煉油裝置鍋爐汽包液位測量若干問題分析

［摘 要］在煉油裝置中，為確保鍋爐安全穩定運行，需要加強對汽包液位的測量和控制及保護，以保證煉油裝置可安全生產。這就需要采取有效方式對鍋爐汽包液位進行精準測量，避免發生液位超限情況。基于此，文章分析了電容液位計、平衡容器式差壓液位計在鍋爐汽包液位測量中的具體應用，以確保煉油裝置可正常發揮作用。

［關鍵詞］煉油裝置；鍋爐汽包；液位測量；結構；測量原理；具體應用

［中圖分類號］TE96 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0036–03

1 電容液位計及其應用

1.1 電容液位計結構及應用原理

物體之間的電容量會受到其結構參數的直接影響，所以調整物性參數，會改變物體之間的電容量，通過此種方法可以實現對鍋爐汽包液位的測量。

電容液位計的結構如圖1 所示。

根據圖1 中電容液位計基本結構可知，不銹鋼棒是其中一個電極，另一個電極則是被測導電液體，不銹鋼棒與被測導電液體之間為絕緣材料。如果被測液體液位發生改變，則電容中一個極板面積會隨之改變，由此引發整個電容量發生改變。

可結合如下電容公式計算出液位計測量后得到的初始電容量。

C0=2πε0L/ln（R/r）

式中，R為容器內部半徑，r為不銹鋼棒半徑，C0為電容量，L為容器中可測量的液位高度，ε0為容器內氣體及絕緣材料的介電常數。

若電容液位計內液位發生改變，假設高度為H，借助傳感器對其電容量CH 進行測量，可按照如下公式計算電容值[1]。

CH=2πε0（L－H）/ln（R/r）+2πεH/ln（D/2r）

1.2 電容液位計的具體應用

由上文分析的電容液位計測量原理可知，若想保證測量結果準確有效，必須確保液位計本體結構具有較強的穩定性，同時也要保證尺寸參數準確穩定。鍋爐汽包內部的介質是飽和水、飽和水蒸氣，二者的介電常數并非恒定不變，明顯不符合電容液位計測量使用要求，為此，需要采取有效措施解決這一問題。可將具備自動補償功能的三段式探頭作為電容液位計的基本結構，這種三段探頭必須保證金屬棒電極半徑、容器內部半徑、絕緣介質直徑等結構尺寸參數一致性，只有這樣才能使得同一被測介質，在同一條件下獲得相同的電容值測量結果。無論是飽和水還是飽和水蒸汽的介電常數，若二者發生變化，必然會影響到測量結果，為此，可為其配置同一的電容測量探頭、相關變送單元，確保電測指標一致性，使得精度相同，這樣，在高位探頭作用下可消除飽和蒸汽的不良影響，同時借助低位探頭的測量值，能消除飽和水引發的影響[2]。

總之，電容液位計可準確有效地測量煉油裝置中鍋爐汽包液位情況，實現在全工況條件準確有效的液位測量。在以往的鍋爐啟動環節中，主要以平衡容器式差壓液位計為主，但按照此種方式，替換成電容液位計，同樣可達到預期的效果。從電容液位計實際應用情況看，由于其采用的是全程補償方式，即便是受到壓力變化的影響，處理汽包溫度過程中，也不會出現額外的誤差。雖然電容液位計應用優勢較為明顯，但綜合來看，電容液位計的應用成本相對較高，出于經濟效益考慮，企業在項目設計過程中，建議多方面考量、評估，并結合項目地環境氣候以及溫度變化、工作人員運維能力等多方面情況，權衡利弊后合理選用，確保鍋爐汽包液位測量方案科學、合理、有效且經濟。

2 平衡容器式差壓液位計的結構與應用

2.1 雙室平衡容器式差壓液位計

雙室平衡容器式差液位計的結構如圖2 所示。從圖2 可知，飽和水側（內管）主要設置在平衡容器內。從整體看，凝結水主要存在平衡容器內，而飽和水存在于汽包內，兩者的溫度相差不大，所以當環境溫度變化后，凝結水密度變化不大，所以雙室平衡容器式差壓液位計測量得到的結果更加準確、有效[3]。由圖2 雙室平衡容器式差壓液位計的結構可知，差壓變送器測量差壓和液位之間的關系可反映為：Δp=（H －L+L1）ρw g+（L － H）ρs g － L1 ρ0 g。式中，Δp 為差壓；L1 為平衡容器負壓管接口到水側取樣管之間的距離；ρ0 為凝結水密度，kg/m3。

