三废锅炉汽包差压水位计测量极端异常的探讨

刘燕江，邓 伟，普存毅，王秉溪

(云南云天化红磷化工有限公司，云南 开远 661699)

0 引言

红磷化工有限公司50 t/h三废锅炉于2008年12月建成投产，以合成氨造气炉渣、污泥、吹风气及合成驰放气为主要原料，掺烧一定比例的褐煤，产生压力为3.82 MPa、温度为450 ℃的过热蒸汽。三废锅炉在汽包同一侧共设置水位计5套，其中2套差压水位计引入分散控制系统(distributed control system,DCS)，测量值用于显示、控制及联锁保护。确保锅炉汽包水位在一定的范围内是锅炉机组稳定运行所必不可少的条件，也是锅炉安全运行的关键指标之一[1]。由于汽包水位对象的复杂性以及差压式测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性。进出汽包的汽水不平衡，汽包内压力变化以及燃烧工况变化都会引起汽包水位及测量值的变化，且在各种扰动下其变化特性有着很大差异，有时难以判断汽包水位计异常的真正原因[2]。为此，本文从差压水位计的测量原理着手，通过条件假定与分析，合理地解释了一起锅炉汽包差压水位计测量极端异常的成因。

1 差压水位计测量异常描述

1.1 汽包及水位计设置

三废锅炉汽包水位测量设置双色管水位计2套、电极点水位计1套、双室平衡容器配3051差压变送器水位计2套(即LI-101A、LI-101B)。5套水位计设置在汽包同一侧，水位计量程为-300～+300 mm，各水位计取样阀标高一致。三废锅炉汽包及水位计设置如图1所示。

图1 三废锅炉汽包及水位计设置

汽包水位控制采用改进型单级三冲量控制系统[3]，水位联锁在电极点水位计、LI-101A、LI-101B间采用三选二方式。汽包正常运行时，压力为4.0 MPa、温度为250 ℃、饱和水密度为798.66 kg/m3、饱和蒸汽密度为20.105 kg/m3、双室平衡容器内参比水柱的平均密度为980 kg/m3，差压变送器的计算量程为-5 644.2～-1 066.3 Pa。

1.2 水位计测量异常描述

某年2月17日夜班锅炉操作人员反映DCS系统上LI-101A的显示值比双色管水位计A的显示值偏高约100 mm，LI-101B的显示值比双色管水位计B、电极点水位计的显示值偏高约100 mm。经检查，5套水位计均没有发现明显异常。进一步检查确认2套双色管水位计及电极点水位计的显示值是正常的，2套差压水位计的显示值确实偏高。引起偏高的原因可能是取样阀、双室平衡容器或差压管路存在“堵塞”。这一情况影响到了锅炉的安全运行，因此启动了停车程序。

LI-101A、LI-101B由于没有双室平衡容器备件而改为单室平衡容器，并更换了工艺截止阀，平衡容器与差压变送器间的测量管路拆除新配。在汽包压力为常压、水温约60 ℃的条件下进行水位升降对比试验。此时，汽包内的水与参比水柱的平均密度差可不考虑，差压变送器的量程改为-5 762.4～0 Pa。对比试验表明：LI-101A与双色管水位计A的示值偏差小于10 mm，LI-101B与双色管水位计B的示值偏差小于10 mm，LI-101B与电极点水位计的示值偏差小于15 mm，同方位各水位计间的示值偏差符合标准要求[4]。差压变送器量程重设为-5 644.2～-1 066.3 Pa，锅炉系统开车。随着汽包升温、升压，LI-101A、LI-101B的显示值又逐渐比同方位双色管水位计、电极点水位计的显示值偏高。锅炉系统正常后，LI-101A的显示值比双色管水位计A的显示值偏高约130 mm，LI-101B的显示值比双色管水位计B、电极点水位计的显示值偏高约130 mm且数值相对稳定。2月19夜班把LI-101A、LI-101B的测量值在DCS上减去130 mm后再参与水位显示与控制，三废锅炉在4月、6月进行了2次小修，这种状况一直保持。三废锅炉在9月10日的修后开车过程中，LI-101A、LI-101B的显示值又比同方位的双色管水位计、电极点水位计的显示值偏低了很多。锅炉系统正常后，LI-101A的显示值比双色管水位计A的显示值偏低约130 mm，LI-101B的显示值比双色管水位计B、电极点水位计的显示值偏低约130 mm且数值相对稳定。将LI-101A、LI-101B改为0后,2套差压水位计恢复正常的测量状态。

