吳斌

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，北京 100101)

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差壓法測量鍋爐汽包水位的分析與應用

吳斌

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，北京 100101)

摘要：針對影響汽包水位測量的因素，分別介紹了單室平衡容器、雙室平衡容器和改進型雙室平衡容器在差壓法測量中的應用，通過比較說明了各自的優(yōu)缺點。重點討論了改進型雙室平衡容器與傳統(tǒng)差壓變送器相結合測汽包水位的方法，論述了該平衡容器的固有補償特性，通過設計合適的平衡容器結構參數，并在DCS中建立壓力補償系統(tǒng)，可在一定程度上克服汽包“虛假水位”的影響，達到提高測量精度的目的，同時強調了應對平衡容器和測量管路做合理保溫。

關鍵詞：汽包水位單室平衡容器雙室平衡容器壓力補償系統(tǒng)差壓法

汽包水位對于煉油裝置安全穩(wěn)定的運行不可或缺，汽包水位過高或過低都會影響生產裝置的正常運行。水位過高減小了蒸發(fā)的空間，造成汽水分離的效果較差，使飽和蒸汽帶液過多，影響下游蒸汽驅動設備(如汽輪機)的正常運行；水位過低有可能造成鍋爐干燒，大面積損壞水冷壁，甚至引發(fā)汽包爆炸，造成人員傷亡和財產損失。為實現對汽包水位的有效控制，避免水位劇烈波動造成損失，一般煉廠都會采用三沖量的控制方式，但是實現精確控制的前提是能得到汽包水位的準確值。因此，如何提高測量精度就具有重大意義，筆者主要就差壓法在汽包水位測量中的應用進行了分析。

1差壓法測汽包水位

汽包水位的準確測量一直是煉油裝置的難點之一，這是因為在汽包壓力偏離設計工作點時，飽和水和飽和水蒸氣的密度會發(fā)生變化，從而導致“虛假水位”的問題，給測量帶來很大困難。在設計過程中，一般設計兩套測量方案，以實現冗余測量： 采用浮筒或者雙法蘭或者導波雷達；采用平衡容器配差壓變送器。由于平衡容器配差壓變送器的方式經濟實惠，且能在一定程度上克服“虛假水位”的問題，該方案一直應用廣泛。常用的平衡容器有單室平衡容器和雙室平衡容器。

2單室平衡容器的應用分析

單室平衡容器結構簡單、易于制造和安裝，適用于精確度要求不太高的鍋爐汽包水位測量，典型的采用單室平衡容器的測量系統(tǒng)如圖1所示。

分析可知，在一定壓力下，ρw和ρs都是定值，但由于單室平衡容器的體積很小，很容易受到環(huán)境溫度的影響，其內部冷凝水的密度經常變化，進而造成ρ的變化，帶來測量誤差。為解決該問題，引入雙室平衡容器差壓法。

圖1　單室平衡容器測量系統(tǒng)示意注： ρ——參比水柱密度；ρs——汽包內飽和蒸汽密度；ρw——汽包內飽和水密度；Δp——變送器測得的差壓；　H——汽包內飽和水水位；L——基準杯口至連通器水平　管中心線的距離；Ps——汽包壓力

3雙室平衡容器的應用分析

目前的鍋爐汽包水位測量中，雙室平衡容器配差壓變送器的方法占絕大部分，該種測量方案是由單室平衡容器改進而來。雙室平衡容器的結構有許多種，但它們的測量原理基本相同，以兩種比較典型的結構為例進行介紹。

3.1雙室平衡容器

在實踐中應用較多的平衡容器如圖2所示。其原理： 汽包飽和蒸汽從凝汽室進入，進行熱交換，生成飽和凝結水，凝結水聚積在凝汽室內，產生的壓力傳遞到變送器的負壓側；倒T字形的連通器將汽包內飽和水經過平衡容器與變送器正壓側相連，為了防止凝結水由蒸汽側進入汽包，從而出現水封的問題，一般連通器口應比蒸汽取壓口略低。推導計算Δp的公式如下：

p+=ps+Hgρw+(L-H)gρs

(1)

p-=ps+Lgρw1

(2)

Δp=Hgρw+(L-H)gρs-Lgρw1

(3)

