仪表辅助容器在蒸汽参数测量中的应用

宋雷，刘勇，李胜利

(中国石油天然气华东勘察设计研究院，青岛 山东 266071)

仪表辅助容器在蒸汽参数测量中的应用

宋雷，刘勇，李胜利

(中国石油天然气华东勘察设计研究院，青岛 山东 266071)

从蒸汽流量、汽包液位的测量入手，着重分析了两种冷凝容器、两种双室平衡容器的特点及适用场合。在比较两种冷凝容器时，列出了相应的计算公式并利用Matlab软件得出的曲线，比较不同结构的冷凝容器的抗干扰能力，供设计人员参考；在比较两种双室平衡容器时，结合不同结构的汽包设备，提出不同结构双室平衡容器的优化选择方案。

蒸汽 仪表辅助容器 规格要求 安装方案

炼油装置中所需要的蒸汽，一部分来自于蒸汽管网，另一部分来自炼油装置(如常减压、催化裂化)在自身的工艺流程过程中产生的蒸汽。上述两种场合下，工艺和热工专业人员均要求仪表专业人员对管网中的蒸汽流量、工艺过程中的汽包液位进行测量，并将测量结果作为计量、控制的输入数据。本文重点讨论当蒸汽流量测量采用节流装置和汽包液位测量选择双室平衡容器时，常用的几种仪表辅助容器的比较和选择。

1 测量蒸汽流量时冷凝容器的比较和选择

测量蒸汽流量时，在测量元件选用孔板的情况下，为了保护变送器的膜盒和缓冲蒸汽的波动，一般在孔板和变送器之间加装蒸汽冷凝容器。图1所示是常见的两种冷凝容器，其底部半径、容器高度均一致，但冷凝水加注口的位置不同。

在《自控安装图册》中，安装图给出的冷凝容器应为图1a)所示的安装形式，但在具体工程实施时，图1b)所示的安装形式更为常见。从外形上看，其更像一个隔离容器，在实际订货中也发现供货商习惯通过取消隔离容器一侧的接口而直接作为冷凝容器供货。

在施工阶段，冷凝水加注口需置于最高点，所以图1a)所示的冷凝容器与水平安装的形式对应；图1b)所示的冷凝容器与竖直安装的形式对应。对于冷凝容器的安装形式，《自控安装图册》要求其水平安装，以提高抗干扰、波动的能力，但无具体的比较值。笔者针对两种安装形式进行定量计算、比较。

所谓蒸汽的波动，一般有两种情况： 当蒸汽的压力或温度突然上升时，冷凝容器内的平衡会被打破，该波动会带走一部分冷凝水；当蒸汽的压力或温度突然下降时，冷凝容器内的平衡也会被打破，该波动会增加一部分冷凝水。这两种情况均会带来冷凝容器内液位的变化，在具体计算时，首先认为蒸汽波动是一个能量的概念，其给水平安装和竖直安装的冷凝容器带来的冷凝水体积变化是相等的，即一个相同工况的波动“带走”和“增加”的冷凝水体积是相同的，在该前提下，定量计算两种安装形式的液位差值。

冷凝容器水平安装、竖直安装的形式如图2所示，当容器内的蒸汽和冷凝水达到平衡时，冷凝水的液面和蒸汽接口平齐，当遇到波动时，液面在此基础上下降或上升。

a) 开口形式(一)

b) 开口形式 (二)

a) 水平安装

b) 竖直安装

图2a)是典型的冷凝容器尺寸图，蒸汽接口上侧为蒸汽，下侧为冷凝水，且冷凝水界面和取压口平齐。假如蒸汽接口位于圆心，当冷凝水液位因受干扰向下波动时，下降的液位高度h1(忽略设备壁厚)为

h1=Rcos [π×(θ/180)]

(1)

式中：R——底面半径，一般为50mm；θ——夹角(见图2a)的标注)，取角度值，变化范围0～90°。

如果将冷凝容器竖直安装，如前所述，将波动视为能量的概念，其带走冷凝水的等量体积V在竖直安装的冷凝容器中产生的液位变化h2为

h2=V/S′

(2)

式中：V——冷凝器水平安装时冷凝水下降的总体积，V=SH(S——图2a)中阴影部分的底面积，S=[Rcos(πθ/180)]×[Rsin(πθ/180)]+2×[(90-θ)×(πR2/360)]；H——冷凝容器的高度)；S′——冷凝容器竖直安装时的底面积，S′=πR2。

采用节流装置进行蒸汽流量测量时，上述液位波动(h1，h2)产生的静压会影响最终的流量数值，所以h1，h2的数值越小越好。

水平与竖直两种安装方式的液位变化差值Δh=h2-h1。

用Matlab软件绘制当θ值自0～90°变化时，Δh变化的曲线如图3所示。

a) H=100mm

b) H=150mm

c) H=200mm

由图3可以看出，Δh的数值始终为正值，所以同一波动下，冷凝容器竖直安装的液位变化始终大于水平安装的变化，液位高度变化的静压最终反映在流量数值上。因此，同一规格的冷凝容器水平安装的方式显然优于竖直安装的形式，且随着波动越大，竖直安装方式的低抗干扰能力表现越明显。冷凝容器高度越小，其水平安装的优势越弱；反之，水平安装的优势越明显。随着高度的降低，其曲线的驻点(即切线斜率为零的点)越提前，因而不应选择高度较小的冷凝容器。

为了保证冷凝容器的使用效果、提高其抗干扰能力，设计阶段应选择文中图1a)所示结构的冷凝容器，施工阶段应采用水平安装的形式，并且要求冷凝容器的高度不能低于150mm。