2 汽包水位测量

目前，锅炉汽包水位测量原理主要有联通管式和差压式两种。

2.1 双色管水位计

双色管水位计基于联通管式原理。其结构简单、显示直观，是测定汽包水位最可靠的手段[5]。当DCS系统上的差压水位计显示偏差较大时，操作人员一般以现场双色管水位计显示为准。

2.2 电极点水位计

电接点水位计也基于联通管式原理，利用汽水介质电阻率相差很大的性质来实现水位测量，属电阻式水位测量仪表。其突出优点是指示值不受汽包压力变化影响，能准确反映水位情况、结构简单、应用广泛，多用于监视主表、差压水位计的核对及保护报警[6]。

2.3 差压水位计

差压水位计是通过水位高度变化转换成差压变化来测量水位的。这种转换通过平衡容器形成参比水柱来实现。平衡容器主要有单室平衡容器和双室平衡容器。差压水位计汽包水位测量原理如图2所示。

图2 差压水位计汽包水位测量原理图

双室平衡容器具备结构简单、运行稳定的特点，并具有一定的补偿能力，因而在汽包水位测量中被广泛应用[7]。汽包内的蒸汽在双室平衡容器凝气筒A 内不断凝结为液态，多余的冷凝液通过平衡容器上接管溢流回汽包内，因此凝气筒A 内的液面总是保持恒定(即压力恒定)，接差压变送器的负压室。倒T 字形连通器，其水平部分一段接入汽包，另一端接入变送器正压室，正压侧水柱高度则随汽包水位H 而变化，作用是将汽包内动态水位产生的压力传递给差压变送器正压室，与负压室压力比较从而得到压差值(ΔP)，再通过ΔP求得汽包中的水位[7]。汽包水位H与ΔP的关系如下式所示：

式中：H为汽包内实际水位，m；ΔP为差压变送器的压差值，Pa；rs为汽包内饱和蒸汽密度，kg/m3；ra为平衡容器参比水柱的平均密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s；L为平衡容器参比水柱高度，m；rw为汽包内饱和水密度，kg/m3。

对于此三废锅炉汽包，L=0.6 m。当H=0 m时，对应的ΔP为差压变送的量程下限；H=0.6 m时，对应的ΔP为差压变送的量程上限。无论是采用单室或双室平衡容器，其差压变送器的量程设置均为-5 644.2～-1 066.3 Pa，输出4～20 mA电流信号，对应DCS的显示值为-300～+300 mm。

3 差压水位计测量异常原因查找

3.1 工艺及操作

三废锅炉与传统锅炉一样，汽包水位受到给水流量、蒸汽流量和燃料量等扰动的影响，但在整个过程中没有证据表明受到了这样的影响。燃烧偏差会使炉膛的两侧水冷壁热强度不同、炉水循环倍率出现较大差别，从而使两侧水位偏差高达200 mm。这种偏差经过调整后可以减小或消除[8-9]。由于5套水位计设置在汽包同一侧，所受到的影响是一致的，这与出现的异常情况不符，操作上也作了尝试，效果不明显。

三废锅炉是一种全新的、独立的、专业化的工业锅炉，并不是对传统工业锅炉的改良，因此具有本身的特殊性和复杂性，如三废锅炉中一次风对蒸汽流量的作用同样影响着汽包水位。这与传统锅炉是不同的。此外，由于三废锅炉出现时间较短，相关研究资料较少，也给问题的分析查找带来了困难。