式中： ρw1——凝結水的密度。

圖2　普通雙室平衡容器測量系統(tǒng)示意

式(3)中，一定工況下，ρw和ρs都是定值。但由于平衡容器存在散熱，凝汽室內水溫從上部到下部逐步降低，且不易確定溫度分布，導致ρw1不易確定。實際上ρw1的值與靠近汽包遠近、雙室平衡容器的具體結構、容器保溫情況和環(huán)境溫度變化均有關系，既沒有參考值，又不能準確測量。工程應用中為計算方便，近似認為凝汽室的溫度等于汽包內溫度，則ρw1與ρw近似相同。但實際汽包內溫度遠高于平衡容器溫度，會給測量帶來誤差。

3.2改進型雙室平衡容器

改進型雙室平衡容器是一種具有巧妙設計結構的汽包水位測量輔助裝置，實際應用中效果良好，其主要結構和測量系統(tǒng)如圖3所示，主要包括基準杯、凝汽室、連通器和溢流室等部分。與普通雙室平衡容器類似，來自汽包的飽和水蒸氣在凝汽室內進行熱交換，生成飽和的凝結水，源源不斷灌入基準杯內；基準杯的下端接入差壓變送器的負壓端，將凝結水產生的壓力傳導至變送器的負壓側；連通器被設計成倒T字形，它將鍋爐下部飽和水經過平衡容器與變送器正壓側相連，從而將產生的壓力傳向變送器的正壓側。不同之處在于，改進型雙室平衡容器增加了溢流室，它接收由基準杯溢流出的凝結水，并通過凝結水管，將凝結水不斷排出。由于飽和蒸汽不斷冷凝，不斷釋放熱量，在此過程中，溢流室不斷蓄熱為整個容器進行加熱，確保容器內溫度與汽包中的溫度達到一致。

圖3　改進型雙室平衡容器測量系統(tǒng)示意　注： ρc——水在環(huán)境溫度下的密度；l——基礎杯口　至負壓側水平引壓管中心線的距離

3.2.1改進型雙室平衡容器的測量原理

改進型平衡容器是通過飽和蒸汽不斷冷凝放熱的方法，使負壓側基準杯的水溫等于汽包內溫度，從而使基準杯內冷凝水的密度始終與汽包內飽和水的密度相等。同時，為保證水平引壓管至變送器正負壓側的垂直引壓管中水的密度等于環(huán)境溫度下水的密度，從而便于計算，敷設引壓管的水平段時，應注意延伸足夠的距離，一般要求1m以上。推導差壓測量的計算公式如下：

Δp=(ρw-ρs)gH+Lgρs-lgρw-(L-l)gρc

(4)

3.2.2改進型雙室平衡容器的固有特性

由式(4)可知，當壓力變化時，測得的差壓不僅與ρw和ρs的值有關，也與平衡容器的結構參數L和l有關。利用該特性，在設計平衡容器時，針對汽包的正常操作水位，選擇合適的L和l值，可極大補償汽包壓力變化對汽包正常操作水位的影響，即當汽包壓力變化時，在正常操作水位下，測得的差壓值保持不變，從而獲得較為準確的汽包水位測量值。該特性由容器的自身結構所決定，又稱為雙室平衡容器的固有補償特性 。

3.2.3DCS中壓力補償系統(tǒng)的建立

由上述分析可知，改進型雙室平衡容器解決了容器內的冷凝水與汽包內飽和水存在的溫差問題，同時可通過選擇合適的結構參數L和l，消除正常操作狀態(tài)下壓力變化對汽包水位測量的影響。但在工程應用中，當汽包壓力變化時，汽包水位與正常水位往往會有很大偏離，雖然平衡容器具有補償特性，但補償范圍有限，因而需要采取必要的措施，進一步消除汽包壓力變化對汽包水位測量的影響。通常情況下，可任選壓力補償和溫度補償中的一種，補償效果基本相同，但補償起始點有所區(qū)別： 由“飽和水與飽和水蒸氣密度表”可知，溫度可以與100℃以上的飽和密度和100℃以下時的非飽和密度完全對應；而對于壓力來說，密度表中只有對應飽和密度的相對壓力值，即最低的相對壓力0對應的已經是100℃時的飽和密度。由此可知，工程實際中汽包的工作溫度都很高，從0℃開始補償是完全沒有必要的。因此，筆者只針對壓力補償的方法，建立補償系統(tǒng)。

