大型化肥裝置開工鍋爐汽包水位測量及補償

李有忠

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

寧夏石化公司三化肥裝置開工鍋爐由上海鍋爐廠制造，設計壓力14.0 MPa，產汽130 t/h。2013年3月開始安裝，鍋爐為單鍋筒，集中下降管，按π型露天布置，自然循環燃氣鍋爐，在裝置開工和正常運行時，鍋爐為全廠透平提供動力，是裝置中非常關鍵的設備，一旦鍋爐跳車，將會造成合成氨和尿素裝置停車。汽包水位是開工鍋爐及其控制系統中最重要的參數之一，水位過高，直接影響汽水分離，甚至發生蒸汽帶水損壞透平，水位過低，破壞汽水的自然循環，嚴重缺水時發生干鍋事故，為此開工鍋爐設置了4套汽包水位測量系統，其中1套參與汽包液位三沖量調節，3套進入SIS系統參與聯鎖保護，當液位高于+100 mm時，打開放水閥，汽包水位高至210 mm或低至-230 mm時，鍋爐將會聯鎖停爐。在汽包水位測量中，雙室平衡容器是差壓式水位計一次儀表，它與差壓變送器配套使用。

開工鍋爐自2017年7月至2018年1月調試期間鍋爐汽包水位計遠傳指示波動大，指示不準，水位計測量偏差大且與就地水位計存在偏差，汽包水位出現大幅度波動并且與現場玻璃板液位計偏差很大，先后7次造成了開工鍋爐因為汽包水位達到210 mm的高聯鎖值停爐，嚴重制約鍋爐正常運行，通過檢查及分析確定汽包水位偏差大的原因為現場測量汽包水位未在DCS系統內進行補償，本文介紹了開工鍋爐雙室平衡容器的工作原理，分析了雙室平衡容器在測量汽包液位時波動的原因，介紹了和利時MACS-K DCS系統中汽包水位補償原理，最終達到汽包水位指示正確、鍋爐運行平穩目的[1-3]。

1 原因分析

經過對現場差壓變送器量程檢查，對設計資料進行確認，最終發現設計人員在設計之初并沒有考慮到不同壓力下密度差異大的問題，現場變送器只是根據汽包正常工作時14 MPa壓力對應的密度來計算量程范圍，而開工鍋爐啟爐有一個逐漸升溫升壓的過程，在開始階段汽包壓力并不能達到14 MPa，在此過程中，汽水密度遠高于汽包正常工作壓力時密度，這就導致了汽包液位與現場實際液位偏差很大，控制室DCS顯示的液位比現場玻璃板液位偏高了100 mm以上，給工藝人員帶來了很大的操作不便，同時在升壓過程中汽包液位的波動也很大，工藝人員為了防止汽包高水位造成停爐，只能參考就地液位計指示來調整汽包水位，因調節不及時，導致了多次汽包水位高聯鎖停爐，影響了后續的開車進度，如何解決液位偏差大的問題，那就必須要對液位進行補償，使平衡容器在不同的工作壓力下，可以有不同的密度參與到液位的運算中去，這樣就能解決汽包在升壓過程中水位指示偏差大的問題，同時也使工藝操作人員能夠讀取準確的汽包液位示值，提高了操作的準確性。

2 雙室平衡容器簡介

三化肥開工鍋爐B47W雙室平衡容器是由正壓管、負壓管等零件焊接而成，工作過程中，飽和蒸汽因為凝結而釋放的熱量同時對正壓管和負壓管加熱，使正壓管內的重度在任何工況下都近似等于汽包內水的重度，又由于正確選用正壓管的高度，不論容器內壓力如何變化，正壓管的壓力與負壓管的壓力變化值均相等，因此雙室平衡容器輸出差壓不變，汽包水位不變，一旦汽包水位變化，則變送器輸出差壓隨之變化，差壓變送器的負壓側由于平衡容器有恒定的水柱而維持不變，正壓側隨著汽包水位的變化而變化。利用正壓側、負壓側形成的差壓信號傳輸到變送器，根據差壓與液位函數關系將差壓信號送到DCS系統中轉化為汽包液位指示。

開工鍋爐雙室平衡容器汽包水位測量原理（見圖1），在測量過程中汽包液位發生變化會產生相應的差壓，差壓和汽包水位之間的關系如下式。

圖1 雙室平衡容器原理圖

根據開工鍋爐提供的設計參數。式中：L-汽包汽相側和水相側取樣孔之間的距離（單位：mm，開工鍋爐為860 mm）；h-測量水位（單位：mm，測量范圍為汽包中心線上下300 mm）；h0-430 mm（汽包中心線到液相側取壓孔距離）；ΔP-差壓（單位：Pa）；ρw-飽和水密度（單位：kg/m3）；ρs-飽和蒸汽密度（單位：kg/m3）；g-重力加速度（單位：m/s2）。

