［摘 要］在煉油裝置中，為確保鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要加強(qiáng)對(duì)汽包液位的測(cè)量和控制及保護(hù)，以保證煉油裝置可安全生產(chǎn)。這就需要采取有效方式對(duì)鍋爐汽包液位進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，避免發(fā)生液位超限情況?；诖耍恼路治隽穗娙菀何挥?jì)、平衡容器式差壓液位計(jì)在鍋爐汽包液位測(cè)量中的具體應(yīng)用，以確保煉油裝置可正常發(fā)揮作用。

［關(guān)鍵詞］煉油裝置；鍋爐汽包；液位測(cè)量；結(jié)構(gòu)；測(cè)量原理；具體應(yīng)用

［中圖分類號(hào)］TE96 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）03–0036–03

1 電容液位計(jì)及其應(yīng)用

1.1 電容液位計(jì)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原理

物體之間的電容量會(huì)受到其結(jié)構(gòu)參數(shù)的直接影響，所以調(diào)整物性參數(shù)，會(huì)改變物體之間的電容量，通過此種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐汽包液位的測(cè)量。

電容液位計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)圖1 中電容液位計(jì)基本結(jié)構(gòu)可知，不銹鋼棒是其中一個(gè)電極，另一個(gè)電極則是被測(cè)導(dǎo)電液體，不銹鋼棒與被測(cè)導(dǎo)電液體之間為絕緣材料。如果被測(cè)液體液位發(fā)生改變，則電容中一個(gè)極板面積會(huì)隨之改變，由此引發(fā)整個(gè)電容量發(fā)生改變。

可結(jié)合如下電容公式計(jì)算出液位計(jì)測(cè)量后得到的初始電容量。

C0=2πε0L/ln（R/r）

式中，R為容器內(nèi)部半徑，r為不銹鋼棒半徑，C0為電容量，L為容器中可測(cè)量的液位高度，ε0為容器內(nèi)氣體及絕緣材料的介電常數(shù)。

若電容液位計(jì)內(nèi)液位發(fā)生改變，假設(shè)高度為H，借助傳感器對(duì)其電容量CH 進(jìn)行測(cè)量，可按照如下公式計(jì)算電容值[1]。

CH=2πε0（L－H）/ln（R/r）+2πεH/ln（D/2r）

1.2 電容液位計(jì)的具體應(yīng)用

由上文分析的電容液位計(jì)測(cè)量原理可知，若想保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確有效，必須確保液位計(jì)本體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也要保證尺寸參數(shù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。鍋爐汽包內(nèi)部的介質(zhì)是飽和水、飽和水蒸氣，二者的介電常數(shù)并非恒定不變，明顯不符合電容液位計(jì)測(cè)量使用要求，為此，需要采取有效措施解決這一問題?？蓪⒕邆渥詣?dòng)補(bǔ)償功能的三段式探頭作為電容液位計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，這種三段探頭必須保證金屬棒電極半徑、容器內(nèi)部半徑、絕緣介質(zhì)直徑等結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)一致性，只有這樣才能使得同一被測(cè)介質(zhì)，在同一條件下獲得相同的電容值測(cè)量結(jié)果。無論是飽和水還是飽和水蒸汽的介電常數(shù)，若二者發(fā)生變化，必然會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果，為此，可為其配置同一的電容測(cè)量探頭、相關(guān)變送單元，確保電測(cè)指標(biāo)一致性，使得精度相同，這樣，在高位探頭作用下可消除飽和蒸汽的不良影響，同時(shí)借助低位探頭的測(cè)量值，能消除飽和水引發(fā)的影響[2]。

