差壓變送器在干熄焦鍋爐汽包液位測量中的應(yīng)用

【摘要】采用平衡容器加差壓變送器的方式測量干熄焦鍋爐汽包液位時，差壓變送器的測量范圍及遷移量均按正常運行時工作壓力汽包內(nèi)的飽和蒸汽密度和飽和水密度計算求得。實際上，從開工到正常運行，汽包壓力是從零逐漸達(dá)到設(shè)計壓力的，而汽包內(nèi)的飽和蒸汽密度和飽和水密度隨壓力變化很大，因此，汽包水位的測量會產(chǎn)生很大的誤差，誤差隨壓力降低而越來越大。通過補(bǔ)償公式及線性回歸方程，提出對汽包水位測量的壓力補(bǔ)償方法，并在實踐中取得良好的效果。

        干熄焦鍋爐是利用吸收紅焦顯熱的高溫循環(huán)氣體加熱產(chǎn)生額定參數(shù)蒸汽的特殊鍋爐。鍋爐汽包液位是干熄焦運行時的重要參數(shù)，液位過高影響蒸汽品質(zhì)，液位過低容易引發(fā)安全事故，因此干熄焦鍋爐液位測量的準(zhǔn)確性尤為重要。現(xiàn)大多數(shù)干熄焦鍋爐汽包液位采用雙室平衡容器加差壓變送器的方法測量。雙室平衡容器結(jié)構(gòu)本身具有補(bǔ)償功能，但是在干熄焦開工初期，或是鍋爐沒有達(dá)到設(shè)計工況時，液位計測量出來的液位隨汽包壓力變化會與實際液位有較大偏差。采用密度補(bǔ)償公式能使液位計在不同的工況下都保證良好的精確度。

1 平衡容器液位測量原理

        液位測量原理如圖1 所示。差壓變送器負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的壓力為，凝汽室靜壓與飽和水產(chǎn)生的壓力及環(huán)境溫度下的水產(chǎn)生的壓力之和。差壓變送器正壓側(cè)產(chǎn)生的壓力為，凝汽室靜壓與汽水分界面至基準(zhǔn)杯口飽和蒸汽產(chǎn)生的壓力及連通器中飽和水產(chǎn)生的壓力之和。在干熄焦鍋爐正常運行時，負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的壓力為定值，正壓側(cè)產(chǎn)生的壓力隨連通器中飽和水高度的變化而變化。根據(jù)壓強(qiáng)公式P = Hρg 可知，測量出來的差壓即可轉(zhuǎn)換為液位高度。
        差壓變送器正壓側(cè)壓力為:

        微差壓變送器負(fù)壓側(cè)壓力為:

        式中: P +為平衡容器正壓側(cè)輸出壓力，Pa; P －為平衡容器負(fù)壓側(cè)輸出壓力; ρ2為環(huán)境溫度下水的密度，kg /m3 ; ρ3為飽和蒸汽密度，kg /m3 ;Hf為汽包中汽水分界面至連通器水平軸線之間的高度，m; g 為9. 8m/s2。

        微差壓變送器測出的差壓ΔP：

        工程設(shè)計時往往根據(jù)設(shè)計壓力查表得出ρ1、ρ2、ρ3，再代入( 3) 式計算出差壓ΔP 與液位的關(guān)系式。此種做法在鍋爐按設(shè)計壓力運行時液位是準(zhǔn)確的。但是，從開工到設(shè)計壓力過程中( 0 ～ 11MPa) ，飽和蒸汽及飽和水的密度是變化的，據(jù)初步計算，飽和水密度最大偏差可達(dá)283kg /m3，飽和蒸汽密度最大偏差可達(dá)60kg /m3，液位( 0 ～ 0. 6m) 測量誤差最大可達(dá)0. 3m。當(dāng)然，環(huán)境溫度下水的密度ρ2從開工到設(shè)計壓力變化不大，可看做常數(shù)。

        開工初期，例如溫風(fēng)干燥期間，鍋爐汽包壓力往往只有2. 5MPa 左右，再如蒸汽送發(fā)電時，管道吹掃期間，壓力為6 ～ 8MPa，此時的ρ1、ρ3是隨汽包壓力而變化的，即在不同汽包壓力下，ΔP 是一個變化值，ΔP 與液位的關(guān)系式也就不能滿足準(zhǔn)確測量的要求。

