差压法测量锅炉汽包水位的分析与应用

吴斌

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，北京 100101)



差压法测量锅炉汽包水位的分析与应用

吴斌

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，北京 100101)

摘要：针对影响汽包水位测量的因素，分别介绍了单室平衡容器、双室平衡容器和改进型双室平衡容器在差压法测量中的应用，通过比较说明了各自的优缺点。重点讨论了改进型双室平衡容器与传统差压变送器相结合测汽包水位的方法，论述了该平衡容器的固有补偿特性，通过设计合适的平衡容器结构参数，并在DCS中建立压力补偿系统，可在一定程度上克服汽包“虚假水位”的影响，达到提高测量精度的目的，同时强调了应对平衡容器和测量管路做合理保温。

关键词：汽包水位单室平衡容器双室平衡容器压力补偿系统差压法

汽包水位对于炼油装置安全稳定的运行不可或缺，汽包水位过高或过低都会影响生产装置的正常运行。水位过高减小了蒸发的空间，造成汽水分离的效果较差，使饱和蒸汽带液过多，影响下游蒸汽驱动设备(如汽轮机)的正常运行；水位过低有可能造成锅炉干烧，大面积损坏水冷壁，甚至引发汽包爆炸，造成人员伤亡和财产损失。为实现对汽包水位的有效控制，避免水位剧烈波动造成损失，一般炼厂都会采用三冲量的控制方式，但是实现精确控制的前提是能得到汽包水位的准确值。因此，如何提高测量精度就具有重大意义，笔者主要就差压法在汽包水位测量中的应用进行了分析。

1差压法测汽包水位

汽包水位的准确测量一直是炼油装置的难点之一，这是因为在汽包压力偏离设计工作点时，饱和水和饱和水蒸气的密度会发生变化，从而导致“虚假水位”的问题，给测量带来很大困难。在设计过程中，一般设计两套测量方案，以实现冗余测量： 采用浮筒或者双法兰或者导波雷达；采用平衡容器配差压变送器。由于平衡容器配差压变送器的方式经济实惠，且能在一定程度上克服“虚假水位”的问题，该方案一直应用广泛。常用的平衡容器有单室平衡容器和双室平衡容器。

2单室平衡容器的应用分析

单室平衡容器结构简单、易于制造和安装，适用于精确度要求不太高的锅炉汽包水位测量，典型的采用单室平衡容器的测量系统如图1所示。

分析可知，在一定压力下，ρw和ρs都是定值，但由于单室平衡容器的体积很小，很容易受到环境温度的影响，其内部冷凝水的密度经常变化，进而造成ρ的变化，带来测量误差。为解决该问题，引入双室平衡容器差压法。

图1　单室平衡容器测量系统示意注： ρ——参比水柱密度；ρs——汽包内饱和蒸汽密度；ρw——汽包内饱和水密度；Δp——变送器测得的差压；　H——汽包内饱和水水位；L——基准杯口至连通器水平　管中心线的距离；Ps——汽包压力

3双室平衡容器的应用分析

目前的锅炉汽包水位测量中，双室平衡容器配差压变送器的方法占绝大部分，该种测量方案是由单室平衡容器改进而来。双室平衡容器的结构有许多种，但它们的测量原理基本相同，以两种比较典型的结构为例进行介绍。

3.1双室平衡容器

在实践中应用较多的平衡容器如图2所示。其原理： 汽包饱和蒸汽从凝汽室进入，进行热交换，生成饱和凝结水，凝结水聚积在凝汽室内，产生的压力传递到变送器的负压侧；倒T字形的连通器将汽包内饱和水经过平衡容器与变送器正压侧相连，为了防止凝结水由蒸汽侧进入汽包，从而出现水封的问题，一般连通器口应比蒸汽取压口略低。推导计算Δp的公式如下：

p+=ps+Hgρw+(L-H)gρs

(1)

p-=ps+Lgρw1

(2)

