儀表輔助容器在蒸汽參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

宋雷，劉勇，李勝利

(中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院，青島 山東 266071)

儀表輔助容器在蒸汽參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

宋雷，劉勇，李勝利

(中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院，青島 山東 266071)

從蒸汽流量、汽包液位的測(cè)量入手，著重分析了兩種冷凝容器、兩種雙室平衡容器的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合。在比較兩種冷凝容器時(shí)，列出了相應(yīng)的計(jì)算公式并利用Matlab軟件得出的曲線，比較不同結(jié)構(gòu)的冷凝容器的抗干擾能力，供設(shè)計(jì)人員參考；在比較兩種雙室平衡容器時(shí)，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的汽包設(shè)備，提出不同結(jié)構(gòu)雙室平衡容器的優(yōu)化選擇方案。

蒸汽 儀表輔助容器 規(guī)格要求 安裝方案

煉油裝置中所需要的蒸汽，一部分來自于蒸汽管網(wǎng)，另一部分來自煉油裝置(如常減壓、催化裂化)在自身的工藝流程過程中產(chǎn)生的蒸汽。上述兩種場(chǎng)合下，工藝和熱工專業(yè)人員均要求儀表專業(yè)人員對(duì)管網(wǎng)中的蒸汽流量、工藝過程中的汽包液位進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果作為計(jì)量、控制的輸入數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)討論當(dāng)蒸汽流量測(cè)量采用節(jié)流裝置和汽包液位測(cè)量選擇雙室平衡容器時(shí)，常用的幾種儀表輔助容器的比較和選擇。

1 測(cè)量蒸汽流量時(shí)冷凝容器的比較和選擇

測(cè)量蒸汽流量時(shí)，在測(cè)量元件選用孔板的情況下，為了保護(hù)變送器的膜盒和緩沖蒸汽的波動(dòng)，一般在孔板和變送器之間加裝蒸汽冷凝容器。圖1所示是常見的兩種冷凝容器，其底部半徑、容器高度均一致，但冷凝水加注口的位置不同。

在《自控安裝圖冊(cè)》中，安裝圖給出的冷凝容器應(yīng)為圖1a)所示的安裝形式，但在具體工程實(shí)施時(shí)，圖1b)所示的安裝形式更為常見。從外形上看，其更像一個(gè)隔離容器，在實(shí)際訂貨中也發(fā)現(xiàn)供貨商習(xí)慣通過取消隔離容器一側(cè)的接口而直接作為冷凝容器供貨。

在施工階段，冷凝水加注口需置于最高點(diǎn)，所以圖1a)所示的冷凝容器與水平安裝的形式對(duì)應(yīng)；圖1b)所示的冷凝容器與豎直安裝的形式對(duì)應(yīng)。對(duì)于冷凝容器的安裝形式，《自控安裝圖冊(cè)》要求其水平安裝，以提高抗干擾、波動(dòng)的能力，但無具體的比較值。筆者針對(duì)兩種安裝形式進(jìn)行定量計(jì)算、比較。

所謂蒸汽的波動(dòng)，一般有兩種情況： 當(dāng)蒸汽的壓力或溫度突然上升時(shí)，冷凝容器內(nèi)的平衡會(huì)被打破，該波動(dòng)會(huì)帶走一部分冷凝水；當(dāng)蒸汽的壓力或溫度突然下降時(shí)，冷凝容器內(nèi)的平衡也會(huì)被打破，該波動(dòng)會(huì)增加一部分冷凝水。這兩種情況均會(huì)帶來冷凝容器內(nèi)液位的變化，在具體計(jì)算時(shí)，首先認(rèn)為蒸汽波動(dòng)是一個(gè)能量的概念，其給水平安裝和豎直安裝的冷凝容器帶來的冷凝水體積變化是相等的，即一個(gè)相同工況的波動(dòng)“帶走”和“增加”的冷凝水體積是相同的，在該前提下，定量計(jì)算兩種安裝形式的液位差值。