2 誤差分析
下面以某干熄焦項目鍋爐為例，分析液位做壓力補(bǔ)償前后的誤差。該鍋爐H1 = 0. 2545m，H2 = 0. 2455m，將H1、H2代入式( 3) 得：

鍋爐汽包設(shè)計壓力為11MPa，查飽和蒸汽密度表可知: ρ1 = 675kg /m3，ρ2 = 1003kg /m3 ( 按20℃) ，ρ3 = 61kg /m3，Hf的變化范圍為0 ～0. 6m，代入式( 4 ) 得ΔPmax = － 187. 4Pa，ΔPmin = － 3797. 7Pa。微差壓變送器的量程設(shè)置為－ 3797. 7 ～ － 187. 4Pa。控制系統(tǒng)做差壓與液位的對應(yīng)關(guān)系為: － 3797. 7Pa 對應(yīng)0m， －187. 4Pa 對應(yīng)0. 6m。

        高壓蒸汽管道吹掃期間，鍋爐汽包壓力為8. 5MPa，此時查飽和蒸汽密度表可知，ρ1 =716. 6kg /m3，ρ2 = 1002kg /m3 ( 按20℃) ，ρ3 =44. 6kg /m3。再代入式( 4 ) 得ΔPmax = －28. 08Pa，ΔPmin = － 3979. 4Pa。

        當(dāng)鍋爐汽包壓力為8. 5MPa 時，以實際液位Hf = 0. 1 為例，計算差壓ΔP = － 3320. 88Pa，控制系統(tǒng)仍然按照－ 3797. 7 ～ － 187. 4Pa 的差壓計算的話，ΔP = － 3320. 88Pa 所對應(yīng)的液位為H'f= 0. 079m，可知由壓力引起的誤差為0. 021m。此誤差會隨著壓力的降低越來越大，因此采用密度補(bǔ)償變得尤為重要。

3 密度補(bǔ)償及應(yīng)用效果
3. 1 密度補(bǔ)償
通過式( 4) 推導(dǎo)出此項目密度補(bǔ)償公式

此項目以汽包中心線為液位計零點，因此得

        式中: Hs為汽包中汽水分界面相對液位零點的高度，m。
        由于ρ2為環(huán)境溫度下水的密度，它隨壓力變化非常小，可認(rèn)為是常數(shù)，文中ρ2取1000kg /m3。從式( 6) 可知，Hs是隨ρ1、ρ3變化的函數(shù)，而ρ1、ρ3又是根據(jù)不同的壓力查飽和蒸汽密度表所得，由于補(bǔ)償公式要輸入控制系統(tǒng)，實時查表工程量比較大，工程中通過查表對ρ1、ρ3做出隨汽包壓力P變化的線性回歸方程如圖2、3 所示。圖2 飽和蒸汽密度隨汽包壓力變化的關(guān)系式
        將線性方程ρ1 = － 18. 97P + 878. 6，ρ3 =5. 635P － 2. 791 代入( 6) 式可得液位高度隨差壓變送器測出的差壓ΔP 及鍋爐汽包壓力P 變化的函數(shù)。

將式( 7) 編進(jìn)控制系統(tǒng)程序即可。

3. 2 應(yīng)用效果
        當(dāng)鍋爐汽包壓力P = 8. 5MPa 時，以實際液位Hf = 0. 1 為例，計算差壓ΔP = － 3320. 88Pa，Hf = 0. 1m 是液位至連通器水平軸線的高度，轉(zhuǎn)化為以汽包中心為零液位的高度H's = － 0. 2m 。將P = 8. 5MPa、ΔP = － 3320. 88Pa 代入式( 7) 得

        此式誤差為0. 0009m，相比不做補(bǔ)償?shù)恼`差0. 021m 已經(jīng)減少了很多。文中線性回歸方程是從2MPa 開始的，線性擬合度相對較差，如果汽包壓力經(jīng)常處于更高的壓力，設(shè)計時可根據(jù)需要，修改補(bǔ)償起始點，這樣測得結(jié)果誤差會更小。

4 結(jié)語
        干熄焦鍋爐汽包壓力從開工到設(shè)計工況的過程變化很大，通過密度補(bǔ)償方法能提高液位計的適用范圍，有效提高測量精度。對某干熄焦鍋爐汽包液位進(jìn)行測量，采用補(bǔ)償后測量準(zhǔn)確度在1%以內(nèi)，與就地液位計接近，滿足工藝生產(chǎn)及安全要求。