【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。通過補償公式及線性回歸方程,提出對汽包水位測量的壓力補償方法,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)本身具有補償功能,但是在干熄焦開工初期,或是鍋爐沒有達到設(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。采用密度補償公式能使液位計在不同的工況下都保證良好的精que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#大偏差可達283kg /m3,飽和蒸汽密度#大偏差可達60kg /m3,液位( 0 ~ 0. 6m) 測量誤差#大可達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,因此采用密度補償變得尤為重要。
3 密度補償及應(yīng)用效果
3. 1 密度補償
通過式( 4) 推導(dǎo)出此項目密度補償公式
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行測量,采用補償后測量準(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。