李有忠

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

宁夏石化公司三化肥装置开工锅炉由上海锅炉厂制造，设计压力14.0 MPa，产汽130 t/h。2013年3月开始安装，锅炉为单锅筒，集中下降管，按π型露天布置，自然循环燃气锅炉，在装置开工和正常运行时，锅炉为全厂透平提供动力，是装置中非常关键的设备，一旦锅炉跳车，将会造成合成氨和尿素装置停车。汽包水位是开工锅炉及其控制系统中最重要的参数之一，水位过高，直接影响汽水分离，甚至发生蒸汽带水损坏透平，水位过低，破坏汽水的自然循环，严重缺水时发生干锅事故，为此开工锅炉设置了4套汽包水位测量系统，其中1套参与汽包液位三冲量调节，3套进入SIS系统参与联锁保护，当液位高于+100 mm时，打开放水阀，汽包水位高至210 mm或低至-230 mm时，锅炉将会联锁停炉。在汽包水位测量中，双室平衡容器是差压式水位计一次仪表，它与差压变送器配套使用。

开工锅炉自2017年7月至2018年1月调试期间锅炉汽包水位计远传指示波动大，指示不准，水位计测量偏差大且与就地水位计存在偏差，汽包水位出现大幅度波动并且与现场玻璃板液位计偏差很大，先后7次造成了开工锅炉因为汽包水位达到210 mm的高联锁值停炉，严重制约锅炉正常运行，通过检查及分析确定汽包水位偏差大的原因为现场测量汽包水位未在DCS系统内进行补偿，本文介绍了开工锅炉双室平衡容器的工作原理，分析了双室平衡容器在测量汽包液位时波动的原因，介绍了和利时MACS-K DCS系统中汽包水位补偿原理，最终达到汽包水位指示正确、锅炉运行平稳目的[1-3]。

1 原因分析

经过对现场差压变送器量程检查，对设计资料进行确认，最终发现设计人员在设计之初并没有考虑到不同压力下密度差异大的问题，现场变送器只是根据汽包正常工作时14 MPa压力对应的密度来计算量程范围，而开工锅炉启炉有一个逐渐升温升压的过程，在开始阶段汽包压力并不能达到14 MPa，在此过程中，汽水密度远高于汽包正常工作压力时密度，这就导致了汽包液位与现场实际液位偏差很大，控制室DCS显示的液位比现场玻璃板液位偏高了100 mm以上，给工艺人员带来了很大的操作不便，同时在升压过程中汽包液位的波动也很大，工艺人员为了防止汽包高水位造成停炉，只能参考就地液位计指示来调整汽包水位，因调节不及时，导致了多次汽包水位高联锁停炉，影响了后续的开车进度，如何解决液位偏差大的问题，那就必须要对液位进行补偿，使平衡容器在不同的工作压力下，可以有不同的密度参与到液位的运算中去，这样就能解决汽包在升压过程中水位指示偏差大的问题，同时也使工艺操作人员能够读取准确的汽包液位示值，提高了操作的准确性。

2 双室平衡容器简介

三化肥开工锅炉B47W双室平衡容器是由正压管、负压管等零件焊接而成，工作过程中，饱和蒸汽因为凝结而释放的热量同时对正压管和负压管加热，使正压管内的重度在任何工况下都近似等于汽包内水的重度，又由于正确选用正压管的高度，不论容器内压力如何变化，正压管的压力与负压管的压力变化值均相等，因此双室平衡容器输出差压不变，汽包水位不变，一旦汽包水位变化，则变送器输出差压随之变化，差压变送器的负压侧由于平衡容器有恒定的水柱而维持不变，正压侧随着汽包水位的变化而变化。利用正压侧、负压侧形成的差压信号传输到变送器，根据差压与液位函数关系将差压信号送到DCS系统中转化为汽包液位指示。

开工锅炉双室平衡容器汽包水位测量原理（见图1），在测量过程中汽包液位发生变化会产生相应的差压，差压和汽包水位之间的关系如下式。

图1 双室平衡容器原理图

根据开工锅炉提供的设计参数。式中：L-汽包汽相侧和水相侧取样孔之间的距离（单位：mm，开工锅炉为860 mm）；h-测量水位（单位：mm，测量范围为汽包中心线上下300 mm）；h0-430 mm（汽包中心线到液相侧取压孔距离）；ΔP-差压（单位：Pa）；ρw-饱和水密度（单位：kg/m3）；ρs-饱和蒸汽密度（单位：kg/m3）；g-重力加速度（单位：m/s2）。

