0.457 6p+0.890 7
(4)
(5)
圖3 汽包內(nèi)飽和蒸汽密度曲線
圖4 汽包內(nèi)飽和水密度曲線
3.3實(shí)際應(yīng)用
在某項(xiàng)目中,甲烷化工段使用的是托普索的工藝包,在甲烷化爐下游有一套廢熱鍋爐系統(tǒng),工況條件見表2所列。
表2 廢熱鍋爐汽包工況條件
根據(jù)表2,考慮設(shè)計(jì)整體的接口尺寸一致性,建議將差壓變送器改為連通器與雙法蘭差壓液位計(jì)組合使用,經(jīng)與工藝包商溝通,同意做此修改,計(jì)算公式如下:
(6)
式中:ρ——毛細(xì)管中硅油的密度。
其中硅油的選擇要考慮到溫度的影響,在此工況的設(shè)計(jì)中,采用D.C.704硅油,適用溫度范圍是0~315 ℃。
此結(jié)構(gòu)形式中,連通器起到了穩(wěn)定液位的作用,雙法蘭差壓變送器用硅油的密度代替了導(dǎo)壓管液體的密度,減小了密度變化的影響,同時(shí)也節(jié)省了伴熱的工作量。目前該工段已開車并出成品,液位顯示平穩(wěn)。
4結(jié)束語(yǔ)
綜合以上兩種方法,一種采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方式,計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單,但是對(duì)設(shè)備和儀表的維護(hù)量較大,儀表本身結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,但由于是將鍋爐里面動(dòng)態(tài)的被控對(duì)象穩(wěn)定后測(cè)量,對(duì)儀表本身的測(cè)量環(huán)境改善了很多;另一種采用軟件補(bǔ)償方式,通過建模擬合曲線來達(dá)到補(bǔ)償目的,可控性強(qiáng),此方法對(duì)于儀表本身來說相對(duì)簡(jiǎn)單,安裝方便,但由于是通過建模與經(jīng)驗(yàn)值得出的修正因子,也會(huì)存在一定的誤差,因而兩種方法在應(yīng)用中各有千秋,在實(shí)際生產(chǎn)中也都有成功應(yīng)用案例。某項(xiàng)目中將兩個(gè)方法進(jìn)行了一次優(yōu)化組合,實(shí)踐表明,使用效果也是理想的。
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中圖分類號(hào):TQ056.1+4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
文章編號(hào):1007-7324(2016)01-0071-03
作者簡(jiǎn)介:秦雅君(1983—),女,2009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(guó)天辰工程有限公司,從事儀表專業(yè)設(shè)計(jì)工作。
稿件收到日期: 2015-08-28,修改稿收到日期: 2015-12-10。