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                                                          關(guān)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(xué)士學(xué)位, 從事檢測及基礎(chǔ)自動(dòng)化工作。

1     概述

    汽包作為一個(gè)高溫高壓設(shè)備無論是在加熱爐或是在其它熱力設(shè)施上，一直都受到人們的高度重視，汽包水位不僅關(guān)系到蒸汽的質(zhì)量，同時(shí)對汽包的安全運(yùn)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(jì)鋼1700熱連軋加熱爐氣化冷卻系統(tǒng)的研究并結(jié)合在鞍鋼熱軋、梅山熱軋的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，對加熱爐汽化冷卻裝置汽包水位測量上采用計(jì)算機(jī)技術(shù)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(tǒng)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(nèi)飽和蒸氣、汽包內(nèi)飽和水和平衡容器內(nèi)參考冷凝水的密度，可通過查有關(guān)設(shè)計(jì)手冊獲得，計(jì)算得到平衡容器輸出差壓為：

                      (1)

    當(dāng)汽包水位達(dá)到最高水位時(shí)，差壓變送器輸出最大差壓；當(dāng)汽包水位達(dá)到最低水位時(shí)，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(guān)系如圖2所示：

    大多數(shù)場合，汽包水位都采用這種方法測量。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備維護(hù)量小，在工況穩(wěn)定的情況下，使用效果尚可。但當(dāng)汽包內(nèi)的工作點(diǎn)偏離設(shè)定點(diǎn)時(shí)，使用這種測量方法得到的汽包水位和汽包的實(shí)際水位存在著較大的偏差。

    項(xiàng)目汽包設(shè)計(jì)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(guān)設(shè)計(jì)手冊可得γ₁=6.5kg/m3，γ₂=875kg/m3，γ3=972kg/m3，當(dāng)汽包水位達(dá)到最高時(shí)，即h=H時(shí)，差壓值最大；當(dāng)汽包水位最低時(shí)，即h=0時(shí)，差壓值最小；根據(jù)公式(1)計(jì)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(yùn)行的時(shí)候或者當(dāng)蒸汽管網(wǎng)不需要汽包產(chǎn)生的蒸汽時(shí)，蒸汽通過冷凝器變成冷凝水返回汽包，這時(shí)，汽包沒有工作在設(shè)計(jì)工況下，汽包壓力是0.17MPa。由于γ₁、γ₂、γ₃偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致汽包水位現(xiàn)場為242mm(現(xiàn)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(shí)際值和計(jì)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(nèi)飽和蒸汽密度、汽包內(nèi)飽和水密度和平衡容器內(nèi)參考冷凝水的密度γ_１、γ₂、γ₃有直接的聯(lián)系，當(dāng)汽包內(nèi)的工作點(diǎn)偏離設(shè)定點(diǎn)時(shí)，γ_１、γ₂、γ₃都偏離計(jì)算值，從而產(chǎn)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(shù)關(guān)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(shè)汽包工作在設(shè)計(jì)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(shí)在操作站CRT顯示的汽包水位應(yīng)為h0，沒有偏差產(chǎn)生。當(dāng)汽包工作點(diǎn)偏離于設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，汽包內(nèi)的溫度、壓力將低于或高于設(shè)計(jì)值，從表1可以明顯看出隨著汽包內(nèi)壓力的變化，汽包內(nèi)飽和水密度、飽和蒸汽密度以及雙室平衡容器內(nèi)冷凝水密度發(fā)生了變化，如當(dāng)壓力從0.5MPa變到0.8MPa時(shí)，汽包內(nèi)飽和蒸汽密度、飽和水密度以及雙室平衡容器內(nèi)冷凝水密度分別變化了1.464kg/m3、18.1kg/m3和0.2kg/m3。設(shè)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(shù)關(guān)系如下：

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

    假定汽包實(shí)際水位保持不變?nèi)詾閔0，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(shè)變送器輸出差壓值產(chǎn)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(jù)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(dāng)汽包工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)工作點(diǎn)相同時(shí)，即γ_1a＝γ₁；γ_2a＝γ₂；γ_3a＝γ₃，△γ₁、△γ₂、△γ₃為零，公式(7)中第二項(xiàng)等于零，h_m＝h0。操作站顯示的汽包水位和實(shí)際汽包水位相同；當(dāng)汽包工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)工作點(diǎn)偏差不大時(shí)，△γ₁、△γ₂、△γ₃較小，式(7)中第二項(xiàng)較小，hm和h0就比較接近，使用傳統(tǒng)測量方法的測量精度也是可以接受的。當(dāng)汽包工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)工作點(diǎn)偏差較大時(shí)，汽包內(nèi)飽和蒸汽密度、飽和水密度以及雙室平衡容器內(nèi)冷凝水密度偏差值較大，△γ₁、△γ₂、△γ₃比較大，公式(7)中第二項(xiàng)比較大，hm和h₀偏差值較大。

圖3



圖4



圖5

3     解決方法

    查設(shè)計(jì)手冊和表1可以看到：汽包內(nèi)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(nèi)冷凝水的密度γ₃在壓力變化時(shí)變化較小，溫度變化時(shí)變化較大。由于平衡容器的溫度通常沒有測量，但從現(xiàn)場測量知道該冷凝水溫度在80℃的時(shí)候最多且汽包工作點(diǎn)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(chǎn)生的變化量，從而得到三個(gè)函數(shù)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(gè)函數(shù)，并在軟件中用當(dāng)前的壓力值隨時(shí)去查詢?chǔ)?SUB>1、γ₂、γ₃，就得到準(zhǔn)確的密度，這樣就能保證汽包水位的準(zhǔn)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(shù)，△P是差壓變送器的差壓值，根據(jù)公式(8)即可計(jì)算出汽包水位h。

4     軟件實(shí)施

    控制系統(tǒng)選用的是GE公司的90-30PLC系統(tǒng)。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(gè)點(diǎn)構(gòu)成折線標(biāo)的f₁(P)、f₂(P)顯性化模塊及相應(yīng)的計(jì)算模塊。

5     結(jié)束語

    汽包壓力為0.17MPa，現(xiàn)場水位計(jì)顯示值為242mm。使用傳統(tǒng)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(jīng)壓力修正后的汽包水位分別是225mm(左邊)和230mm(右邊)。結(jié)果和現(xiàn)場水位計(jì)顯示值242mm相當(dāng)接近，結(jié)果令人滿意。如果能夠準(zhǔn)確測量平衡容器內(nèi)冷凝水的溫度，根據(jù)公式(8)便可以準(zhǔn)確地測量汽包的水位。

其它作者：

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

參考文獻(xiàn)： 

    [1]  王森.  儀表常用數(shù)據(jù)手冊[M].  北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

    [2]  中國冶金建設(shè)協(xié)會(huì).  鋼鐵企業(yè)過程檢測控制自動(dòng)化設(shè)計(jì)手冊[M].  北京：冶金工業(yè)出版社，2000.