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1、化工自動化及儀表第38卷鍋爐汽包水位的測量與控制魏慶韙(中國五環(huán)工程有限公司，武漢430223)摘要介紹了采用雙室平衡容器測量鍋爐水位的方法與原理，闡述其補(bǔ)償系統(tǒng)的建立方法和汽包水位控制的3種方案。關(guān)鍵詞鍋爐汽包水位測量補(bǔ)償系統(tǒng)三沖量控制方案中圖分類號TH7文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1000—3932(2011)11—1334-03汽包水位是鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一¨1，鍋爐正常運(yùn)行時，汽包水位會直接影響蒸汽的品質(zhì)和鍋爐的安全，當(dāng)水位過低且負(fù)荷很大時汽包內(nèi)的汽化速度很快，液體會全部汽化，可能導(dǎo)致鍋爐燒干甚至引起爆炸；水位過高時會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)
2、象，降低蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴(yán)重時會損壞后續(xù)設(shè)備。為保證鍋爐安全、有效地運(yùn)行，需控制汽包水位在穩(wěn)定值范圍內(nèi)，而控制好汽包水位的前提條件是對汽包水位進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。筆者結(jié)合云天化水富煤代氣技改項目甲醇裝置中的汽包儀表設(shè)計，闡述鍋爐汽包水位的溫度補(bǔ)償型雙室平衡容器測量原理和3種控制方案。1溫度補(bǔ)償型雙室平衡容器測量原理雙室平衡容器套筒(圖1)的內(nèi)部分為汽側(cè)凝結(jié)水室和水側(cè)水室，兩個水室在容器內(nèi)不相通，汽側(cè)凝結(jié)水室與平衡容器汽側(cè)的采樣管相通，水側(cè)水室與平衡容器水側(cè)的采樣管相通，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。正常情況下，汽側(cè)凝結(jié)水室里的蒸汽遇冷凝結(jié)成水聚集在變送器的正壓表管內(nèi)，凝結(jié)水變正1
3、C1匭●_：葡i!量主要由被測容器的壓力和正壓表管的溫度決定。由于表管包在平衡容器套筒里，因此溫度從上到下的分布規(guī)律基本一定，一般取平均溫度。另外，測量要求正壓表管內(nèi)的水位為滿度(恒定)，這樣就可以利用正壓表管與平衡容器水側(cè)采樣管內(nèi)的水位差來測量鍋爐內(nèi)的液位了。汽包0位圖2雙室平衡容器尺寸關(guān)系目前，鍋爐汽包液位的測量大多采用溫度補(bǔ)償型雙室平衡容器測量原理設(shè)計的儀表。根據(jù)圖2列出下式：△P=P+-p一(1)=p。gL—p。g[￡一(ho+^)]一P。g(h+ho)變換式(1)可得：^=L一^。一志(2)式中h——水位，m；△p——壓差，Pa；P。，P。——飽和水、飽和
4、蒸汽的密度，kg／m3；g——重力加速度，9．8m／s2。圖1雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)收稿日期：201lm7．20(修改稿)第11期魏慶韙．鍋爐汽包水位的測量與控制2雙室平衡容器原理的缺陷雙室平衡容器原理雖然能較準(zhǔn)確地測量鍋爐的水位，但是它還存在以下問題：a．平衡容器的溫度遠(yuǎn)低于汽包的溫度，故負(fù)壓管的水面比汽包水面低，因此會產(chǎn)生測量誤差；b．平衡容器向外散熱，正、負(fù)壓容器中的水溫由上至下逐漸降低且溫度分布不確定，P。和p。的數(shù)值很難確定；C．當(dāng)汽包壓力變化時P。和P。隨之變化，導(dǎo)致其指示產(chǎn)生較大誤差，隨著壓力的降低，飽和水和飽和蒸汽的密度差增大，由于雙室內(nèi)平衡容器的結(jié)構(gòu)尺
5、寸￡總是大于水位h，因此輸出△p相應(yīng)增大，差壓水位計的指示偏低。由于介質(zhì)密度的變化造成雙室平衡容器原理不能精確測量鍋爐汽包液位，必須采取補(bǔ)償措施消除密度變化對汽包水位測量的影響，筆者采用了壓力補(bǔ)償方式。3水位測量的壓力補(bǔ)償水富甲醇合成汽包蒸汽的操作溫度為225—250。C，操作壓力為2．5—4．0MPa(G)，為了簡化壓力與密度之間的關(guān)系方程式，根據(jù)《水和水蒸氣的密度》表B1，在飽和壓力為1．0～5．0MPa時，選定11組不同壓力下的飽和水和飽和蒸汽的密度值，對P，一p。作函數(shù)曲線(圖3)。圖3密度與壓力函數(shù)曲線將函數(shù)曲線回歸成密度隨壓力變化關(guān)系的補(bǔ)償公式：p．一P
6、。=一29．774p。+898．202(3)式中p?！鼉?nèi)飽和蒸汽的壓力測量值，MPa。由式(2)可知未補(bǔ)償?shù)钠?，將?3)代入式(2)，則有：^=￡一_Il。一i_二互石_亨亍耳；?：1麗(4)即引入汽包壓力的測量值對液位進(jìn)行密度補(bǔ)償計算，完成對汽包液位的密度補(bǔ)償。4汽包水位控制方案4．1傳統(tǒng)控制方案的缺陷汽包水位的控制手段歸根結(jié)底就是控制給水，傳統(tǒng)的單沖量(汽包水位)和雙沖量(汽包水位和蒸汽流量)控制系統(tǒng)本身都有不可克服的缺陷。對于單沖量控制系統(tǒng)，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增大時，由于出現(xiàn)了假水位，控制器不但不能開大給水閥增加給水量，反而作了關(guān)小控制閥的動作，減少
7、了給水量。假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，水位嚴(yán)重下降，波動很厲害甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度，以致發(fā)生事故。雙沖量控制系統(tǒng)在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號，蒸汽流量起校正作用，糾正假水位引起的誤動作，使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動。但雙沖量控制系統(tǒng)有兩個缺陷：控制閥的工作特性不一定呈線性，要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；對于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服㈨。4．2改進(jìn)后的三沖量控制方案在水富煤代氣技改項目甲醇裝置的汽包液位控制中，采用了改進(jìn)后的三沖量控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)是在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入給水流量信號，先將水位、蒸汽流量和給水流