冷凝容器水平安裝、豎直安裝的形式如圖2所示，當(dāng)容器內(nèi)的蒸汽和冷凝水達(dá)到平衡時(shí)，冷凝水的液面和蒸汽接口平齊，當(dāng)遇到波動(dòng)時(shí)，液面在此基礎(chǔ)上下降或上升。

a) 開口形式(一)

b) 開口形式 (二)

a) 水平安裝

b) 豎直安裝

圖2a)是典型的冷凝容器尺寸圖，蒸汽接口上側(cè)為蒸汽，下側(cè)為冷凝水，且冷凝水界面和取壓口平齊。假如蒸汽接口位于圓心，當(dāng)冷凝水液位因受干擾向下波動(dòng)時(shí)，下降的液位高度h1(忽略設(shè)備壁厚)為

h1=Rcos [π×(θ/180)]

(1)

式中：R——底面半徑，一般為50mm；θ——夾角(見圖2a)的標(biāo)注)，取角度值，變化范圍0～90°。

如果將冷凝容器豎直安裝，如前所述，將波動(dòng)視為能量的概念，其帶走冷凝水的等量體積V在豎直安裝的冷凝容器中產(chǎn)生的液位變化h2為

h2=V/S′

(2)

式中：V——冷凝器水平安裝時(shí)冷凝水下降的總體積，V=SH(S——圖2a)中陰影部分的底面積，S=[Rcos(πθ/180)]×[Rsin(πθ/180)]+2×[(90-θ)×(πR2/360)]；H——冷凝容器的高度)；S′——冷凝容器豎直安裝時(shí)的底面積，S′=πR2。

采用節(jié)流裝置進(jìn)行蒸汽流量測(cè)量時(shí)，上述液位波動(dòng)(h1，h2)產(chǎn)生的靜壓會(huì)影響最終的流量數(shù)值，所以h1，h2的數(shù)值越小越好。

水平與豎直兩種安裝方式的液位變化差值Δh=h2-h1。

用Matlab軟件繪制當(dāng)θ值自0～90°變化時(shí)，Δh變化的曲線如圖3所示。

a) H=100mm

b) H=150mm

c) H=200mm

由圖3可以看出，Δh的數(shù)值始終為正值，所以同一波動(dòng)下，冷凝容器豎直安裝的液位變化始終大于水平安裝的變化，液位高度變化的靜壓最終反映在流量數(shù)值上。因此，同一規(guī)格的冷凝容器水平安裝的方式顯然優(yōu)于豎直安裝的形式，且隨著波動(dòng)越大，豎直安裝方式的低抗干擾能力表現(xiàn)越明顯。冷凝容器高度越小，其水平安裝的優(yōu)勢(shì)越弱；反之，水平安裝的優(yōu)勢(shì)越明顯。隨著高度的降低，其曲線的駐點(diǎn)(即切線斜率為零的點(diǎn))越提前，因而不應(yīng)選擇高度較小的冷凝容器。

為了保證冷凝容器的使用效果、提高其抗干擾能力，設(shè)計(jì)階段應(yīng)選擇文中圖1a)所示結(jié)構(gòu)的冷凝容器，施工階段應(yīng)采用水平安裝的形式，并且要求冷凝容器的高度不能低于150mm。

2 測(cè)量汽包液位時(shí)雙室平衡容器的比較和選擇

分析不同結(jié)構(gòu)的雙室平衡容器首先需注意平衡容器所在的汽包結(jié)構(gòu)，煉油裝置工藝過程中產(chǎn)生蒸汽的汽包最常見的有兩種，如圖4和圖5所示。

圖4 汽包形式(一)

圖5 汽包形式(二)

圖4所示的形式為蒸汽發(fā)生器、產(chǎn)汽汽包一體化的組合方式，這種結(jié)構(gòu)的汽包以催化裂化裝置中的油漿發(fā)生器最為典型，由于進(jìn)、出口簡(jiǎn)單，文中以結(jié)構(gòu)圖的形式給出；圖5所示的形式為蒸汽發(fā)生器、產(chǎn)汽汽包分開設(shè)置的模式，之間用下降管、上升管相連。該結(jié)構(gòu)的汽包較圖4所示形式更為常見，比如常減壓裝置中的常二中蒸汽發(fā)生器、制氫裝置的轉(zhuǎn)化爐過熱段蒸汽發(fā)生器、硫磺裝置的燃燒爐廢熱回收器、焚燒爐廢熱回收器等。該形式的汽包進(jìn)出口較多，文中以圖5所示的形式給出。