从以上公式中可以看出汽包的液位与饱和水和饱和蒸汽的密度有很大的关系，而在汽包不同压力下，汽水密度都是随压力改变的，饱和水的密度ρw与饱和蒸汽的密度ρs在不同压力下相差很大；因此在锅炉启动过程中或升压过程中，同一汽包水位所产生的压差是不同的（见表1）。

表1 汽包的液位与饱和水和饱和蒸汽的密度对照表

3 MACS-K DCS系统中汽包水位补偿原理

如何能对汽包液位进行补偿，使其在不同压力下能使用不同的密度参与汽包水位的计算呢，那就必须在DCS系统中对水位进行补偿。宁夏石化公司三化肥装置全流程使用了杭州和利时公司最新推出的MACS-K大型分布式控制系统，该系统采用了全冗余，多重隔离等可靠性技术，吸收了安全系统的设计理念，改进、完善了组态软件的友好性和易用性，降低了入门难度，提高了用户组态的效率，提升了用户的舒适感。组态软件MACSV6.5.2具有强大而多样的功能，包括：数据采集、控制调节、报警、趋势、总貌图、模拟流程图、数据一览、日志管理、表格管理、事件顺序记录、报表和数据统计、显示管理、人机对话、打印管理、系统故障诊断及故障监视、系统组态、操作员在线参数设定、存档数据的离线查询、控制分组、控制回路等。

在DCS系统上对汽包液位补偿的关键就是要建立一个不同压力下可以得到不同密度值的函数，通过上述的密度表可以推断出在不同压力的情况下，对应的密度值接近于线性，因为MACS-K系统给用户提供了丰富的功能块，通过比较可以选用ONEFOLD（一维插值）功能块，此功能块的详细组态信息（见表2）。

该功能块将输入值IN置于X轴的某一段中，然后根据与该段相关的XARR、YARR值算出对应IN的OUT值。落在给定XARR的最大值和最小值之间的IN，用与其相邻的两组XARR、YARR值进行运算。落在XARR最小值和最大值外的IN，算法不进行处理，保持上一次的输出值。有8个点的该功能块的运算示意图（见图2）。

该功能块最多有16个输入点和16个输出点，通过该功能块可以将密度表中的压力值做为IN端输入，而相应的汽包饱和水与饱和汽密度之差作为OUT端输出，而两个输入点之间的数据按线性进行自动计算。通过此函数就可以得到双室平衡容器汽包液位计算公式中不同压力条件下相对应的（ρw-ρs）值，这样就可以达到在不同压力情况下获取不同密度的目的。根据h=430+1 000×ΔP/（（ρw-ρs）×g）（mm），DCS系统组态（见图3），其中LI_8262测量平衡容器正负压侧差压值，AM23_LI_8262是补偿后的汽包水位测量值。

表2 一维ONEFOLD（一维插值）功能块

图2 一维ONEFOLD（一维插值）功能示意图

图3 汽包水位DCS补偿组态

图3中F2X是汽包压力与（ρw-ρs）的函数，根据锅炉汽包压力PI_8262B的实时压力的变化获得相对应压力下的（ρw-ρs）值，通过对汽包液位函数的组态，可以获得一个汽包液位值，实现了汽包液位在不同压力条件下获得汽包内不同饱和蒸汽和饱和水密度的补偿，不同压力条件下可以计算出相对应的汽包水位真实值。

4 结语

开工锅炉汽包水位经过在DCS系统补偿计算后，汽包水位指示平稳，工艺人员在后续开车和调试过程中汽包水位指示正常，与现场玻璃板液位计的偏差在10 mm左右，并且在调整负荷过程中也没有出现大幅度的波动，为工艺人员的操作提供了帮助。经过补偿后，工艺人员的操作难度得到了降低，同时开工锅炉在后续的运行中再也没有出现因为汽包水位波动大造成联锁停炉，此次在DCS上对汽包水位的补偿达到了预期的效果，后续在SIS系统中也借鉴DCS成功补偿的做法，对3台汽包水位进行了补偿，避免了汽包水位误指示造成的联锁停炉。