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差壓變送器

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關(guān)于鍋爐汽包差壓水位計(jì)測(cè)量及其差壓變送器極端異常的探討解析

作時(shí)間:2019-08-07  來源: 云南云天化紅磷化工有限公司  作者:劉燕江,鄧 偉,普存毅,王秉溪
   
摘 要: 在鍋爐汽包水位測(cè)量中,廣泛采用平衡容器與差壓變送器組成的差壓水位計(jì),其測(cè)量值主要用于控制和聯(lián)鎖保護(hù)。由于汽包水位對(duì)象的復(fù)雜性以及差壓式測(cè)量原理的固有特性,在不同擾動(dòng)下汽包水位及測(cè)量值變化有著很大差異,有時(shí)往往難以判斷汽包水位計(jì)異常的真正原因。對(duì)某三廢鍋爐汽包差壓水位計(jì)測(cè)量極端異常案例進(jìn)行研究,在找不到直接原因及有關(guān)證據(jù)的情況下,從差壓水位計(jì)測(cè)量原理著手,通過條件假定與分析,合理地解釋了這一起汽包差壓水位計(jì)測(cè)量極端異常的成因。此外,三廢鍋爐是一種全新的、好立的、專業(yè)化的工業(yè)鍋爐。它并不是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐的改良,因此汽包水位有其自身的復(fù)雜性。這一極端異常案例正是這種復(fù)雜性的體現(xiàn),具有一定的代表性及借鑒意義。
 
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(chǎn),以合成氨造氣爐渣、污泥、吹風(fēng)氣及合成馳放氣為主要原料,摻燒一定比例的褐煤,產(chǎn)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(cè)共設(shè)置水位計(jì) 5 套,其中 2 套差壓水位計(jì)引入分散控制系統(tǒng)( distributed control system,DCS) ,測(cè)量值用于顯示、控制及聯(lián)鎖保護(hù)。確保鍋爐汽包水位在一定的范圍內(nèi)是鍋爐機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行所必不可少的條件,也是鍋爐安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1] 。由于汽包水位對(duì)象的復(fù)雜性以及差壓式測(cè)量原理的固有特性,決定了汽包水位測(cè)量的復(fù)雜性。進(jìn)出汽包的汽水不平衡,汽包內(nèi)壓力變化以及燃燒工況變化都會(huì)引起汽包水位及測(cè)量值的變化,且在各種擾動(dòng)下其變化特性有著很大差異,有時(shí)難以判斷汽包水位計(jì)異常的真正原因[2] 。為此,本文從差壓水位計(jì)的測(cè)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(jì)測(cè)量極端異常的成因。
 
1 差壓水位計(jì)測(cè)量異常描述
1. 1 汽包及水位計(jì)設(shè)置
三廢鍋爐汽包水位測(cè)量設(shè)置雙色管水位計(jì) 2 套、電極點(diǎn)水位計(jì) 1 套、雙室平衡容器配 3051 差壓變送器水位計(jì) 2 套( 即 LI-101A、LI-101B) 。5 套水位計(jì)設(shè)置在汽包同一側(cè),水位計(jì)量程為 - 300 ~ + 300 mm,各水位計(jì)取樣閥標(biāo)高一致。三廢鍋爐汽包及水位計(jì)設(shè)置如圖 1 所示。
三廢鍋爐汽包及水位計(jì)設(shè)置
汽包水位控制采用改進(jìn)型單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)[3] ,水位聯(lián)鎖在電極點(diǎn)水位計(jì)、LI-101A、LI-101B 間采用三選二方式。汽包正常運(yùn)行時(shí),壓力為4. 0 MPa、溫度為 250 ℃、飽和水密度為 798. 66 kg/m 3 、飽和蒸汽密度為 20. 105 kg/m 3 、雙室平衡容器內(nèi)參比水柱的平均密 度 為 980 kg/m 3 ,差 壓 變 送 器 的 計(jì) 算 量 程 -5 644. 2 ~ -1 066. 3 Pa。
 
