煉油裝置中平衡容器差壓液位計的應用

賈曉軍，侯長江

(1. 中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003; 2. 中石油云南石化有限公司，昆明 650399)

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煉油裝置中平衡容器差壓液位計的應用

賈曉軍1，侯長江2

(1. 中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003; 2. 中石油云南石化有限公司，昆明 650399)

摘要：以某動力站燃油燃氣鍋爐汽包液位測量為背景，介紹了平衡容器差壓液位計的測量原理及優缺點，著重分析了幾種常見的平衡容器的結構及測量方法。針對煉油裝置中平衡容器的選型及液位補償修正的必要性進行了探討，可知無論現場平衡容器的正、負壓室連接至差壓變送器的高壓側，在DCS內做相應組態調整，都可得到液位的正確顯示。煉油裝置內的汽包液位補償僅在啟、停爐時有意義，由于啟、停爐過程時間較短且產生的液位誤差在工藝操作要求允許范圍內，因而不進行補償修正完全可以滿足生產需求。

關鍵詞：平衡容器正負壓室液位補償

汽包水位是保證鍋爐安全運行的指標之一，也是衡量鍋爐汽水系統物質是否平衡的標志[1]。汽包液位過高會直接影響汽水分離的效果，使飽和蒸汽濕度增大，容易造成過熱器和汽輪機通流部分結垢，引起過熱器爆管，機組熱效率降低。當水位高到一定程度，蒸汽就要帶水，可能引起破壞性事故；汽包液位太低會影響鍋爐水循環，使水冷壁局部過熱而發生爆管事故[2]。因此，水位控制系統一直受到人們的重視。目前，技術人員已研究出了許多控制方案，如汽包水位的三沖量控制、汽包水位的串級控制等[1]。在這些控制方案中都用到了汽包水位，因為汽包水位的對象特性復雜，水位測量存在很大的不確定性，其規律難以掌握，所以汽包水位測量存在較大的技術問題[3]。筆者以某煉油異地改造石油化工項目動力站燃油燃氣鍋爐汽包的液位測量為工程背景，在著重介紹平衡容器的基礎上，就煉油裝置工程安裝中平衡容器正負壓室的選擇及實際測量中液位補償修正的必要性進行了深入的探討。

1動力站燃油燃氣鍋爐汽包液位儀表

動力站燃油燃氣鍋爐汽包上共設3組液位儀表，其中1組為就地玻璃板液位計，其他2組遠傳液位儀表分別為電接點液位計及平衡容器差壓液位計。文中僅對平衡容器差壓液位計進行介紹。

1.1測量原理

平衡容器差壓液位計的測量原理是將汽包內水位h產生的壓力和平衡容器形成的參比水柱產生的壓力進行比較，得到差壓Δp，實現“水位-差壓”變換，即將水位轉換為Δp，由差壓變送器測量差壓Δp[3]。

1.2特點

平衡容器結構簡單可靠，工程應用中應盡可能地避免“虛假水位”。差壓變送器的精度和穩定性很高。蒸汽罩補償式平衡容器還具有固有補償特性。但汽包在不同的工作壓力下其差壓范圍不同；不同形式的平衡容器其參比水柱的密度不同，從而影響測量精度。

2幾種常見的平衡容器

2.1單室平衡容器

單室平衡容器[4]如圖1所示，其結構簡單，安裝方便，但測量誤差較大。當鍋爐在額定蒸汽壓力運行，水位為正常水位時，其輸出的Δp比較穩定，測量較準確；當蒸汽壓力下降時，此時的水位保持不變，正壓側壓力p+變化不大，負壓側的壓力p-將顯著增大，致使平衡容器輸出差壓減小，水位表指示偏高。

圖1　單室平衡容器結構和測量示意

由圖1可以得到水位測量關系式：

Δp=p+-p-=

(ρc-ρs)gL-(ρw-ρs)gh

(1)

式中：ρc——平衡容器內凝結水密度；ρw——汽包內飽和水密度；ρs——汽包內飽和蒸汽密度；g——重力加速度；h——汽包水位；Δp——平衡容器輸出差壓；L——水位計量程。

由圖1可以看出，p+由恒定的水柱高度維持恒定，p-則隨汽包水位變化而變化，所以Δp隨汽包水位而變化。但是，由于汽包內的飽和水與平衡容器內的冷凝水溫度不同(即密度不同)，會導致測量誤差。為了減少此誤差，通常是使平衡容器的安裝標高(正負壓取樣管的垂直距離L)與二次顯示儀表的刻度全量程一致，并在二次表校驗時，按運行額定參數和環境平均溫度，考慮密度影響的修正值。單室平衡容器一般用于測量低溫、低壓容器的水位，在測量鍋爐汽包水位時，要運用水位測量的蒸汽壓力自動校正系統才能實現較準確的測量。

2.2雙室平衡容器

雙室平衡容器[4]的正壓側與單室平衡容器一樣，維持恒定水柱高度，負壓側置于平衡容器內，下部與汽包的水室相連通，其水柱高度隨著汽包水位的變化而變化。

雙室平衡容器的優點是內外2根管內水溫比較接近，減少了單室平衡容器正負壓取樣管內水的密度不同所引起的測量誤差，但由于平衡容器內的溫度遠低于汽包內的溫度，故負壓管內的水位比汽包實際水位偏低，因而產生測量誤差。當蒸汽壓力和平衡容器環境溫度變化時，此誤差是個變數。

