三廢鍋爐汽包差壓水位計測量極端異常的探討

劉燕江，鄧 偉，普存毅，王秉溪

(云南云天化紅磷化工有限公司，云南 開遠 661699)

0 引言

紅磷化工有限公司50 t/h三廢鍋爐于2008年12月建成投產，以合成氨造氣爐渣、污泥、吹風氣及合成馳放氣為主要原料，摻燒一定比例的褐煤，產生壓力為3.82 MPa、溫度為450 ℃的過熱蒸汽。三廢鍋爐在汽包同一側共設置水位計5套，其中2套差壓水位計引入分散控制系統(distributed control system,DCS)，測量值用于顯示、控制及聯鎖保護。確保鍋爐汽包水位在一定的范圍內是鍋爐機組穩定運行所必不可少的條件，也是鍋爐安全運行的關鍵指標之一[1]。由于汽包水位對象的復雜性以及差壓式測量原理的固有特性，決定了汽包水位測量的復雜性。進出汽包的汽水不平衡，汽包內壓力變化以及燃燒工況變化都會引起汽包水位及測量值的變化，且在各種擾動下其變化特性有著很大差異，有時難以判斷汽包水位計異常的真正原因[2]。為此，本文從差壓水位計的測量原理著手，通過條件假定與分析，合理地解釋了一起鍋爐汽包差壓水位計測量極端異常的成因。

1 差壓水位計測量異常描述

1.1 汽包及水位計設置

三廢鍋爐汽包水位測量設置雙色管水位計2套、電極點水位計1套、雙室平衡容器配3051差壓變送器水位計2套(即LI-101A、LI-101B)。5套水位計設置在汽包同一側，水位計量程為-300～+300 mm，各水位計取樣閥標高一致。三廢鍋爐汽包及水位計設置如圖1所示。

圖1 三廢鍋爐汽包及水位計設置

汽包水位控制采用改進型單級三沖量控制系統[3]，水位聯鎖在電極點水位計、LI-101A、LI-101B間采用三選二方式。汽包正常運行時，壓力為4.0 MPa、溫度為250 ℃、飽和水密度為798.66 kg/m3、飽和蒸汽密度為20.105 kg/m3、雙室平衡容器內參比水柱的平均密度為980 kg/m3，差壓變送器的計算量程為-5 644.2～-1 066.3 Pa。

1.2 水位計測量異常描述

某年2月17日夜班鍋爐操作人員反映DCS系統上LI-101A的顯示值比雙色管水位計A的顯示值偏高約100 mm，LI-101B的顯示值比雙色管水位計B、電極點水位計的顯示值偏高約100 mm。經檢查，5套水位計均沒有發現明顯異常。進一步檢查確認2套雙色管水位計及電極點水位計的顯示值是正常的，2套差壓水位計的顯示值確實偏高。引起偏高的原因可能是取樣閥、雙室平衡容器或差壓管路存在“堵塞”。這一情況影響到了鍋爐的安全運行，因此啟動了停車程序。

LI-101A、LI-101B由于沒有雙室平衡容器備件而改為單室平衡容器，并更換了工藝截止閥，平衡容器與差壓變送器間的測量管路拆除新配。在汽包壓力為常壓、水溫約60 ℃的條件下進行水位升降對比試驗。此時，汽包內的水與參比水柱的平均密度差可不考慮，差壓變送器的量程改為-5 762.4～0 Pa。對比試驗表明：LI-101A與雙色管水位計A的示值偏差小于10 mm，LI-101B與雙色管水位計B的示值偏差小于10 mm，LI-101B與電極點水位計的示值偏差小于15 mm，同方位各水位計間的示值偏差符合標準要求[4]。差壓變送器量程重設為-5 644.2～-1 066.3 Pa，鍋爐系統開車。隨著汽包升溫、升壓，LI-101A、LI-101B的顯示值又逐漸比同方位雙色管水位計、電極點水位計的顯示值偏高。鍋爐系統正常后，LI-101A的顯示值比雙色管水位計A的顯示值偏高約130 mm，LI-101B的顯示值比雙色管水位計B、電極點水位計的顯示值偏高約130 mm且數值相對穩定。2月19夜班把LI-101A、LI-101B的測量值在DCS上減去130 mm后再參與水位顯示與控制，三廢鍋爐在4月、6月進行了2次小修，這種狀況一直保持。三廢鍋爐在9月10日的修后開車過程中，LI-101A、LI-101B的顯示值又比同方位的雙色管水位計、電極點水位計的顯示值偏低了很多。鍋爐系統正常后，LI-101A的顯示值比雙色管水位計A的顯示值偏低約130 mm，LI-101B的顯示值比雙色管水位計B、電極點水位計的顯示值偏低約130 mm且數值相對穩定。將LI-101A、LI-101B改為0后,2套差壓水位計恢復正常的測量狀態。