采用差壓原理測(cè)量汽包液位時(shí)，差壓數(shù)值從輔助容器內(nèi)測(cè)得，而液位計(jì)算時(shí)密度值直接引用了汽包內(nèi)水、蒸汽的數(shù)值，故汽包液位測(cè)量的關(guān)鍵是保證水、蒸汽從汽包引至輔助容器后的密度近似不變。采用雙室平衡容器的目的就是將正、負(fù)取壓端引入一個(gè)筒體內(nèi)，采用倒T型架的形式與汽包連通，故其可保證雙室平衡容器內(nèi)的壓力、溫度與汽包內(nèi)近似一致，對(duì)于水來講，同溫同壓下密度相同，所以最終也就保證了汽包液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。

雙室平衡容器的選用，一般有如下兩種結(jié)構(gòu)，如圖6和圖7所示，兩種平衡容器公式的計(jì)算方式、安裝要求均有不同。

圖6 雙室平衡容器結(jié)構(gòu)示意(一)

圖7 雙室平衡容器結(jié)構(gòu)示意(二)

圖6和圖7中，設(shè)蒸汽的密度為ρS，汽包水的密度為ρW，接變送器的導(dǎo)壓管內(nèi)常溫水的密度為ρC，汽包液位為H，圖6中平衡容器的測(cè)量范圍為L(zhǎng)，圖7中基準(zhǔn)杯頂部到正端導(dǎo)壓管的距離為H1，基準(zhǔn)杯頂部到負(fù)端導(dǎo)壓管的距離為H2。

由圖6所示的結(jié)構(gòu)可以看出，此種結(jié)構(gòu)的平衡容器工作時(shí)倒“T”型的連通管下部為汽包水，上部為蒸汽，連通管內(nèi)水的高度也為汽包內(nèi)液位的實(shí)際高度，容器筒內(nèi)為蒸汽冷凝水，高度與負(fù)取壓口平齊。該結(jié)構(gòu)下的差壓計(jì)算公式為Δp=ρWgH+ρSg(L-H)，當(dāng)ρS遠(yuǎn)小于ρW時(shí)(如低壓飽和蒸汽)，在精度要求不高的情況下公式可簡(jiǎn)化為Δp=ρWgH，該結(jié)構(gòu)的遷移量為ρWgL。

圖7所示的雙室平衡容器，其基準(zhǔn)杯上的漏斗將筒體分成了兩個(gè)室： 凝汽室和溢流室，兩室分離并通過倒“T”型架與汽包連通。在工作時(shí)飽和蒸汽經(jīng)上取壓管進(jìn)入凝汽室，凝結(jié)成飽和水后進(jìn)入基準(zhǔn)杯，當(dāng)基準(zhǔn)杯內(nèi)的飽和水盛滿后溢出到溢流室后，經(jīng)容器底部開口流進(jìn)汽包內(nèi)下降管。該結(jié)構(gòu)下的差壓計(jì)算公式為Δp=ρWg(H-H2)+ρSg(H1-H)，當(dāng)ρS遠(yuǎn)小于ρW時(shí)(如低壓飽和蒸汽)，在精度要求不高的情況下計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為Δp=ρWg(H-H2)。這種結(jié)構(gòu)下其遷移量為ρCg(H1-H2)。