2 测量汽包液位时双室平衡容器的比较和选择

分析不同结构的双室平衡容器首先需注意平衡容器所在的汽包结构，炼油装置工艺过程中产生蒸汽的汽包最常见的有两种，如图4和图5所示。

图4 汽包形式(一)

图5 汽包形式(二)

图4所示的形式为蒸汽发生器、产汽汽包一体化的组合方式，这种结构的汽包以催化裂化装置中的油浆发生器最为典型，由于进、出口简单，文中以结构图的形式给出；图5所示的形式为蒸汽发生器、产汽汽包分开设置的模式，之间用下降管、上升管相连。该结构的汽包较图4所示形式更为常见，比如常减压装置中的常二中蒸汽发生器、制氢装置的转化炉过热段蒸汽发生器、硫磺装置的燃烧炉废热回收器、焚烧炉废热回收器等。该形式的汽包进出口较多，文中以图5所示的形式给出。

采用差压原理测量汽包液位时，差压数值从辅助容器内测得，而液位计算时密度值直接引用了汽包内水、蒸汽的数值，故汽包液位测量的关键是保证水、蒸汽从汽包引至辅助容器后的密度近似不变。采用双室平衡容器的目的就是将正、负取压端引入一个筒体内，采用倒T型架的形式与汽包连通，故其可保证双室平衡容器内的压力、温度与汽包内近似一致，对于水来讲，同温同压下密度相同，所以最终也就保证了汽包液位测量的准确性。

双室平衡容器的选用，一般有如下两种结构，如图6和图7所示，两种平衡容器公式的计算方式、安装要求均有不同。

图6 双室平衡容器结构示意(一)

图7 双室平衡容器结构示意(二)

图6和图7中，设蒸汽的密度为ρS，汽包水的密度为ρW，接变送器的导压管内常温水的密度为ρC，汽包液位为H，图6中平衡容器的测量范围为L，图7中基准杯顶部到正端导压管的距离为H1，基准杯顶部到负端导压管的距离为H2。

由图6所示的结构可以看出，此种结构的平衡容器工作时倒“T”型的连通管下部为汽包水，上部为蒸汽，连通管内水的高度也为汽包内液位的实际高度，容器筒内为蒸汽冷凝水，高度与负取压口平齐。该结构下的差压计算公式为Δp=ρWgH+ρSg(L-H)，当ρS远小于ρW时(如低压饱和蒸汽)，在精度要求不高的情况下公式可简化为Δp=ρWgH，该结构的迁移量为ρWgL。

图7所示的双室平衡容器，其基准杯上的漏斗将筒体分成了两个室： 凝汽室和溢流室，两室分离并通过倒“T”型架与汽包连通。在工作时饱和蒸汽经上取压管进入凝汽室，凝结成饱和水后进入基准杯，当基准杯内的饱和水盛满后溢出到溢流室后，经容器底部开口流进汽包内下降管。该结构下的差压计算公式为Δp=ρWg(H-H2)+ρSg(H1-H)，当ρS远小于ρW时(如低压饱和蒸汽)，在精度要求不高的情况下计算公式可简化为Δp=ρWg(H-H2)。这种结构下其迁移量为ρCg(H1-H2)。

当热工专业人员选用图4所示的汽包时，由于其外部无下降管，可以选择图6所示形式的平衡容器；当选用图5所示的汽包时，可以从图6和图7所示的两种平衡容器中选择一种使用。但从图6和图7所示的结构可以看出，图7中平衡容器的结构优于图6的，其优势在于使筒体内的温度更接近于汽包内的温度。图6所示结构中，平衡容器仅通过倒“T”型架与汽包进行了单连通，筒内负取压口以下全部为饱和水，通过取压管与汽包内饱和蒸汽连通的方式进行吸热，从而维持容器内温度，由于筒内的饱和水不流动，因而克服容器内温度的变化能力存在滞后。图7的结构中，平衡容器与汽包采用双连通的形式，即正、负取压口通过倒“T”型架与汽包进行小连通，同时平衡容器又通过负取压口、下降管接口与汽包进行大连通。筒内溢流室中汽包液位以上为蒸汽，以下为冷凝水，当从基准杯中流出的冷凝水使溢流室内冷凝水液位高出汽包液位时，该部分冷凝水会迅速流进汽包的下降管中，该流动方式使平衡容器克服温度变化的能力加强，容器内的温度较图6所示形式更接近汽包内的温度，因而其筒内水、蒸汽的密度与汽包内的参数更接近。

在设计阶段如果选用双室平衡容器来测量汽包液位，当汽包形式选用图5形式时，建议选用图7所示结构的平衡容器。同时，与热工专业人员沟通，将容器筒体底部的排液管嘴与介质速度最快的下降管连接，使溢出和凝结后的饱和水及时排出，同时增设截止阀，通过调节阀门开度防止筒内抽空。在现场施工过程中，需注意两点： 为了防止导压管内水的温度过高或汽化，导压管的伴热应尽量采用热水伴热，如果采用蒸汽伴热，则需对伴热管和导压管进行隔离；为了使变送器正负取压室内水的密度接近常温水，建议变送器距离平衡容器导压管嘴的距离不应小于1000mm。

3 结束语

蒸汽流量、汽包液位的测量在《自控安装图册》和相关资料中均有论述。文中结合工艺设备的形式，采用定量计算的方法，辅以软件的仿真曲线，详细阐述了如何优化选择不同结构的冷凝容器和双室平衡容器用于蒸汽量和汽包液位测量，供炼油装置自控设计人员、仪表维护人员、施工人员借鉴。

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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，毕业于北京化工大学自动化专业，现就职于中国石油天然气华东勘察设计研究院电控室，从事仪表及自控设计工作，任工程师。

TH816

B

1007-7324(2013)03-0026-04