使用該液位計對汽包液位進行測量過程中，若設定凝結水和飽和水二者的密度相同。但從儀表顯示看，平衡容器無論是內部管還是外部管，其液體均處于靜止狀態，再加上平衡容器本身一直在向外散發熱量，如果其中一些裝置現場保溫情況沒有達到預期，會直接影響凝氣室與汽包內兩種不同水的溫度，由此形成較大溫差，最終導致測量結果不準確，而且環境溫度變化仍會影響到液位計實際測量結果。

2.2 單室平衡容器式差壓液位計

與雙室平衡容器式差壓液位計結構相比，單室液位計相對更加簡單，在實際安裝過程中方便易行。通過觀察單室平衡容器式差壓液位計，可運用公式：Δp=（ρw － ρs）Hg －（ρc － ρs）L，表示差壓變送器測量壓力差與液位之間的關系。式中，Δp 為差壓；ρw、ρs、ρc 分別為汽包內飽和水密度、汽包內飽和蒸汽密度、單室平衡容器內凝結水密度，kg/m3 ；g 為重力加速度，m/s2 ；L、H 分別為液包差壓變送器正負壓側取源間距、汽包液位，m。

分析可知，Δp 與H 呈現一種線性關系，會受到ρw、ρs、ρc 準確性的直接影響，由于單室差壓液位計在實際應用中其凝氣室一直為散熱狀態，使得凝結水溫度自上而下地降低，并且無法明確具體的溫度分布情況，為了保證測量準確性，工作人員在應用中，只能根據過往操作經驗設定ρc 為固定值，這也就意味著ρc 容易存在人為主觀因素的影響，造成設定值和實際數值之間存在明顯差異，進而影響到測量值準確性。以我國江浙一帶地區為例，尤其是在北部地區，夏季和冬季的環境溫度差能達到30℃，若是實際測量中僅使用ρc，會直接影響到水位測量值，與實際可能達到40～80mm 差距。

2.3 帶蒸汽罩的改進型雙室平衡容器式差壓液位計

由上文分析可知，以往傳統雙室平衡容器式差壓液位計在實際測量過程中，容易出現測量數據偏差問題。為了改善這一問題，進一步提高測量精度，在原有液位計結構基礎上進行了優化，衍生出帶蒸汽罩的改進型雙室平衡容器式差壓液位計。改進后的液位計，主要增加了蒸汽罩、凝結水回水管，通過這兩部分結構的優化，能夠實現蒸汽與凝結水的持續性、循環性流動。借助飽和蒸汽不斷冷凝散發出來的熱量，確保平衡容器內部溫度與汽包溫度相同。

此外，這種改建后的液位計在實際應用過程中，由于將平衡容器中的凝結水側引壓管的引出點，設計在了平衡容器下面，使得正負引壓管位置相同，可有效避免環境溫度對凝結水密度的不良影響，這種情況下，可很好的避免出現ρ0 變化而影響到測量結果準確性。公式Δp=g（ρw － ρs）（H － L）可用于表示差壓變送器測量差壓和液位間的關系。

深入分析該公式可知，只有保證ρw 飽和水密度和ρs 飽和蒸汽密度二者精準、穩定，才能使得H 和Δp 形成差壓線性關系。而深入了解一些煉油裝置實際運行可知，當余熱鍋爐出現100kg 的高溫高壓過熱蒸汽時，并且保證整個操作規范有效，此時鍋爐汽包內壓力，會直接受到蒸汽用量、鍋爐負荷、燃燒實際情況的影響，使得汽包內飽和水ρw、飽和蒸汽ρs 二者的密度發生改變，不能保持穩定性。對此，必須采取措施有效解決，避免發生密度變化對測量結果的不良影響，建議引入汽包壓力值，以此實現對測量結果的密度補償計算。

2.4 實際應用

煉油裝置蒸氣系統采用帶蒸汽罩的改進型雙室平衡容器式差壓液位計測量汽包液位，并結合密度補償公式，可有效避免上述發生的液位測量結果差異問題，在很大程度上增強了測量準確性，提高了測量精度。而且采用平衡容器和差壓變送器融合應用的方式，可為煉油企業減少生產成本，徹底消除鍋爐汽包內出現“虛假水位”的情況，可見，平衡容器式差壓液位計的使用，表現出較多優勢。

