化工装置锅炉汽包液位仪表选型与计算

2016-04-27秦雅君

石油化工自动化 2016年1期

关键词：双室汽包变送器

秦雅君

(中国天辰化学工程有限公司，天津 300400)

化工装置锅炉汽包液位仪表选型与计算

秦雅君

(中国天辰化学工程有限公司，天津 300400)

摘要：化工装置中废热锅炉的主要作用为利用反应产生的热量产生水蒸气，起到节约能源的效果。主要介绍了汽包液位仪表的选型以及液位补偿等计算方法，针对汽包液位的控制提出了一些参考。在托普索工艺包中建议采用普通导压管连接的差压液位变送器，计算时通过密度补偿减少测量值误差，但考虑到伴热及可能出现的液位波动等问题，在某项目设计中创新使用连通器与双法兰组合测量汽包液位，同时结合密度补偿公式进行计算，既减少了伴热工作量，又可以通过连通器稳定液位。该项目已投入运行，使用效果良好。

关键词：汽包液位差压测量双室平衡容器密度补偿连通器

1生产背景

在化工生产中有许多产能反应，如加氢反应会有大量的热量产生，如何有效利用这些热量，节约能源并产生经济效益[1]，是化工领域的一个重要课题。废热锅炉就是利用这些热量并根据不同的热量等级产生不同压力等级的蒸汽，以供公用工程或后续工段使用的典型设备[2-3]。由此，汽包水位的高低直接影响锅炉的运行是否安全：水位过高，会使蒸汽量增加，严重时出现满水、过水事故；如果水位过低，会导致锅炉缺水事故，需紧急停炉，若处理不当，在严重缺水时大量进水，就会出现汽锅爆炸事故。因此，汽包水位测量在保证安全生产中起着举足轻重的作用，锅炉汽包流程如图1所示。

图1　锅炉汽包流程简要示意注： A2，A3——锅炉进水口；B2，B3——锅炉蒸汽出口；LT——汽包液位变送器

废热锅炉与汽包之间是动态平衡的关系，汽包是一个汽液两相并存的空间，是具有自平衡能力的被控对象。锅炉给水在汽包内部不断汽化沸腾，使得气相和液相交接面形成水汽混合物的剧烈沸腾状态，即虚假液位[4]，汽包液位测量的难点也正在于此。为了解决运行中汽包存在虚假水位导致直接测量不准确的问题，以下阐述两种在工程领域使用的液位计测量方法，供参考、比较。

2双室平衡容器测量与计算

2.1结构简述

双室平衡容器自身的结构具有一定自我补偿能力，如图2所示。在基准杯的上方有1个圆环形漏斗，此结构将整个容器分成两部分，故称双室平衡容器。根据功能特点命名各部分为凝气室、基准杯、溢流室和连通器。

1) 凝气室和基准杯的功能是将饱和蒸汽部分的压力稳定下来并导向变送器的正压端。基准杯的容积是固定的，所以当冷凝水充满基准杯后，便如同冷凝罐原理，蒸汽与冷凝水有一个相对平衡的转换，此时基准杯所传导的压力就是汽包上方饱和蒸汽的压力且压力可稳定传导。

2) 连通器的设计旨在传导汽包中液态部分介质压力，同时也保证此段导压管为流通状态，防止冬季结冰。

3) 溢流室的作用是进行热传导，确保双室平衡容器与汽包温度一致。由于下降管的作用，溢流室存液是极为少量的。

图2　双室平衡容器结构示意

2.2公式计算

计算原理基于静压式液位计的计算[2]：

(1)

式中：p+，p-——压力变送器正、负端压力；pS——基准杯口以上所有静压力；ρL——汽包饱和水密度；ρS——汽包饱和蒸汽密度；ρ0——冷凝液在环境温度下的密度；H——基准杯口距下法兰中心距离；L——基准杯口与正压端水平管中心距离；h——汽包实际液位高度。