由式(4)可得下式：

(5)

式(5)中，在環(huán)境溫度確定后，ρc為常數；Δp為變送器的測量值；lgρw-Lgρs和ρw-ρs是關于飽和水蒸氣與飽和水密度的兩個方程式。通過查詢文獻，可以得到這兩個方程式關于壓力的函數曲線。將所得到的函數以及式(5)輸入到用以執(zhí)行運算任務的DCS程序中，該雙室平衡容器的補償系統(tǒng)即告建立。

為了使平衡容器能在更接近理想的狀態(tài)下工作，必須在容器的外部進行適當的保溫。原因是通常情況下凝汽室的溫度遠高于外部環(huán)境溫度，此時它不斷通過熱輻射向外釋放能量。若容器外部不加保溫或者保溫效果不理想，為彌補損失的熱量，蒸汽凝結為水的速度會加快，從而引起更多的飽和水蒸氣進入凝汽室，以產生更多的補充熱量。但在實際應用中，若環(huán)境溫度過低，處于自然對流狀態(tài)的蒸汽，生成的補充熱量不足以維持容器內溫度與汽包內飽和水的溫度一致，進而產生測量誤差。另一方面，為達到更好的測量效果，各汽水取樣管、取樣閥門、連通管也應做保溫處理；引到差壓變送器的兩根導壓管應平行敷設，共同保溫，并根據現場需要加伴熱防凍。

4結束語

差壓法測汽包水位在工程實際中應用廣泛，并可在一定程度上消除汽包“虛假水位”的影響。普通雙室平衡容器不能解決汽包內飽和水與平衡容器中凝結水的溫差問題；改進型雙室平衡容器利用蒸汽加熱的方式較好地解決了該問題，并可通過設計合適的平衡容器結構參數和在DCS中建立壓力補償系統(tǒng)，提高測量精度。

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賽默飛發(fā)布地表水和飲用水中痕量生物胺的檢測方案

近日，科學服務領域的世界領導者賽默飛世爾科技(以下簡稱： 賽默飛)發(fā)布的地表水和飲用水中痕量生物胺的檢測方案。腐胺、尸胺、組胺、亞精胺和精胺是最常見的5種生物胺，攝入過量將會誘發(fā)惡心、心悸、呼吸紊亂等強烈過敏反應，甚至危害生命安全。中國水產品衛(wèi)生標準GB2733—2005就曾明確限定了市售、非活水產品中組胺的含量。

目前生物胺的準確定量測定方法主要有氣質聯(lián)用、液相色譜法和離子色譜法等。其中僅離子色譜法無需將生物胺經過繁瑣的柱前衍生或預衍生處理，以離子交換分離為基礎，簡單而迅捷地實現了這5種生物胺的分離測定。毛細管離子色譜的誕生，標志著離子色譜進入了低消耗、低成本、高效率時代。其微升級的流量，極大地降低了淋洗液的消耗，配合淋洗液自動發(fā)生裝置使用，有效地保證了各種突發(fā)事件發(fā)生時，離子色譜總能在第一時間內完成對應的應急樣品測定。

賽默飛地表水和飲用水中痕量生物胺的檢測方案，采用通用高壓離子色譜ICS-5000+為依托，選用高效陽離子交換分離柱IonPac CS19，以甲基磺酸淋洗液發(fā)生器在線產生甲基磺酸溶液，梯度淋洗，完成了地表水、自來水試樣中痕量腐胺、尸胺等5種常見生物胺的分離分析。該方法重復性較好，準確性較高，在所選定條件下，可準確完成地表水、自來水中痕量腐胺、尸胺、組胺、亞精胺和精胺的分離測定工作。(賽默飛世爾科技(中國)有限公司)

中圖分類號：TH816

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0066-03

作者簡介：吳斌(1983—)，男，2008年畢業(yè)于北京化工大學控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學位，現就職于中國石油工程建設公司華東設計分公司，從事自動控制設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-12-19，修改稿收到日期： 2015-01-21。