1. 2 水位計(jì)測(cè)量異常描述
某年 2 月 17 日夜班鍋爐操作人員反映 DCS 系統(tǒng)上 LI-101A 的顯示值比雙色管水位計(jì) A 的顯示值偏高約 100 mm,LI-101B 的顯示值比雙色管水位計(jì) B、電極點(diǎn)水位計(jì)的顯示值偏高約 100 mm。經(jīng)檢查,5 套水位計(jì)均沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常。進(jìn)一步檢查確認(rèn) 2 套雙色管水位計(jì)及電極點(diǎn)水位計(jì)的顯示值是正常的,2 套差壓水位計(jì)的顯示值確實(shí)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(yùn)行,因此啟動(dòng)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(cè)量管路拆除新配。在汽包壓力為常壓、水溫約 60 ℃的條件下進(jìn)行水位升降對(duì)比試驗(yàn)。此時(shí),汽包內(nèi)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(duì)比試驗(yàn)表明: LI-101A 與 雙 色 管 水 位 計(jì) A 的 示 值 偏 差 小 于10 mm,LI-101B 與雙色管水位計(jì) B 的示值偏差小于10 mm,LI-101B 與電極點(diǎn)水位計(jì) 的示值偏差小于15 mm,同方位各水位計(jì)間的示值偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4] 。差壓變送器量程重設(shè)為 -5 644.2 ~ -1 066.3 Pa,鍋爐 系 統(tǒng) 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(jì)、電極點(diǎn)水位計(jì)的顯示值偏高。鍋爐系統(tǒng)正常后,LI-101A的顯示值比雙色管水位計(jì) A 的顯示值偏高約130 mm,LI-101B 的顯示值比雙色管水位計(jì) B、電極點(diǎn)水位計(jì)的顯示值偏高約 130 mm 且數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定。2 月 19 夜班把 LI-101A、LI-101B 的測(cè)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(jìn)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(jì)、電極點(diǎn)水位計(jì)的顯示值偏低了很多。鍋爐系統(tǒng)正常后,LI-101A 的顯示值比雙色管水位計(jì) A 的顯示值偏低約 130 mm,LI-101B的顯示值比雙色管水位計(jì) B、電極點(diǎn)水位計(jì)的顯示值偏低 約 130 mm 且 數(shù) 值 相 對(duì) 穩(wěn) 定。 將 LI-101A、LI-101B 改為 0 后,2 套差壓水位計(jì)恢復(fù)正常的測(cè)量狀態(tài)。
 
2 汽包水位測(cè)量
目前,鍋爐汽包水位測(cè)量原理主要有聯(lián)通管式和
差壓式兩種。
 
2. 1 雙色管水位計(jì)
雙色管水位計(jì)基于聯(lián)通管式原理。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、顯示直觀,是測(cè)定汽包水位#可靠的手段[5] 。當(dāng) DCS系統(tǒng)上的差壓水位計(jì)顯示偏差較大時(shí),操作人員一般以現(xiàn)場(chǎng)雙色管水位計(jì)顯示為準(zhǔn)。
 
2. 2 電極點(diǎn)水位計(jì)
電接點(diǎn)水位計(jì)也基于聯(lián)通管式原理,利用汽水介質(zhì)電阻率相差很大的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量,屬電阻式水位測(cè)量?jī)x表。其突出優(yōu)點(diǎn)是指示值不受汽包壓力變化影響,能準(zhǔn)確反映水位情況、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛,多用于監(jiān)視主表、差壓水位計(jì)的核對(duì)及保護(hù)報(bào)警
[6] 。
 