根据双室平衡容器的结构，平衡容器内部环境与汽包环境一致，所以凝气室内的饱和蒸汽密度与汽包内的饱和蒸汽密度一致，连通器内部的饱和水密度、正压端L型管竖直部分的凝结水密度均与汽包内饱和水密度一致。由此可知，影响液位计算的外界条件只有环境温度下冷凝水的密度，此值会随着季节而发生变化，可以参照表1，得出在0～40 ℃，由此影响的压力值小于差压值的0.7%，是可以接受的误差范围。由于实际的保温措施，这个值还会更小。

表1　水密度对照

3差压液位计的测量与计算

3.1结构简述

此方法基于托普索工艺包，通过对密度进行补偿，计算出被测值。连接形式同常规差压液位变送器。

3.2公式计算

差压液位计算公式：

(2)

式中：p——上法兰口以上静压力。

经过变换得出：

(3)

从式(3)可以看出，影响液位是被控对象的密度值，ρ0的变化在双室平衡容器中已经论述，特别是在有仪表伴热保温的情况下，可以认为是恒定值，根据安装地点设定为默认值，如1 000 kg/m3。然而汽包内部的压力和温度变化对饱和蒸汽和锅炉给水的密度造成很大的影响，饱和蒸汽密度ρS和饱和水密度ρL作为此运算中需要补偿和整定的2个参数。这里所说的汽包内部压力的数值来源于设置在设备上的压力变送器。根据密度与压力的关系，通过建模拟合出曲线如图3、图4所示，计算公式(托普索工艺包提供)如下：

ρS=0.009p2+0.457 6p+0.890 7

(4)

(5)

图3　汽包内饱和蒸汽密度曲线

图4　汽包内饱和水密度曲线

3.3实际应用

在某项目中，甲烷化工段使用的是托普索的工艺包，在甲烷化炉下游有一套废热锅炉系统，工况条件见表2所列。

表2　废热锅炉汽包工况条件

根据表2，考虑设计整体的接口尺寸一致性，建议将差压变送器改为连通器与双法兰差压液位计组合使用，经与工艺包商沟通，同意做此修改，计算公式如下：

(6)

式中：ρ——毛细管中硅油的密度。

其中硅油的选择要考虑到温度的影响，在此工况的设计中，采用D.C.704硅油，适用温度范围是0～315 ℃。

此结构形式中，连通器起到了稳定液位的作用，双法兰差压变送器用硅油的密度代替了导压管液体的密度，减小了密度变化的影响，同时也节省了伴热的工作量。目前该工段已开车并出成品，液位显示平稳。

4结束语

综合以上两种方法，一种采用结构补偿方式，计算相对简单，但是对设备和仪表的维护量较大，仪表本身结构相对复杂，但由于是将锅炉里面动态的被控对象稳定后测量，对仪表本身的测量环境改善了很多；另一种采用软件补偿方式，通过建模拟合曲线来达到补偿目的，可控性强，此方法对于仪表本身来说相对简单，安装方便，但由于是通过建模与经验值得出的修正因子，也会存在一定的误差，因而两种方法在应用中各有千秋，在实际生产中也都有成功应用案例。某项目中将两个方法进行了一次优化组合，实践表明，使用效果也是理想的。

参考文献：

[1]莫德格，李团伟，张军伟.废热锅炉及设计计算简介[J].内蒙古石油化工，2006(07): 35.

[2]李庄.化工机械设备安装调试[M].吉林：吉林电子出版社，2012.

[3]古大田，方子风.废热锅炉[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4]侯子良，刘吉川.锅炉汽包水位测量系统[M].北京：中国电力出版社，2005.

[5]程启明，王明媚，王映裴，等.火电厂锅炉汽包水位测量技术发展与现状[J].电站系统工程，2010(02)： 9-12,15.

[6]朱炳兴.变送器选用与维护[M].北京：化学工业出版社，2001.

[7]李良贸，张以民.常用测量仪表实用指南[M].北京：中国计量出版社，1988.

[8]王森，纪纲.仪表常用数据手册[M].北京：化学工业出版社，2006.

[9]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京：化学工业出版社，2000.

[10]王雪梅，张悦崑，安铁夫，等.HG/T 20507—2014自动化仪表选型设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

中图分类号：TQ056.1+4