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(yuǎn) 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(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]。由于汽包水位對象的復(fù)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(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(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)測量極端異常的成因。

1 差壓水位計(jì)測量異常描述

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。

圖1 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/m3、飽和蒸汽密度為20.105 kg/m3、雙室平衡容器內(nèi)參比水柱的平均密度為980 kg/m3，差壓變送器的計(jì)算量程為-5 644.2～-1 066.3 Pa。

1.2 水位計(jì)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(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(jìn)行水位升降對比試驗(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)值相對穩(wěn)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(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)正常的測量狀態(tài)。

2 汽包水位測量

目前，鍋爐汽包水位測量原理主要有聯(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)簡單、顯示直觀，是測定汽包水位最可靠的手段[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)水位測量，屬電阻式水位測量儀表。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)簡單、應(yīng)用廣泛，多用于監(jiān)視主表、差壓水位計(jì)的核對及保護(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)汽包水位測量原理如圖2所示。

圖2 差壓水位計(jì)汽包水位測量原理圖

雙室平衡容器具備結(jié)構(gòu)簡單、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：

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；rs為汽包內(nèi)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(nèi)飽和水密度，kg/m3。

對于此三廢鍋爐汽包，L=0.6 m。當(dāng)H=0 m時(shí)，對應(yīng)的ΔP為差壓變送的量程下限；H=0.6 m時(shí)，對應(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，對應(yīng)DCS的顯示值為-300～+300 mm。

3 差壓水位計(jì)測量異常原因查找

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、獨(dú)立的、專業(yè)化的工業(yè)鍋爐，并不是對傳統(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)測量系統(tǒng)

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(jīng)過了檢定確認(rèn)，LI-101B則更換為新差壓變送器。測量傳輸回路及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/m3，經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)也是合理的。即使密度設(shè)置存在一定的不合理性，對于此參數(shù)的汽包差壓水位計(jì)測量來說，也不至于產(chǎn)生如此大的偏差[11]。

3.3 汽包內(nèi)P1、P2的假定

3.3.1P1、P2的產(chǎn)生

三廢鍋爐汽包內(nèi)部結(jié)構(gòu)及介質(zhì)狀態(tài)十分復(fù)雜。汽包內(nèi)水分為六路，經(jīng)不同組別的水冷壁后形成汽水混合物后進(jìn)入集箱，再經(jīng)上升管送回汽包。進(jìn)入汽包的汽水混合物經(jīng)分離清洗器分離。分離出的水繼續(xù)參與水循環(huán)，分離出的飽和蒸汽經(jīng)清洗引出至低溫過熱器，汽包內(nèi)部沿其整個(gè)長度方向設(shè)有圓周式隔板在其下半部分形成了環(huán)形空間。

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。高溫粉塵對水冷壁管、爐墻、省煤器水管磨損較為嚴(yán)重，通常對部分磨損嚴(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)烈擾動或是逆時(shí)針的循環(huán)運(yùn)動而產(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P1、P2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)正常的測量，但審視全部檢修項(xiàng)目卻找不到有力的證據(jù)。

3.3.2P1、P2對差壓水位計(jì)的影響

對采用雙室平衡容器差壓水位計(jì)的影響：當(dāng)P1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)P1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(yáng)2的作用方向如何，P2總是同時(shí)作用在差壓變送器的正負(fù)壓室，因此不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

對采用單室平衡容器差壓水位計(jì)的影響：當(dāng)P1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)P1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)P2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)P2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P2的作用不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，因此其異常偏高的主要原因是受到了P1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)槭艿搅薖1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(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

由于汽包水位對象的復(fù)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(fù)雜性，特別是面對復(fù)雜的工程現(xiàn)場，有許多不確定性因素及不可預(yù)知的實(shí)際。針對這一起汽包差壓水位計(jì)測量極端異常情況，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，P1、P2的假設(shè)得不到相關(guān)專業(yè)的認(rèn)可，而P1、P2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(jì)測量極端異常的案例，而產(chǎn)生P1、P2的真正原因則有待進(jìn)一步的研究。