總之，電容液位計(jì)可準(zhǔn)確有效地測(cè)量煉油裝置中鍋爐汽包液位情況，實(shí)現(xiàn)在全工況條件準(zhǔn)確有效的液位測(cè)量。在以往的鍋爐啟動(dòng)環(huán)節(jié)中，主要以平衡容器式差壓液位計(jì)為主，但按照此種方式，替換成電容液位計(jì)，同樣可達(dá)到預(yù)期的效果。從電容液位計(jì)實(shí)際應(yīng)用情況看，由于其采用的是全程補(bǔ)償方式，即便是受到壓力變化的影響，處理汽包溫度過程中，也不會(huì)出現(xiàn)額外的誤差。雖然電容液位計(jì)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯，但綜合來看，電容液位計(jì)的應(yīng)用成本相對(duì)較高，出于經(jīng)濟(jì)效益考慮，企業(yè)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，建議多方面考量、評(píng)估，并結(jié)合項(xiàng)目地環(huán)境氣候以及溫度變化、工作人員運(yùn)維能力等多方面情況，權(quán)衡利弊后合理選用，確保鍋爐汽包液位測(cè)量方案科學(xué)、合理、有效且經(jīng)濟(jì)。

2 平衡容器式差壓液位計(jì)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

2.1 雙室平衡容器式差壓液位計(jì)

雙室平衡容器式差液位計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。從圖2 可知，飽和水側(cè)（內(nèi)管）主要設(shè)置在平衡容器內(nèi)。從整體看，凝結(jié)水主要存在平衡容器內(nèi)，而飽和水存在于汽包內(nèi)，兩者的溫度相差不大，所以當(dāng)環(huán)境溫度變化后，凝結(jié)水密度變化不大，所以雙室平衡容器式差壓液位計(jì)測(cè)量得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確、有效[3]。由圖2 雙室平衡容器式差壓液位計(jì)的結(jié)構(gòu)可知，差壓變送器測(cè)量差壓和液位之間的關(guān)系可反映為：Δp=（H －L+L1）ρw g+（L － H）ρs g － L1 ρ0 g。式中，Δp 為差壓；L1 為平衡容器負(fù)壓管接口到水側(cè)取樣管之間的距離；ρ0 為凝結(jié)水密度，kg/m3。

使用該液位計(jì)對(duì)汽包液位進(jìn)行測(cè)量過程中，若設(shè)定凝結(jié)水和飽和水二者的密度相同。但從儀表顯示看，平衡容器無論是內(nèi)部管還是外部管，其液體均處于靜止?fàn)顟B(tài)，再加上平衡容器本身一直在向外散發(fā)熱量，如果其中一些裝置現(xiàn)場(chǎng)保溫情況沒有達(dá)到預(yù)期，會(huì)直接影響凝氣室與汽包內(nèi)兩種不同水的溫度，由此形成較大溫差，最終導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，而且環(huán)境溫度變化仍會(huì)影響到液位計(jì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

2.2 單室平衡容器式差壓液位計(jì)

與雙室平衡容器式差壓液位計(jì)結(jié)構(gòu)相比，單室液位計(jì)相對(duì)更加簡(jiǎn)單，在實(shí)際安裝過程中方便易行。通過觀察單室平衡容器式差壓液位計(jì)，可運(yùn)用公式：Δp=（ρw － ρs）Hg －（ρc － ρs）L，表示差壓變送器測(cè)量壓力差與液位之間的關(guān)系。式中，Δp 為差壓；ρw、ρs、ρc 分別為汽包內(nèi)飽和水密度、汽包內(nèi)飽和蒸汽密度、單室平衡容器內(nèi)凝結(jié)水密度，kg/m3 ；g 為重力加速度，m/s2 ；L、H 分別為液包差壓變送器正負(fù)壓側(cè)取源間距、汽包液位，m。

分析可知，Δp 與H 呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，會(huì)受到ρw、ρs、ρc 準(zhǔn)確性的直接影響，由于單室差壓液位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中其凝氣室一直為散熱狀態(tài)，使得凝結(jié)水溫度自上而下地降低，并且無法明確具體的溫度分布情況，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確性，工作人員在應(yīng)用中，只能根據(jù)過往操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)定ρc 為固定值，這也就意味著ρc 容易存在人為主觀因素的影響，造成設(shè)定值和實(shí)際數(shù)值之間存在明顯差異，進(jìn)而影響到測(cè)量值準(zhǔn)確性。以我國(guó)江浙一帶地區(qū)為例，尤其是在北部地區(qū)，夏季和冬季的環(huán)境溫度差能達(dá)到30℃，若是實(shí)際測(cè)量中僅使用ρc，會(huì)直接影響到水位測(cè)量值，與實(shí)際可能達(dá)到40～80mm 差距。