2. 3 差壓水位計(jì)
差壓水位計(jì)是通過水位高度變化轉(zhuǎn)換成差壓變化來測(cè)量水位的。這種轉(zhuǎn)換通過平衡容器形成參比水柱來實(shí)現(xiàn)。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(jì)汽包水位測(cè)量原理如圖 2所示。
差壓水位計(jì)汽包水位測(cè)量原理圖
雙室平衡容器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn),并具有一定的補(bǔ)償能力,因而在汽包水位測(cè)量中被廣泛應(yīng)用[7] 。汽包內(nèi)的蒸汽在雙室平衡容器凝氣筒 A 內(nèi)不斷凝結(jié)為液態(tài),多余的冷凝液通過平衡容器上接管溢流回汽包內(nèi),因此凝氣筒 A 內(nèi)的液面總是保持恒定( 即壓力恒定) ,接差壓變送器的負(fù)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(cè)水柱高度則隨汽包水位 H 而變化,作用是將汽包內(nèi)動(dòng)態(tài)水位產(chǎn)生的壓力傳遞給差壓變送器正壓室,與負(fù)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(guān)系如下式所示:
20190807095504.jpg
式中: H 為汽包內(nèi)實(shí)際水位,m; ΔP 為差壓變送器的壓差值,Pa; r s 為汽包內(nèi)飽和蒸汽密度,kg/m 3 ; r a 為平衡容器參比水柱的平均密度,kg/m 3 ; g 為重力加速度,m/s;L 為平衡容器參比水柱高度,m; r w 為汽包內(nèi)飽和水密度,kg/m 3 。
對(duì)于此三廢鍋爐汽包,L = 0. 6 m。當(dāng) H = 0 m 時(shí),對(duì)應(yīng)的 ΔP 為差壓變送的量程下限; H = 0. 6 m 時(shí),對(duì)應(yīng)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(shè) 置 均 為-5 644. 2 ~ -1 066. 3 Pa,輸出 4 ~ 20 mA 電流信號(hào),對(duì)應(yīng) DCS 的顯示值為 -300 ~ +300 mm。
 
3 差壓水位計(jì)測(cè)量異常原因查找
3. 1 工藝及操作
三廢鍋爐與傳統(tǒng)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(dòng)的影響,但在整個(gè)過程中沒有證據(jù)表明受到了這樣的影響。燃燒偏差會(huì)使?fàn)t膛的兩側(cè)水冷壁熱強(qiáng)度不同、爐水循環(huán)倍率出現(xiàn)較大差別,從而使兩側(cè)水位偏差高達(dá) 200 mm。這種偏差經(jīng)過調(diào)整后可以減小或消除[8-9] 。由于 5 套水位計(jì)設(shè)置在汽包同一側(cè),所受到的影響是一致的,這與出現(xiàn)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、好立的、專業(yè)化的工業(yè)鍋爐,并不是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐的改良,因此具有本身的特殊性和復(fù)雜性,如三廢鍋爐中一次風(fēng)對(duì)蒸汽流量的作用同樣影響著汽包水位。這與傳統(tǒng)鍋爐是不同的。此外,由于三廢鍋爐出現(xiàn)時(shí)間較短,相關(guān)研究資料較少,也給問題的分析查找?guī)砹死щy。
 
3. 2 差壓水位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)
平衡容器與差壓變送器間的測(cè)量管路拆除新配并確保不會(huì)受到其他因素的干擾,LI-101A 的差壓變送器經(jīng)過了檢定確認(rèn),LI-101B 則更換為新差壓變送器。測(cè)量傳輸回路及 DCS 經(jīng)確認(rèn)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/m 3 ,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)也是合理的。即使密度設(shè)置存在一定的不合理性,對(duì)于此參數(shù)的汽包差壓水位計(jì)測(cè)量來說,也不至于產(chǎn)生如此大的偏差[11] 。
 