當(dāng)熱工專業(yè)人員選用圖4所示的汽包時(shí)，由于其外部無下降管，可以選擇圖6所示形式的平衡容器；當(dāng)選用圖5所示的汽包時(shí)，可以從圖6和圖7所示的兩種平衡容器中選擇一種使用。但從圖6和圖7所示的結(jié)構(gòu)可以看出，圖7中平衡容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)于圖6的，其優(yōu)勢(shì)在于使筒體內(nèi)的溫度更接近于汽包內(nèi)的溫度。圖6所示結(jié)構(gòu)中，平衡容器僅通過倒“T”型架與汽包進(jìn)行了單連通，筒內(nèi)負(fù)取壓口以下全部為飽和水，通過取壓管與汽包內(nèi)飽和蒸汽連通的方式進(jìn)行吸熱，從而維持容器內(nèi)溫度，由于筒內(nèi)的飽和水不流動(dòng)，因而克服容器內(nèi)溫度的變化能力存在滯后。圖7的結(jié)構(gòu)中，平衡容器與汽包采用雙連通的形式，即正、負(fù)取壓口通過倒“T”型架與汽包進(jìn)行小連通，同時(shí)平衡容器又通過負(fù)取壓口、下降管接口與汽包進(jìn)行大連通。筒內(nèi)溢流室中汽包液位以上為蒸汽，以下為冷凝水，當(dāng)從基準(zhǔn)杯中流出的冷凝水使溢流室內(nèi)冷凝水液位高出汽包液位時(shí)，該部分冷凝水會(huì)迅速流進(jìn)汽包的下降管中，該流動(dòng)方式使平衡容器克服溫度變化的能力加強(qiáng)，容器內(nèi)的溫度較圖6所示形式更接近汽包內(nèi)的溫度，因而其筒內(nèi)水、蒸汽的密度與汽包內(nèi)的參數(shù)更接近。

在設(shè)計(jì)階段如果選用雙室平衡容器來測(cè)量汽包液位，當(dāng)汽包形式選用圖5形式時(shí)，建議選用圖7所示結(jié)構(gòu)的平衡容器。同時(shí)，與熱工專業(yè)人員溝通，將容器筒體底部的排液管嘴與介質(zhì)速度最快的下降管連接，使溢出和凝結(jié)后的飽和水及時(shí)排出，同時(shí)增設(shè)截止閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度防止筒內(nèi)抽空。在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，需注意兩點(diǎn)： 為了防止導(dǎo)壓管內(nèi)水的溫度過高或汽化，導(dǎo)壓管的伴熱應(yīng)盡量采用熱水伴熱，如果采用蒸汽伴熱，則需對(duì)伴熱管和導(dǎo)壓管進(jìn)行隔離；為了使變送器正負(fù)取壓室內(nèi)水的密度接近常溫水，建議變送器距離平衡容器導(dǎo)壓管嘴的距離不應(yīng)小于1000mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

蒸汽流量、汽包液位的測(cè)量在《自控安裝圖冊(cè)》和相關(guān)資料中均有論述。文中結(jié)合工藝設(shè)備的形式，采用定量計(jì)算的方法，輔以軟件的仿真曲線，詳細(xì)闡述了如何優(yōu)化選擇不同結(jié)構(gòu)的冷凝容器和雙室平衡容器用于蒸汽量和汽包液位測(cè)量，供煉油裝置自控設(shè)計(jì)人員、儀表維護(hù)人員、施工人員借鑒。

[1] 化工部自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中心站.HG/T 21581—1995自控安裝圖冊(cè)[S].北京： 化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1996.

[2] 王子平，周懋忠.SH/T 3104—2000石油化工儀表安裝規(guī)范 [S].北京： 中國(guó)石化出版社，2000.

[3] 張同興，毛仲德.GB 50093—2002自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 [S].北京： 全國(guó)化工施工標(biāo)準(zhǔn)化管理中心站，2002.

[4] 黃步余，李麗華.SH/T 3005—1999石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京： 中國(guó)石化出版社，1999.

[5] 王笑，張媛媛，邱獻(xiàn)文.SH/T 3521—2007石油化工儀表工程施工技術(shù)規(guī)程 [S].北京： 中國(guó)石化出版社，2007.

[6] 王森.儀表工試題集 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[7] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[8] 鄧薇.Matlab函數(shù)速查手冊(cè) [M].北京： 人民郵電出版社，2010.

[9] 何衍慶，黎冰，黃海燕.工業(yè)生產(chǎn)過程控制[M].2版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[10] 俞金壽，何衍慶，邱宣振.化工自控工程設(shè)計(jì)[M].上海： 華東化工學(xué)院出版社，1991.

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，畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院電控室，從事儀表及自控設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TH816

B

1007-7324(2013)03-0026-04