2.3 帶蒸汽罩的改進(jìn)型雙室平衡容器式差壓液位計(jì)

由上文分析可知，以往傳統(tǒng)雙室平衡容器式差壓液位計(jì)在實(shí)際測(cè)量過程中，容易出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)偏差問題。為了改善這一問題，進(jìn)一步提高測(cè)量精度，在原有液位計(jì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，衍生出帶蒸汽罩的改進(jìn)型雙室平衡容器式差壓液位計(jì)。改進(jìn)后的液位計(jì)，主要增加了蒸汽罩、凝結(jié)水回水管，通過這兩部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽與凝結(jié)水的持續(xù)性、循環(huán)性流動(dòng)。借助飽和蒸汽不斷冷凝散發(fā)出來的熱量，確保平衡容器內(nèi)部溫度與汽包溫度相同。

此外，這種改建后的液位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于將平衡容器中的凝結(jié)水側(cè)引壓管的引出點(diǎn)，設(shè)計(jì)在了平衡容器下面，使得正負(fù)引壓管位置相同，可有效避免環(huán)境溫度對(duì)凝結(jié)水密度的不良影響，這種情況下，可很好的避免出現(xiàn)ρ0 變化而影響到測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。公式Δp=g（ρw － ρs）（H － L）可用于表示差壓變送器測(cè)量差壓和液位間的關(guān)系。

深入分析該公式可知，只有保證ρw 飽和水密度和ρs 飽和蒸汽密度二者精準(zhǔn)、穩(wěn)定，才能使得H 和Δp 形成差壓線性關(guān)系。而深入了解一些煉油裝置實(shí)際運(yùn)行可知，當(dāng)余熱鍋爐出現(xiàn)100kg 的高溫高壓過熱蒸汽時(shí)，并且保證整個(gè)操作規(guī)范有效，此時(shí)鍋爐汽包內(nèi)壓力，會(huì)直接受到蒸汽用量、鍋爐負(fù)荷、燃燒實(shí)際情況的影響，使得汽包內(nèi)飽和水ρw、飽和蒸汽ρs 二者的密度發(fā)生改變，不能保持穩(wěn)定性。對(duì)此，必須采取措施有效解決，避免發(fā)生密度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的不良影響，建議引入汽包壓力值，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的密度補(bǔ)償計(jì)算。

2.4 實(shí)際應(yīng)用

煉油裝置蒸氣系統(tǒng)采用帶蒸汽罩的改進(jìn)型雙室平衡容器式差壓液位計(jì)測(cè)量汽包液位，并結(jié)合密度補(bǔ)償公式，可有效避免上述發(fā)生的液位測(cè)量結(jié)果差異問題，在很大程度上增強(qiáng)了測(cè)量準(zhǔn)確性，提高了測(cè)量精度。而且采用平衡容器和差壓變送器融合應(yīng)用的方式，可為煉油企業(yè)減少生產(chǎn)成本，徹底消除鍋爐汽包內(nèi)出現(xiàn)“虛假水位”的情況，可見，平衡容器式差壓液位計(jì)的使用，表現(xiàn)出較多優(yōu)勢(shì)。

3 平衡容器式差壓液位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題和解決措施

3.1 系統(tǒng)性誤差問題

（1）在使用雙室平衡容器式差壓液位計(jì)測(cè)量汽包液位過程中，必須做好外部的保溫工作。主要是因?yàn)槟龤馐覂?nèi)飽和蒸汽溫度明顯大于環(huán)境溫度，甚至一些條件下的溫差超過300℃，會(huì)造成平衡容器凝氣室熱輻射能力巨大，若沒有做好保溫措施，會(huì)散失大量熱量。此種情況下，平衡容器與汽包內(nèi)的溫度出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，最終出現(xiàn)汽包液位測(cè)量誤差。