雙室平衡容器的結構如圖2所示，其水位測量關系式與單室平衡容器相同。

圖2　雙室平衡容器的結構和測量示意

2.3蒸汽罩式雙室平衡容器

蒸汽罩式雙室平衡容器采用汽包內飽和蒸汽來加熱正、負壓側取樣管內的水，使之處于飽和溫度，即ρc=ρw，從而消除了雙室平衡容器內水溫與汽包內水溫不同而帶來的測量誤差，其結構如圖3所示。

由于ρc=ρw，蒸汽罩式雙室平衡容器的水柱-差壓關系式為

Δp=p+-p-=(ρw-ρs)g(L-a-h)

(2)

(3)

蒸汽罩雙室平衡容器雖然消除了環境溫度對水位測量的影響，但當汽包工作壓力p降低時，雖然實際水位不變，但由于飽和水密度增加，p+增大，Δp也將顯著增大，導致水位指示出現誤差。

圖3　蒸汽罩式雙室平衡容器水位測量示意注： a——水杯上沿至飽和蒸汽入口間距；b——水杯高度；c——飽和蒸汽入口至平衡容器頂端間距

2.4蒸汽罩補償式平衡容器

鑒于當汽包工作壓力變化時，單室平衡容器和蒸汽罩雙室平衡容器的輸出差壓變化方向恰好相反，于是提出了蒸汽罩補償式平衡容器[4]，即帶中間抽頭的雙室平衡容器，其結構如圖4所示。

圖4　蒸汽罩補償式平衡容器結構和測量示意

蒸汽罩補償式平衡容器正壓側取樣管的水柱改由2段組成，1段保持飽和溫度，另1段保持室溫。適當選擇2段的比例，即可實現在某一特定水位(如正常水位)下平衡容器輸出的差壓值不受蒸汽壓力變動的影響。

目前，測量鍋爐汽包水位時，廣泛采用蒸汽罩補償式平衡容器，用蒸汽罩對正壓恒位水槽加熱，使槽內的水在任何情況下都與汽包壓力下飽和水的密度相同，不受環境溫度的影響。蒸汽罩的加熱蒸汽取自汽包的蒸汽室，凝結水經疏水管流至鍋爐下降管。

為了使平衡容器能迅速達到正常的工作狀態，在汽包與平衡容器的連接管之間加裝汽側一次門，當鍋爐開始升壓時，要關閉該閥門，使較高壓力的爐水由疏水管注入平衡容器，并迅速充滿正壓恒位水槽。待儀表管路沖洗后，打開該閥門，水位表即可正常投入。

在鍋爐參數變化時，為了保證汽包水位一定，差壓與水位成單值函數，密度補償長度b必須選擇合適，b值的確定是在水位為正常水位h0時求取的。因此，只有當汽包水位為h0時，才能進行良好的密度補償。

水位測量關系式：

Δp=ρcg(L-a-b)+ρwgb-

ρsg(L-a)-(ρw-ρs)g h

(4)

3煉油裝置中平衡容器的選型及應用

蒸汽在煉油裝置中主要用于伴熱、換熱、消防、機械驅動、吹掃等方面，其重要性不言而喻。蒸汽的產生方式主要為高溫油品余熱回收產汽，產出的蒸汽壓力分別為1.0， 2.5， 4.2MPa，主要為中、低壓蒸汽。選用的平衡容器均為蒸汽罩式雙室平衡容器。以某煉油異地改造石油化工項目動力站燃油燃氣鍋爐汽包為背景，介紹在煉油裝置工程安裝中平衡容器正負壓室的選擇及實際測量中液位補償修正的必要性。

3.1正確選擇平衡容器的正負壓室

由于蒸汽罩式雙室平衡容器從外形上很難區分正負壓引壓管，因而平衡容器和變送器連接中常出現引壓導管接反的現象,造成現場投送異常。探其原因,主要是安裝人員不清楚平衡容器的引壓管與差壓變送器之間的連接原理所致[5]。要理清該原理，首先要清楚在差壓液位計測量中的4個過程參數： 實際液位、差壓值、電流信號值、顯示液位。以圖3為例，分析4個參數的轉變過程。

當負壓補償管接變送器高壓側，正壓管接變送器低壓側時：

p+=ρsg(a+c)+ρcg(L-a)

(5)

p-=ρwg h+ρsg(L-h+c)

(6)

Δp,h的計算如式(2)、式(3)所示，參數的變化如圖5所示。

當負壓補償管接變送器低壓側，正壓管接變送器高壓側時：

p+=ρwgh+ρsg(L-h+c)

(7)

p-=ρsg(a+c)+ρwg(L-a)

(8)

(9)