3.2 差压水位计测量系统

平衡容器与差压变送器间的测量管路拆除新配并确保不会受到其他因素的干扰，LI-101A的差压变送器经过了检定确认，LI-101B则更换为新差压变送器。测量传输回路及DCS经确认无异常。无论是双室还是单室平衡容器，参比水柱平均密度均取为980 kg/m3，经现场核实也是合理的。即使密度设置存在一定的不合理性，对于此参数的汽包差压水位计测量来说，也不至于产生如此大的偏差[11]。

3.3 汽包内P1、P2的假定

3.3.1P1、P2的产生

三废锅炉汽包内部结构及介质状态十分复杂。汽包内水分为六路，经不同组别的水冷壁后形成汽水混合物后进入集箱，再经上升管送回汽包。进入汽包的汽水混合物经分离清洗器分离。分离出的水继续参与水循环，分离出的饱和蒸汽经清洗引出至低温过热器，汽包内部沿其整个长度方向设有圆周式隔板在其下半部分形成了环形空间。

三废锅炉在实际运行过程中设备故障多、气体流速快。高温粉尘对水冷壁管、炉墙、省煤器水管磨损较为严重，通常对部分磨损严重而通洞的管子进行封堵，运行周期较短[12]。

从图1可知，如不考虑汽包内部结构，由于某种原因使得上升管、下降管、蒸汽管或是汽包内的正常平衡关系很容易被打破，从而造成下半部环形空间内的水、上半部空间内的汽形成某种关联的强烈扰动或是逆时针的循环运动而产生附加力。

从2月17日持续到9月10日中修开始，中间经过了4月、6月两次小修及开停车，在这个过程中也有意识地进行了相关试验，没有发现异常情况。9月10日中修后，产生P1、P2的原因消除，汽包内的平衡关系得以恢复，差压水位计恢复正常的测量，但审视全部检修项目却找不到有力的证据。

3.3.2P1、P2对差压水位计的影响

对采用双室平衡容器差压水位计的影响：当P1的作用方向向右时，其作用使ΔP减小，变送器的输出增加，DCS显示的水位值上升；当P1的作用方向向左时，其作用使ΔP增加，变送器的输出减小，DCS显示的水位值下降。从图2可知，无论P2的作用方向如何，P2总是同时作用在差压变送器的正负压室，因此不会对测量结果产生影响。

对采用单室平衡容器差压水位计的影响：当P1的作用方向为向右时，其作用使ΔP减小，变送器的输出增加，DCS显示的水位值上升；当P1的作用方向为向左时，其作用使ΔP增加，变送器的输出减小，DCS显示的水位值下降。当P2的作用方向为向右时，其作用使ΔP增加，变送器输出减小，DCS显示的水位值下降；当P2的作用方向为向左时，其作用使ΔP减小，变送器的输出增加，DCS显示的水位值上升。

3.4 差压水位计测量异常的原因

通过上面的假定与分析，可以得出以下结论。

①采用双室平衡容器时差压水位计，由于P2的作用不会对测量结果产生影响，因此其异常偏高的主要原因是受到了P1向右的作用。

②采用单室平衡容器时差压水位计异常偏高，是因为受到了P1向右及P2向左的共同作用。由于多了P2向左的作用，其偏高的数值也比采用双室平衡容器时的差压水位计大，这与出现的极端异常情况一致。

4 结束语

由于汽包水位对象的复杂性以及差压式测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性，特别是面对复杂的工程现场，有许多不确定性因素及不可预知的实际。针对这一起汽包差压水位计测量极端异常情况，曾进行过多次技术讨论。由于汽包内相关部件的存在，P1、P2的假设得不到相关专业的认可，而P1、P2的假设也没有相应的证据支持。但从图1及汽包的实际管道布置并结合整个过程来看，也只有P1、P2的假定及影响才能合理地解释这一起三废锅炉汽包差压水位计测量极端异常的案例，而产生P1、P2的真正原因则有待进一步的研究。