（2）分析鍋爐啟動(dòng)升壓整個(gè)過程可知，平衡容器在測(cè)量汽包液位前，需要先建立液位零點(diǎn)，這一工程中需要待蒸汽冷凝后出現(xiàn)凝結(jié)水，而后將其注滿負(fù)壓側(cè)參比水柱，進(jìn)而獲得液位零點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，需要結(jié)合鍋爐實(shí)際工況參數(shù)，保證達(dá)到要求的壓力條件，而后再操作差壓液位測(cè)量管路排污閥，也要測(cè)量汽、水側(cè)一次取樣閥。按照此種操作方法才能保證平衡容器與汽包內(nèi)的溫度接近，最大程度上減少測(cè)量誤差。

（3）嚴(yán)格意義上講，煉油裝置鍋爐汽包屬于高壓設(shè)備，而且用于汽包液位儀表測(cè)量的管路主要以焊接方式為主，可從儀表測(cè)量管路看，其中涉及較多閥門、管件等部件，若是采用焊接方式會(huì)出現(xiàn)大量的連接點(diǎn)，且若是長(zhǎng)時(shí)間處于高壓環(huán)境中工作，極易出現(xiàn)閥門組、測(cè)量管路泄漏的問題。若是泄漏問題發(fā)生在參比水柱側(cè)閥門上，必然會(huì)造成大量凝結(jié)水流失，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)因故障而無法正常發(fā)揮作用。

3.2 對(duì)策

在實(shí)際應(yīng)用平衡容器式差壓液位計(jì)測(cè)量汽包液位過程中，可能出現(xiàn)系統(tǒng)性誤差，影響到汽包實(shí)際測(cè)量精準(zhǔn)性，簡(jiǎn)單說，就是因?yàn)橥粭l件變化，如環(huán)境溫度改變、汽包壓力大幅度波動(dòng)、保溫伴熱失效等因素，造成測(cè)量原理相同的多個(gè)儀表同時(shí)出現(xiàn)測(cè)量誤差，誤差情況有所不同，此種情況下，會(huì)直接造成多個(gè)儀表失效。究其原因，主要是因?yàn)榘踩?lián)鎖回路設(shè)計(jì)邏輯不正確，直接降低了聯(lián)鎖回路安全性、完整性。

在煉油行業(yè)中，鍋爐汽包液位作為影響煉油裝置鍋爐是否平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響著生產(chǎn)裝置的安全。我國(guó)也出臺(tái)了相關(guān)文件進(jìn)行了規(guī)范和統(tǒng)一：①在設(shè)置鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，建議引用兩種或超過兩種的工作原理共存的方式進(jìn)行科學(xué)配置。②在配置鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，建議采取“3+2”，或者“6+1”的方式進(jìn)行配置，具體指3 套差壓式汽包水位計(jì)測(cè)量裝置+2 套電極式汽包水位測(cè)量裝置，或者六6 套差壓式汽包水位計(jì)測(cè)量裝置+1 套電極式汽包水位測(cè)量裝置。此種配置方式，在后續(xù)測(cè)量操作過程中，工作人員可參考不同原理儀表獲取到的測(cè)量結(jié)果，并進(jìn)行合理對(duì)比，以此防止同類儀表誤差相同的情況。

4 結(jié)束語

通過對(duì)電容液位計(jì)、平衡容器式差壓液位計(jì)的結(jié)構(gòu)以及實(shí)際應(yīng)用情況的分析和探討發(fā)現(xiàn)，為確保使用的液位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量結(jié)果誤差最小，必須做好平衡容器式差壓液位計(jì)的保溫工作，提高液位測(cè)量精準(zhǔn)性。此外，建議在工程項(xiàng)目中運(yùn)用兩種及以上的工作原理相近的液位儀表進(jìn)行測(cè)量，有效防止一種儀表測(cè)量結(jié)果誤差過大而導(dǎo)致汽包測(cè)量不準(zhǔn)確的情況。文章分析的兩種液位計(jì)，可搭配使用，以此提高煉油裝置鍋爐汽包液位測(cè)量有效性、精準(zhǔn)性。

參考文獻(xiàn)

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