關鍵詞：汽包水位測量；雙室平衡容器

    尹海潮
男, 山東菏澤人,助理工程師，學士學位, 從事檢測及基礎自動化工作。

1     概述

    汽包作為一個高溫高壓設備無論是在加熱爐或是在其它熱力設施上，一直都受到人們的高度重視，汽包水位不僅關系到蒸汽的質量，同時對汽包的安全運行也是十分重要的。由于汽包中的高溫高壓，在蒸汽和水的交界面上形成許多氣泡，給汽包水位測量帶來困難，造成人們常說的“虛假水位”。因此，很多人致力于研究如何提高汽包水位的測量精度，筆者通過對濟鋼1700熱連軋加熱爐氣化冷卻系統的研究并結合在鞍鋼熱軋、梅山熱軋的學習經驗，對加熱爐汽化冷卻裝置汽包水位測量上采用計算機技術提高了汽包水位測量精度的方法作簡要介紹。

2    測量方法分析

    2.1   通常測量方法的缺陷

    傳統的測量方法一般采用雙室平衡容器，通過汽包水位和平衡容器差壓成線性比例反算出汽包水位(如圖1)，γ_１、γ₂、γ₃分別為汽包內飽和蒸氣、汽包內飽和水和平衡容器內參考冷凝水的密度，可通過查有關設計手冊獲得，計算得到平衡容器輸出差壓為：

                      (1)

    當汽包水位達到最高水位時，差壓變送器輸出最大差壓；當汽包水位達到最低水位時，差壓變送器輸出最小差壓，變送器量程：△Pmax～△Pmin；變送器遷移量：△Pmax；汽包水位和差壓變送器輸出關系如圖2所示：

    大多數場合，汽包水位都采用這種方法測量。其特點是結構簡單，設備維護量小，在工況穩定的情況下，使用效果尚可。但當汽包內的工作點偏離設定點時，使用這種測量方法得到的汽包水位和汽包的實際水位存在著較大的偏差。

    項目汽包設計工作壓力為1.27MPa，工作溫度為190℃，變送器采用川儀橫河EJA差壓變送器，雙室平衡容器高度為1100mm，查相關設計手冊可得γ₁=6.5kg/m3，γ₂=875kg/m3，γ3=972kg/m3，當汽包水位達到最高時，即h=H時，差壓值最大；當汽包水位最低時，即h=0時，差壓值最小；根據公式(1)計算得到差壓變送器量程為9362Pa，差壓變送器遷移量為-1046 Pa：

    由于加熱爐剛開始運行的時候或者當蒸汽管網不需要汽包產生的蒸汽時，蒸汽通過冷凝器變成冷凝水返回汽包，這時，汽包沒有工作在設計工況下，汽包壓力是0.17MPa。由于γ₁、γ₂、γ₃偏離設計值，導致汽包水位現場為242mm(現場玻璃管顯示)，而操作站CRT顯示的汽包水位卻是337mm(左邊)和321mm(右邊)，實際值和計算值偏差較大。

    2.2   理論分析

    從公式(1)可以看出：間接反映汽包水位的平衡容器的差壓△P與汽包內飽和蒸汽密度、汽包內飽和水密度和平衡容器內參考冷凝水的密度γ_１、γ₂、γ₃有直接的聯系，當汽包內的工作點偏離設定點時，γ_１、γ₂、γ₃都偏離計算值，從而產生測量誤差。從公式(1)可求得式(4)，該公式描述了汽包水位和變送器差壓值的函數關系。

   

    其中，h為操作站CRT顯示的汽包水位值，△P是差壓變送器輸出的差壓值。
 
    假設汽包工作在設計工況下，水位高度為h0，差壓變送器輸出的差壓值為△P₀，得：

    △P₀＝P₊ - P_-＝[h₀×γ₂ ×g + (H-h₀)×γ₁×g ]-H×γ₃×g  (2)

    這時在操作站CRT顯示的汽包水位應為h0，沒有偏差產生。當汽包工作點偏離于設計點時，汽包內的溫度、壓力將低于或高于設計值，從表1可以明顯看出隨著汽包內壓力的變化，汽包內飽和水密度、飽和蒸汽密度以及雙室平衡容器內冷凝水密度發生了變化，如當壓力從0.5MPa變到0.8MPa時，汽包內飽和蒸汽密度、飽和水密度以及雙室平衡容器內冷凝水密度分別變化了1.464kg/m3、18.1kg/m3和0.2kg/m3。設變化后的各密度為：γ_1a、γ_2a、γ_3a。γ_1a、γ_2a、γ_3a和γ₁、γ₂、γ₃函數關系如下：

