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。

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 /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(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。

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:

式中: H 為汽包內(nèi)實(shí)際水位，m; ΔP 為智能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(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)�來了困難。

 

 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 /m3，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) P1、P2 的假定

3． 3． 1 P1、P2 的產(chǎn)生

三廢鍋爐汽包內(nèi)部結(jié)構(gòu)及介謘hou刺�十分竻灿。汽包闹]�分为六铝P�经不同组丙R乃�罎≌婓芯暽汽水混恒曚濗进入集箱，再经上升管送回汽包。进入汽包碘c�水混恒曚槶窋S肭逑雌鞣擲�。窋S氤齙乃�冀{�参与水循涣P�窋S氤齙謀ズ駝羝�经清洗引初V戀臀鹿�壤@鰨�汽包恼E墾仄湔�庚Z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>