Δp=Hgρw+(L-H)gρs-Lgρw1

(3)

式中： ρw1——凝结水的密度。

图2　普通双室平衡容器测量系统示意

式(3)中，一定工况下，ρw和ρs都是定值。但由于平衡容器存在散热，凝汽室内水温从上部到下部逐步降低，且不易确定温度分布，导致ρw1不易确定。实际上ρw1的值与靠近汽包远近、双室平衡容器的具体结构、容器保温情况和环境温度变化均有关系，既没有参考值，又不能准确测量。工程应用中为计算方便，近似认为凝汽室的温度等于汽包内温度，则ρw1与ρw近似相同。但实际汽包内温度远高于平衡容器温度，会给测量带来误差。

3.2改进型双室平衡容器

改进型双室平衡容器是一种具有巧妙设计结构的汽包水位测量辅助装置，实际应用中效果良好，其主要结构和测量系统如图3所示，主要包括基准杯、凝汽室、连通器和溢流室等部分。与普通双室平衡容器类似，来自汽包的饱和水蒸气在凝汽室内进行热交换，生成饱和的凝结水，源源不断灌入基准杯内；基准杯的下端接入差压变送器的负压端，将凝结水产生的压力传导至变送器的负压侧；连通器被设计成倒T字形，它将锅炉下部饱和水经过平衡容器与变送器正压侧相连，从而将产生的压力传向变送器的正压侧。不同之处在于，改进型双室平衡容器增加了溢流室，它接收由基准杯溢流出的凝结水，并通过凝结水管，将凝结水不断排出。由于饱和蒸汽不断冷凝，不断释放热量，在此过程中，溢流室不断蓄热为整个容器进行加热，确保容器内温度与汽包中的温度达到一致。

图3　改进型双室平衡容器测量系统示意　注： ρc——水在环境温度下的密度；l——基础杯口　至负压侧水平引压管中心线的距离

3.2.1改进型双室平衡容器的测量原理

改进型平衡容器是通过饱和蒸汽不断冷凝放热的方法，使负压侧基准杯的水温等于汽包内温度，从而使基准杯内冷凝水的密度始终与汽包内饱和水的密度相等。同时，为保证水平引压管至变送器正负压侧的垂直引压管中水的密度等于环境温度下水的密度，从而便于计算，敷设引压管的水平段时，应注意延伸足够的距离，一般要求1m以上。推导差压测量的计算公式如下：

Δp=(ρw-ρs)gH+Lgρs-lgρw-(L-l)gρc

(4)

3.2.2改进型双室平衡容器的固有特性

由式(4)可知，当压力变化时，测得的差压不仅与ρw和ρs的值有关，也与平衡容器的结构参数L和l有关。利用该特性，在设计平衡容器时，针对汽包的正常操作水位，选择合适的L和l值，可极大补偿汽包压力变化对汽包正常操作水位的影响，即当汽包压力变化时，在正常操作水位下，测得的差压值保持不变，从而获得较为准确的汽包水位测量值。该特性由容器的自身结构所决定，又称为双室平衡容器的固有补偿特性 。

3.2.3DCS中压力补偿系统的建立

由上述分析可知，改进型双室平衡容器解决了容器内的冷凝水与汽包内饱和水存在的温差问题，同时可通过选择合适的结构参数L和l，消除正常操作状态下压力变化对汽包水位测量的影响。但在工程应用中，当汽包压力变化时，汽包水位与正常水位往往会有很大偏离，虽然平衡容器具有补偿特性，但补偿范围有限，因而需要采取必要的措施，进一步消除汽包压力变化对汽包水位测量的影响。通常情况下，可任选压力补偿和温度补偿中的一种，补偿效果基本相同，但补偿起始点有所区别： 由“饱和水与饱和水蒸气密度表”可知，温度可以与100℃以上的饱和密度和100℃以下时的非饱和密度完全对应；而对于压力来说，密度表中只有对应饱和密度的相对压力值，即最低的相对压力0对应的已经是100℃时的饱和密度。由此可知，工程实际中汽包的工作温度都很高，从0℃开始补偿是完全没有必要的。因此，笔者只针对压力补偿的方法，建立补偿系统。