    γ_1a=γ₁ +△γ₁
    γ_2a=γ₂ +△γ₂
    γ_3a=γ₃ +△γ₃

    假定汽包實際水位保持不變仍為h0，變送器輸出差壓值為：

    △P＝P₊ - P_-＝[h₀×γ_2a×g +(H-h₀)×γ_1a×g]-H×γ_3a×g

    從上式可以看出由于γ_1a＝γ₁＋△γ₁，γ_2a＝γ₂＋△γ₂和γ_3a＝γ₃＋△γ₃，所以，△P≠△P₀。設變送器輸出差壓值產生的偏差值為△Pm，則有：

    △P=△P₀+△Pm      (5)

    求解得：△Pm= P - P₀=[h₀×(γ_2a -γ₂)×g+(H-h₀)×(γ_1a -γ₁)×g]-H×(γ_3a -γ₃)×g=[h₀×△γ₂×g+(H-h₀)×△γ₁×g]-H×γ₃×g       (6)

    根據式(4)，新工況下操作站顯示的汽包水位值為：

    從式(6)和(7)分析可得：當汽包工作點和設計工作點相同時，即γ_1a＝γ₁；γ_2a＝γ₂；γ_3a＝γ₃，△γ₁、△γ₂、△γ₃為零，公式(7)中第二項等于零，h_m＝h0。操作站顯示的汽包水位和實際汽包水位相同；當汽包工作點和設計工作點偏差不大時，△γ₁、△γ₂、△γ₃較小，式(7)中第二項較小，hm和h0就比較接近，使用傳統測量方法的測量精度也是可以接受的。當汽包工作點和設計工作點偏差較大時，汽包內飽和蒸汽密度、飽和水密度以及雙室平衡容器內冷凝水密度偏差值較大，△γ₁、△γ₂、△γ₃比較大，公式(7)中第二項比較大，hm和h₀偏差值較大。

圖3



圖4



圖5

3     解決方法

    查設計手冊和表1可以看到：汽包內飽和蒸汽、飽和水的密度γ₁、γ₂對壓力(溫度)變化很敏感；而雙室平衡容器內冷凝水的密度γ₃在壓力變化時變化較小，溫度變化時變化較大。由于平衡容器的溫度通常沒有測量，但從現場測量知道該冷凝水溫度在80℃的時候最多且汽包工作點變化對其影響較小。將冷凝水溫度固定在80℃再考慮γ3隨壓力變化產生的變化量，從而得到三個函數γ₁＝f₁(P)，γ₂＝f₂(P)，γ₃＝f₃(P，80)。我們用圖3、圖4和圖5來得到這三個函數，并在軟件中用當前的壓力值隨時去查詢γ₁、γ₂、γ₃，就得到準確的密度，這樣就能保證汽包水位的準確測量。

    利用公式（1）求得變送器輸出差壓值如下：

    其中，H、g為一常量，分別是雙室平衡容器的高度和重力加速度，P為汽包壓力，γ₁＝f₁(P)，γ₂＝f₂(P)，γ₃＝f₃(P，T)為一圖表函數，△P是差壓變送器的差壓值，根據公式(8)即可計算出汽包水位h。

4     軟件實施

    控制系統選用的是GE公司的90-30PLC系統。該部分控制軟件主要使用以下功能模塊：汽包壓力、變送器差壓等信號的采集處理模塊；取12個點構成折線標的f₁(P)、f₂(P)顯性化模塊及相應的計算模塊。

5     結束語

    汽包壓力為0.17MPa，現場水位計顯示值為242mm。使用傳統的測量方法在操作站得到的顯示汽包水位分別是337mm(左邊)和321mm(右邊)。經壓力修正后的汽包水位分別是225mm(左邊)和230mm(右邊)。結果和現場水位計顯示值242mm相當接近，結果令人滿意。如果能夠準確測量平衡容器內冷凝水的溫度，根據公式(8)便可以準確地測量汽包的水位。

其它作者：

    王文彥（1983-），男 ， 助理工程師，現就職于濟南鋼鐵集團公司中厚板廠電氣車間。

參考文獻： 

    [1]  王森.  儀表常用數據手冊[M].  北京：化學工業出版社，1998.

    [2]  中國冶金建設協會.  鋼鐵企業過程檢測控制自動化設計手冊[M].  北京：冶金工業出版社，2000.