2 汽包水位測量

目前，鍋爐汽包水位測量原理主要有聯通管式和差壓式兩種。

2.1 雙色管水位計

雙色管水位計基于聯通管式原理。其結構簡單、顯示直觀，是測定汽包水位最可靠的手段[5]。當DCS系統上的差壓水位計顯示偏差較大時，操作人員一般以現場雙色管水位計顯示為準。

2.2 電極點水位計

電接點水位計也基于聯通管式原理，利用汽水介質電阻率相差很大的性質來實現水位測量，屬電阻式水位測量儀表。其突出優點是指示值不受汽包壓力變化影響，能準確反映水位情況、結構簡單、應用廣泛，多用于監視主表、差壓水位計的核對及保護報警[6]。

2.3 差壓水位計

差壓水位計是通過水位高度變化轉換成差壓變化來測量水位的。這種轉換通過平衡容器形成參比水柱來實現。平衡容器主要有單室平衡容器和雙室平衡容器。差壓水位計汽包水位測量原理如圖2所示。

圖2 差壓水位計汽包水位測量原理圖

雙室平衡容器具備結構簡單、運行穩定的特點，并具有一定的補償能力，因而在汽包水位測量中被廣泛應用[7]。汽包內的蒸汽在雙室平衡容器凝氣筒A 內不斷凝結為液態，多余的冷凝液通過平衡容器上接管溢流回汽包內，因此凝氣筒A 內的液面總是保持恒定(即壓力恒定)，接差壓變送器的負壓室。倒T 字形連通器，其水平部分一段接入汽包，另一端接入變送器正壓室，正壓側水柱高度則隨汽包水位H 而變化，作用是將汽包內動態水位產生的壓力傳遞給差壓變送器正壓室，與負壓室壓力比較從而得到壓差值(ΔP)，再通過ΔP求得汽包中的水位[7]。汽包水位H與ΔP的關系如下式所示：

式中：H為汽包內實際水位，m；ΔP為差壓變送器的壓差值，Pa；rs為汽包內飽和蒸汽密度，kg/m3；ra為平衡容器參比水柱的平均密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s；L為平衡容器參比水柱高度，m；rw為汽包內飽和水密度，kg/m3。

對于此三廢鍋爐汽包，L=0.6 m。當H=0 m時，對應的ΔP為差壓變送的量程下限；H=0.6 m時，對應的ΔP為差壓變送的量程上限。無論是采用單室或雙室平衡容器，其差壓變送器的量程設置均為-5 644.2～-1 066.3 Pa，輸出4～20 mA電流信號，對應DCS的顯示值為-300～+300 mm。

3 差壓水位計測量異常原因查找

3.1 工藝及操作

三廢鍋爐與傳統鍋爐一樣，汽包水位受到給水流量、蒸汽流量和燃料量等擾動的影響，但在整個過程中沒有證據表明受到了這樣的影響。燃燒偏差會使爐膛的兩側水冷壁熱強度不同、爐水循環倍率出現較大差別，從而使兩側水位偏差高達200 mm。這種偏差經過調整后可以減小或消除[8-9]。由于5套水位計設置在汽包同一側，所受到的影響是一致的，這與出現的異常情況不符，操作上也作了嘗試，效果不明顯。

三廢鍋爐是一種全新的、獨立的、專業化的工業鍋爐，并不是對傳統工業鍋爐的改良，因此具有本身的特殊性和復雜性，如三廢鍋爐中一次風對蒸汽流量的作用同樣影響著汽包水位。這與傳統鍋爐是不同的。此外，由于三廢鍋爐出現時間較短，相關研究資料較少，也給問題的分析查找帶來了困難。