參數的變化如圖6所示。

由圖5、圖6可知，無論現場平衡容器的正負壓室連接至差壓變送器的高壓側，均可根據現場導壓管的接法在DCS內做相應組態調整，從而得到液位的正確顯示。

圖5　負壓補償管接高壓側時的參數變化示意

圖6　負壓補償管接低壓側時的參數變化示意

3.2液位補償修正的必要性

根據式(3)、式(9)可知，影響蒸汽罩式雙室平衡容器測量精度的主要有2個參數ρw和ρs，主要通過如下兩方面影響液位的準確顯示。

1) 由于飽和蒸汽的密度與飽和水的密度相比而言，其密度太小，在工程應用中，計算所引起的誤差時，一般將飽和蒸汽密度忽略。

2) 汽包在不同工作壓力下其飽和水和飽和蒸汽的密度不同引起誤差。

對于第一種原因引起的誤差，在計算變送器量程時按實際工況將飽和蒸汽密度帶入公式計算即可。對于第二種原因引起的誤差，可通過在DCS中列出飽和蒸汽與飽和水在不同壓力下的密度值表，將工作壓力下所測的實際差壓值及查表所得的密度值帶入式(3)或式(9)計算，得出準確的實際液位。

工程應用中是否需要補償修正，可通過兩方面考慮，一是工藝操作及安全生產是否需要精度極高的數據；二是補償修正所需的成本及所帶來的收益是否合理。以一組工程實際數據分析補償的必要性。

該動力站燃油燃氣鍋爐汽包液位儀表取源間距為600mm，液位量程為-300～+300mm，報警值見表1所列。平衡容器規格為： L=600mm； a=75mm； b=75mm；c=124mm。

表1液位報警聯鎖值

報警聯鎖名稱報警聯鎖值/mm液位低低聯鎖-150液位低低報警-100液位低報警 -75液位高報警 +75液位高高報警+100液位高高聯鎖+150

在正常工況下，其工作壓力穩定在4.2MPa，液位測量準確。在啟、停爐時，其工作壓力變化較大，會產生上述第二種原因引起的液位誤差。不同工作壓力下不同液位所產生的差壓見表2所列。實際工作壓力與正常工作壓力相差越大，其液位所產生的差壓誤差越大。

表2不同液位不同壓力下所產生的差壓kPa

壓力/MPa液位/mm-300-200-10001002003000 4.974.023.072.131.180.24 -0.710.44.723.822.922.021.120.23-0.671.54.513.652.791.931.070.22-0.642.54.333.502.681.851.030.21-0.623.44.193.392.591.791.000.199-0.64.24.113.332.551.760.980.196-0.59

動力站鍋爐汽包最小實際壓力與正常工作壓力下產生的液位誤差見表3所列，可以看出，在高/低報警區域內，液位最大誤差為52mm；在高高/低低報警區域內液位最大誤差為55mm；

在聯鎖區域內最大誤差在60～65mm。對于煉油裝置中主要用于伴熱、換熱、消防、機械驅動、吹掃的蒸汽，在保證蒸汽壓力恒定的前提下，其汽包內液位可適當波動。誤差在工藝操作要求允許范圍內，所以不進行補償修正(不增加DCS運算、表格檢索的時間及誤差)是完全可以滿足煉油裝置生產需求的。

表3液位誤差

液位/mm4.2MPa工況與0MPa工況液位誤差/mm-30089.98-20072.84-10055.70038.5610021.422004.28300-12.85

4結束語

綜上所述，無論現場平衡容器的正、負壓室連接至差壓變送器的高壓側，在DCS內做相應組態調整，都可得到液位的正確顯示。煉油裝置內的汽包液位補償僅在啟、停爐時有意義，由于啟、停爐過程時間較短且產生的液位誤差在允許范圍內，所以是否需要對煉油裝置內的汽包做液位補償以達到提高液位精度要求，應根據生產工藝要求而定。

參考文獻：

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Application of Differential Pressure Liquid Level Gauge for Balance

Container in Oil Refining Equipment

Jia Xiaojun1, Hou Changjiang2

(1. Sinopec Luoyang Engineering Co. Ltd., Luoyang, 471003, China;

2. PetroChina Yunnan Petrochemical Co. Ltd., Kunming,650399, China)

Abstracts： The measurement principle and advantage/disadvantage of balance container liquid level meter is introduced with liquid level measurement of one power station oil or gas boiler as background. The structures and measurement methods of several common used balance containers are analyzed with emphasis. The necessity of balance container selection and liquid level compensation correction for oil refining equipment are discussed. It is concluded right liquid level can be displayed with relative configuration adjustment in DCS no matter positive or negative pressure chamber of on-site balance container is connected to high pressure side of differential pressure transmitter. Liquid level compensation for steam drum in oil refining equipment is only helpful during boiler start-up and shut-down. Production requirement can be completely met without compensation correction since time is short during start-up and shut-down and liquid level error generated falls into acceptable range of process operation requirement.

Key words：balance container; positive and negative pressure chamber; liquid level compensation

中圖分類號：TK223.7+5

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7324(2015)06-0017-04

作者簡介：賈曉軍(1982—)，男，2009年畢業于西安建筑科技大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，現就職于中石化洛陽工程有限公司，主要從事煉油裝置的儀表設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-08-27。