由式(4)可得下式：

(5)

式(5)中，在环境温度确定后，ρc为常数；Δp为变送器的测量值；lgρw-Lgρs和ρw-ρs是关于饱和水蒸气与饱和水密度的两个方程式。通过查询文献，可以得到这两个方程式关于压力的函数曲线。将所得到的函数以及式(5)输入到用以执行运算任务的DCS程序中，该双室平衡容器的补偿系统即告建立。

为了使平衡容器能在更接近理想的状态下工作，必须在容器的外部进行适当的保温。原因是通常情况下凝汽室的温度远高于外部环境温度，此时它不断通过热辐射向外释放能量。若容器外部不加保温或者保温效果不理想，为弥补损失的热量，蒸汽凝结为水的速度会加快，从而引起更多的饱和水蒸气进入凝汽室，以产生更多的补充热量。但在实际应用中，若环境温度过低，处于自然对流状态的蒸汽，生成的补充热量不足以维持容器内温度与汽包内饱和水的温度一致，进而产生测量误差。另一方面，为达到更好的测量效果，各汽水取样管、取样阀门、连通管也应做保温处理；引到差压变送器的两根导压管应平行敷设，共同保温，并根据现场需要加伴热防冻。

4结束语

差压法测汽包水位在工程实际中应用广泛，并可在一定程度上消除汽包“虚假水位”的影响。普通双室平衡容器不能解决汽包内饱和水与平衡容器中凝结水的温差问题；改进型双室平衡容器利用蒸汽加热的方式较好地解决了该问题，并可通过设计合适的平衡容器结构参数和在DCS中建立压力补偿系统，提高测量精度。

参考文献：

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赛默飞发布地表水和饮用水中痕量生物胺的检测方案

近日，科学服务领域的世界领导者赛默飞世尔科技(以下简称： 赛默飞)发布的地表水和饮用水中痕量生物胺的检测方案。腐胺、尸胺、组胺、亚精胺和精胺是最常见的5种生物胺，摄入过量将会诱发恶心、心悸、呼吸紊乱等强烈过敏反应，甚至危害生命安全。中国水产品卫生标准GB2733—2005就曾明确限定了市售、非活水产品中组胺的含量。

目前生物胺的准确定量测定方法主要有气质联用、液相色谱法和离子色谱法等。其中仅离子色谱法无需将生物胺经过繁琐的柱前衍生或预衍生处理，以离子交换分离为基础，简单而迅捷地实现了这5种生物胺的分离测定。毛细管离子色谱的诞生，标志着离子色谱进入了低消耗、低成本、高效率时代。其微升级的流量，极大地降低了淋洗液的消耗，配合淋洗液自动发生装置使用，有效地保证了各种突发事件发生时，离子色谱总能在第一时间内完成对应的应急样品测定。

赛默飞地表水和饮用水中痕量生物胺的检测方案，采用通用高压离子色谱ICS-5000+为依托，选用高效阳离子交换分离柱IonPac CS19，以甲基磺酸淋洗液发生器在线产生甲基磺酸溶液，梯度淋洗，完成了地表水、自来水试样中痕量腐胺、尸胺等5种常见生物胺的分离分析。该方法重复性较好，准确性较高，在所选定条件下，可准确完成地表水、自来水中痕量腐胺、尸胺、组胺、亚精胺和精胺的分离测定工作。(赛默飞世尔科技(中国)有限公司)

中图分类号：TH816

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)02-0066-03

作者简介：吴斌(1983—)，男，2008年毕业于北京化工大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，现就职于中国石油工程建设公司华东设计分公司，从事自动控制设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2014-12-19，修改稿收到日期： 2015-01-21。