3.2 差壓水位計測量系統

平衡容器與差壓變送器間的測量管路拆除新配并確保不會受到其他因素的干擾，LI-101A的差壓變送器經過了檢定確認，LI-101B則更換為新差壓變送器。測量傳輸回路及DCS經確認無異常。無論是雙室還是單室平衡容器，參比水柱平均密度均取為980 kg/m3，經現場核實也是合理的。即使密度設置存在一定的不合理性，對于此參數的汽包差壓水位計測量來說，也不至于產生如此大的偏差[11]。

3.3 汽包內P1、P2的假定

3.3.1P1、P2的產生

三廢鍋爐汽包內部結構及介質狀態十分復雜。汽包內水分為六路，經不同組別的水冷壁后形成汽水混合物后進入集箱，再經上升管送回汽包。進入汽包的汽水混合物經分離清洗器分離。分離出的水繼續參與水循環，分離出的飽和蒸汽經清洗引出至低溫過熱器，汽包內部沿其整個長度方向設有圓周式隔板在其下半部分形成了環形空間。

三廢鍋爐在實際運行過程中設備故障多、氣體流速快。高溫粉塵對水冷壁管、爐墻、省煤器水管磨損較為嚴重，通常對部分磨損嚴重而通洞的管子進行封堵，運行周期較短[12]。

從圖1可知，如不考慮汽包內部結構，由于某種原因使得上升管、下降管、蒸汽管或是汽包內的正常平衡關系很容易被打破，從而造成下半部環形空間內的水、上半部空間內的汽形成某種關聯的強烈擾動或是逆時針的循環運動而產生附加力。

從2月17日持續到9月10日中修開始，中間經過了4月、6月兩次小修及開停車，在這個過程中也有意識地進行了相關試驗，沒有發現異常情況。9月10日中修后，產生P1、P2的原因消除，汽包內的平衡關系得以恢復，差壓水位計恢復正常的測量，但審視全部檢修項目卻找不到有力的證據。

3.3.2P1、P2對差壓水位計的影響

對采用雙室平衡容器差壓水位計的影響：當P1的作用方向向右時，其作用使ΔP減小，變送器的輸出增加，DCS顯示的水位值上升；當P1的作用方向向左時，其作用使ΔP增加，變送器的輸出減小，DCS顯示的水位值下降。從圖2可知，無論P2的作用方向如何，P2總是同時作用在差壓變送器的正負壓室，因此不會對測量結果產生影響。

對采用單室平衡容器差壓水位計的影響：當P1的作用方向為向右時，其作用使ΔP減小，變送器的輸出增加，DCS顯示的水位值上升；當P1的作用方向為向左時，其作用使ΔP增加，變送器的輸出減小，DCS顯示的水位值下降。當P2的作用方向為向右時，其作用使ΔP增加，變送器輸出減小，DCS顯示的水位值下降；當P2的作用方向為向左時，其作用使ΔP減小，變送器的輸出增加，DCS顯示的水位值上升。

3.4 差壓水位計測量異常的原因

通過上面的假定與分析，可以得出以下結論。

①采用雙室平衡容器時差壓水位計，由于P2的作用不會對測量結果產生影響，因此其異常偏高的主要原因是受到了P1向右的作用。

②采用單室平衡容器時差壓水位計異常偏高，是因為受到了P1向右及P2向左的共同作用。由于多了P2向左的作用，其偏高的數值也比采用雙室平衡容器時的差壓水位計大，這與出現的極端異常情況一致。

4 結束語

由于汽包水位對象的復雜性以及差壓式測量原理的固有特性，決定了汽包水位測量的復雜性，特別是面對復雜的工程現場，有許多不確定性因素及不可預知的實際。針對這一起汽包差壓水位計測量極端異常情況，曾進行過多次技術討論。由于汽包內相關部件的存在，P1、P2的假設得不到相關專業的認可，而P1、P2的假設也沒有相應的證據支持。但從圖1及汽包的實際管道布置并結合整個過程來看，也只有P1、P2的假定及影響才能合理地解釋這一起三廢鍋爐汽包差壓水位計測量極端異常的案例，而產生P1、P2的真正原因則有待進一步的研究。