從以上公式中可以看出汽包的液位與飽和水和飽和蒸汽的密度有很大的關系，而在汽包不同壓力下，汽水密度都是隨壓力改變的，飽和水的密度ρw與飽和蒸汽的密度ρs在不同壓力下相差很大；因此在鍋爐啟動過程中或升壓過程中，同一汽包水位所產生的壓差是不同的（見表1）。

表1 汽包的液位與飽和水和飽和蒸汽的密度對照表

3 MACS-K DCS系統中汽包水位補償原理

如何能對汽包液位進行補償，使其在不同壓力下能使用不同的密度參與汽包水位的計算呢，那就必須在DCS系統中對水位進行補償。寧夏石化公司三化肥裝置全流程使用了杭州和利時公司最新推出的MACS-K大型分布式控制系統，該系統采用了全冗余，多重隔離等可靠性技術，吸收了安全系統的設計理念，改進、完善了組態軟件的友好性和易用性，降低了入門難度，提高了用戶組態的效率，提升了用戶的舒適感。組態軟件MACSV6.5.2具有強大而多樣的功能，包括：數據采集、控制調節、報警、趨勢、總貌圖、模擬流程圖、數據一覽、日志管理、表格管理、事件順序記錄、報表和數據統計、顯示管理、人機對話、打印管理、系統故障診斷及故障監視、系統組態、操作員在線參數設定、存檔數據的離線查詢、控制分組、控制回路等。

在DCS系統上對汽包液位補償的關鍵就是要建立一個不同壓力下可以得到不同密度值的函數，通過上述的密度表可以推斷出在不同壓力的情況下，對應的密度值接近于線性，因為MACS-K系統給用戶提供了豐富的功能塊，通過比較可以選用ONEFOLD（一維插值）功能塊，此功能塊的詳細組態信息（見表2）。

該功能塊將輸入值IN置于X軸的某一段中，然后根據與該段相關的XARR、YARR值算出對應IN的OUT值。落在給定XARR的最大值和最小值之間的IN，用與其相鄰的兩組XARR、YARR值進行運算。落在XARR最小值和最大值外的IN，算法不進行處理，保持上一次的輸出值。有8個點的該功能塊的運算示意圖（見圖2）。

該功能塊最多有16個輸入點和16個輸出點，通過該功能塊可以將密度表中的壓力值做為IN端輸入，而相應的汽包飽和水與飽和汽密度之差作為OUT端輸出，而兩個輸入點之間的數據按線性進行自動計算。通過此函數就可以得到雙室平衡容器汽包液位計算公式中不同壓力條件下相對應的（ρw-ρs）值，這樣就可以達到在不同壓力情況下獲取不同密度的目的。根據h=430+1 000×ΔP/（（ρw-ρs）×g）（mm），DCS系統組態（見圖3），其中LI_8262測量平衡容器正負壓側差壓值，AM23_LI_8262是補償后的汽包水位測量值。

表2 一維ONEFOLD（一維插值）功能塊

圖2 一維ONEFOLD（一維插值）功能示意圖

圖3 汽包水位DCS補償組態

圖3中F2X是汽包壓力與（ρw-ρs）的函數，根據鍋爐汽包壓力PI_8262B的實時壓力的變化獲得相對應壓力下的（ρw-ρs）值，通過對汽包液位函數的組態，可以獲得一個汽包液位值，實現了汽包液位在不同壓力條件下獲得汽包內不同飽和蒸汽和飽和水密度的補償，不同壓力條件下可以計算出相對應的汽包水位真實值。

4 結語

開工鍋爐汽包水位經過在DCS系統補償計算后，汽包水位指示平穩，工藝人員在后續開車和調試過程中汽包水位指示正常，與現場玻璃板液位計的偏差在10 mm左右，并且在調整負荷過程中也沒有出現大幅度的波動，為工藝人員的操作提供了幫助。經過補償后，工藝人員的操作難度得到了降低，同時開工鍋爐在后續的運行中再也沒有出現因為汽包水位波動大造成聯鎖停爐，此次在DCS上對汽包水位的補償達到了預期的效果，后續在SIS系統中也借鑒DCS成功補償的做法，對3臺汽包水位進行了補償，避免了汽包水位誤指示造成的聯鎖停爐。