3 平衡容器式差壓液位計在實際應用中存在的問題和解決措施

3.1 系統性誤差問題

（1）在使用雙室平衡容器式差壓液位計測量汽包液位過程中，必須做好外部的保溫工作。主要是因為凝氣室內飽和蒸汽溫度明顯大于環境溫度，甚至一些條件下的溫差超過300℃，會造成平衡容器凝氣室熱輻射能力巨大，若沒有做好保溫措施，會散失大量熱量。此種情況下，平衡容器與汽包內的溫度出現嚴重偏差，最終出現汽包液位測量誤差。

（2）分析鍋爐啟動升壓整個過程可知，平衡容器在測量汽包液位前，需要先建立液位零點，這一工程中需要待蒸汽冷凝后出現凝結水，而后將其注滿負壓側參比水柱，進而獲得液位零點。在此基礎上，需要結合鍋爐實際工況參數，保證達到要求的壓力條件，而后再操作差壓液位測量管路排污閥，也要測量汽、水側一次取樣閥。按照此種操作方法才能保證平衡容器與汽包內的溫度接近，最大程度上減少測量誤差。

（3）嚴格意義上講，煉油裝置鍋爐汽包屬于高壓設備，而且用于汽包液位儀表測量的管路主要以焊接方式為主，可從儀表測量管路看，其中涉及較多閥門、管件等部件，若是采用焊接方式會出現大量的連接點，且若是長時間處于高壓環境中工作，極易出現閥門組、測量管路泄漏的問題。若是泄漏問題發生在參比水柱側閥門上，必然會造成大量凝結水流失，導致測量系統因故障而無法正常發揮作用。

3.2 對策

在實際應用平衡容器式差壓液位計測量汽包液位過程中，可能出現系統性誤差，影響到汽包實際測量精準性，簡單說，就是因為同一條件變化，如環境溫度改變、汽包壓力大幅度波動、保溫伴熱失效等因素，造成測量原理相同的多個儀表同時出現測量誤差，誤差情況有所不同，此種情況下，會直接造成多個儀表失效。究其原因，主要是因為安全聯鎖回路設計邏輯不正確，直接降低了聯鎖回路安全性、完整性。

在煉油行業中，鍋爐汽包液位作為影響煉油裝置鍋爐是否平穩運行的關鍵參數，直接影響著生產裝置的安全。我國也出臺了相關文件進行了規范和統一：①在設置鍋爐汽包水位測量系統時，建議引用兩種或超過兩種的工作原理共存的方式進行科學配置。②在配置鍋爐汽包水位測量系統時，建議采取“3+2”，或者“6+1”的方式進行配置，具體指3 套差壓式汽包水位計測量裝置+2 套電極式汽包水位測量裝置，或者六6 套差壓式汽包水位計測量裝置+1 套電極式汽包水位測量裝置。此種配置方式，在后續測量操作過程中，工作人員可參考不同原理儀表獲取到的測量結果，并進行合理對比，以此防止同類儀表誤差相同的情況。

4 結束語

通過對電容液位計、平衡容器式差壓液位計的結構以及實際應用情況的分析和探討發現，為確保使用的液位計在實際應用中的測量結果誤差最小，必須做好平衡容器式差壓液位計的保溫工作，提高液位測量精準性。此外，建議在工程項目中運用兩種及以上的工作原理相近的液位儀表進行測量，有效防止一種儀表測量結果誤差過大而導致汽包測量不準確的情況。文章分析的兩種液位計，可搭配使用，以此提高煉油裝置鍋爐汽包液位測量有效性、精準性。

參考文獻

[1] 劉超. 差壓液位計測量汽包液位誤差的原因及安裝要求[J]. 工業儀表與自動化裝置，2019（1）：89-90，108.

[2] 孫增平. 大型硫酸裝置鍋爐汽包液位三沖量控制設計與應用[J]. 化工自動化及儀表，2019（1）：8-12.

[3] 龍茜茜，李小平. 高溫高壓浮筒液位計在鍋爐汽包液位測量方面的應用探討[J]. 石化技術，2015（3）：82.