3. 3 汽包內(nèi) P 1 、P 2 的假定
3. 3. 1 P 1 、P 2 的產(chǎn)生
三廢鍋爐汽包內(nèi)部結(jié)構(gòu)及介謘hou刺指叢印F謁治罰煌楸鸕乃潯諍笮緯善旌銜錆蠼爰,再经上升管送回汽包。进入汽包碘c旌銜錁擲肭逑雌鞣擲。窋S氤齙乃絳斡胨罰擲氤齙謀ズ駝羝逑匆鮒戀臀鹿繞鰨誆墾仄湔齔ざ確較蟶櫨性倉(cāng)蓯礁舭逶諂湎擄氬糠中緯閃嘶沸慰占洹?/div>
三廢鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過程中設(shè)備故障多、氣體流速快。高溫粉塵對(duì)水冷壁管、爐墻、省煤器水管磨損較為嚴(yán)重,通常對(duì)部分磨損嚴(yán)重而通洞的管子進(jìn)行封堵,運(yùn)行周期較短[12] 。
從圖 1 可知,如不考慮汽包內(nèi)部結(jié)構(gòu),由于某種原因使得上升管、下降管、蒸汽管或是汽包內(nèi)的正常平衡關(guān)系很容易被打破,從而造成下半部環(huán)形空間內(nèi)的水、上半部空間內(nèi)的汽形成某種關(guān)聯(lián)的強(qiáng)烈擾動(dòng)或是逆時(shí)針的循環(huán)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生附加力。
從 2 月 17 日持續(xù)到 9 月 10 日中修開始,中間經(jīng)過了 4 月、6 月兩次小修及開停車,在這個(gè)過程中也有意識(shí)地進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。9 月 10日中修后,產(chǎn)生 P 1 、P 2 的原因消除,汽包內(nèi)的平衡關(guān)系得以恢復(fù),差壓水位計(jì)恢復(fù)正常的測(cè)量,但審視全部檢修項(xiàng)目卻找不到有力的證據(jù)。
 
3. 3. 2 P 1 、P 2 對(duì)差壓水位計(jì)的影響
對(duì)采用雙室平衡容器差壓水位計(jì)的影響: 當(dāng) P 1 的作用方向向右時(shí),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(dāng) P 1 的作用方向向左時(shí),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 P 2 的作用方向如何,P 2總是同時(shí)作用在差壓變送器的正負(fù)壓室,因此不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。
對(duì)采用單室平衡容器差壓水位計(jì)的影響: 當(dāng) P 1 的作用方向?yàn)橄蛴視r(shí),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(dāng) P 1 的作用方向?yàn)橄蜃髸r(shí),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(dāng) P 2 的作用方向?yàn)橄蛴視r(shí),其作用使 ΔP 增加,變送器輸出減小,DCS 顯示的水位值下降; 當(dāng) P 2 的作用方向?yàn)橄蜃髸r(shí),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(jì)測(cè)量異常的原因
通過上面的假定與分析,可以得出以下結(jié)論。
①采用雙室平衡容器時(shí)差壓水位計(jì),由于 P 2 的作用不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,因此其異常偏高的主要原因是受到了 P 1 向右的作用。
②采用單室平衡容器時(shí)差壓水位計(jì)異常偏高,是因?yàn)槭艿搅?P 1 向右及 P 2 向左的共同作用。由于多了P 2 向左的作用,其偏高的數(shù)值也比采用雙室平衡容器時(shí)的差壓水位計(jì)大,這與出現(xiàn)的極端異常情況一致。
 
4 結(jié)束語(yǔ)
由于汽包水位對(duì)象的復(fù)雜性以及差壓式測(cè)量原理的固有特性,決定了汽包水位測(cè)量的復(fù)雜性,特別是面對(duì)復(fù)雜的工程現(xiàn)場(chǎng),有許多不確定性因素及不可預(yù)知的實(shí)際。針對(duì)這一起汽包差壓水位計(jì)測(cè)量極端異常情況,曾進(jìn)行過多次技術(shù)討論。由于汽包內(nèi)相關(guān)部件的存在,P 1 、P 2 的假設(shè)得不到相關(guān)專業(yè)的認(rèn)可,而 P1 、P 2的假設(shè)也沒有相應(yīng)的證據(jù)支持。但從圖 1 及汽包的實(shí)際管道布置并結(jié)合整個(gè)過程來看,也只有 P 1 、P 2 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(jì)測(cè)量極端異常的案例,而產(chǎn)生 P 1 、P 2 的真正原因則有待進(jìn)一步的研究。
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