单室平衡容器汽包水位测量的补偿技术研究.pdf

5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第4 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 1 4 单室平衡容器汽包水位测量的补偿技术研究 田小弟1 ，阳征会1 ，刘会基2 ，魏睿2 ，吴红星2 1 ．青海铜业有限责任公司，西宁8 1 0 0 0 8 ；2 ．金川集团股份有限公司，甘肃金昌7 3 7 1 0 0 摘要介绍了测量余热锅炉汽包水位的单室平衡容器的工作原理，分析了对该装置建立补偿系统的必要 性及补偿方法，重点探讨了补偿系统中3 个关键密度函数的推导过程和参比水柱平均密度测点的确定 方法，以及使用这些密度函数所引起的误差。 关键词余热锅炉；汽包；饱和；单室平衡容器；补偿 中图分类号T F 0 6 8 ．2 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 4 一0 0 5 4 一0 4 C o m p e n s a t i o nT e c h n o l o g yt oM e a s u r eW a t e rL e V e lo fB o i l e rD r u m w i t hS i n g l e - c o n d e n s a t i o nC h a m b e r T I A NX i a o d i l ，Y A N GZ h e n g h u i l ，L I UH u i j i 2 ，W E IR u i 2 ，W UH o n g x i n 9 2 1 ．Q i n g h a iC o p p e rC o ．L t d ．，X i n i n g8 1 0 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．J i n c h u a nG r o u pC o ．L t d ．，J i n c h a n g7 3 7 1 0 0 ，G a n s u ，C h i n a A b s t m c t W o r k i n gp r i n c i p l eo fs i n g l e c o n d e n s a t i o nc h a m b e rt om e a s u r ew a t e rl e v e lo fs t e a md r u mo fw a s t e h e a tb o i l e rw a si n t r o d u c e d ． N e c e s s i t yt o e s t a b l i s hc h a m b e rc o m p e n s a t i o n s y s t e ma n dc o m p e n s a t i o n m e t h o d sw e r ea n a l y z e d ．D e d u c t i o no ft h r e ek e yd e n s i t yf u n c t i o n so fc o m p e n s a t i o ns y s t e m ，d e t e r m i n a t i o no f m e a s u r i n gp o i n tf o ra v e r a g ed e n s i t yo fr e f e r e n c ew a t e rc o l u m n ，a n df u n c t i o ne r r o r sw e r ed i s c u s s e d ． K e yw o r d s w a s t eh e a tb o i l e r ；s t e a md r u m ；s a t u r a t i o n ；s i n g l e c o n d e n s a t i o nc h a m b e r ；c o m p e n s a t i o n 底吹炉、转炉和制酸系统常设余热锅炉[ 1 。3 1 降低 烟气温度，回收余热，产出中压蒸汽发电、低压蒸汽 供生产生活使用[ 4 ] 。汽包水位控制是锅炉运行中最 重要的内容，水位过低，循环热水带汽，影响炉水循 环，损坏水冷壁，严重时造成锅炉爆炸；水位过高或 急剧波动，引起蒸汽品质恶化和带水，蒸汽管道、汽 轮机内部流道及叶片结盐和水冲击，损坏叶片和汽 轮机轴系统[ 5 ] 。如果冶炼炉排放的烟气量波动较 大，锅炉吸收热量不稳定，必会引起汽包水位大幅波 动。因此汽包水位的控制在运行中非常重要，要实 现有效控制先要准确测量汽包水位。 收稿日期2 0 1 4 1 0 一2 4 基金项目青海省1 2 3 科技支撑计划项目 2 0 1 2 一p 1 5 7 A 作者简介田小弟 1 9 7 2 一 ，男，甘肃金昌人，工程师． 1 测量原理 汽包水位测量方法主要有连通式、差压式、电容 式、超声波式等。连通式主要用于就地水位，差压式 如单、双室平衡容器主要用于控制和保护。差压式 中，双室平衡容器机械的部分补偿了压力对水位测量 的影响，在零水位及额定工况下较准确，当偏离零水 位或额定压力时，往往出现过补偿和欠补偿卟] 。本文 分析了引起单室平衡容器产生测量误差的因素，在控 制系统中建立完善的补偿系统，针对性地补偿引起误 差的各种因素，从而得到准确的水位测量结果。 1 ．1 单室平衡容器工作原理 单室平衡容器汽包水位测量装置由单室平衡容 万方数据 2 0 1 5 年第4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 器、差压变送器组成，工作原理如图l 所示。 图l单室平衡容器汽包水位测量的工作原理 F 嘻lW h 蚰呜p r i 础o fs i I 嘲p 伽l l d 蛔晌 蛐断雎咄啪衙l e v d o fs 蛔m d n 蚰 图1 中，平衡容器水平管接汽包汽侧取样孔，底 部垂直管接差压变送器正压侧；由汽包水侧取样孔 引出的水平取样管一路接差压变送器负压端，一路 接连通管。运行中蒸汽不断进入平衡容器并被冷 凝，容器内液面高度保持恒定，多余凝结水经连通管 回到汽包。连通管使取样管和连通器中的介质具有 一定的流动性，可以防止冬季取样管冻结[ 2 ] 。 1 ．2 水位计算 由图1 可知，差压变送器差压△P 为 △P P 一P 一一 P o 却。g P 1 一[ P o L H 1 0 s g 埠。g P 1 ] 一L B P s 一H 阳一B 式中，P o 为汽包汽侧取样管中心线平面以上总 的静压力；g 为重力加速度；P 。为变送器引压管中高 度从水侧取样管中心线到变送器人口之间的水柱的 压力 正、负引压管中，两段水柱压力相等 ；胁为汽 包内饱和水蒸汽的密度；加为汽包内饱和水的密 度；亿为参比水柱的密度；H 为汽包水位的高度 汽 9 童 ，、 名． l 耋 蓑s 剐 * 8 I H l2345 压力，M P a 包水位至水侧取样管中心线距离 ；L 为参比水柱高 度 汽侧取样管中心／平衡容器液面与水侧取样管 中心距 ；P 为差压变送器正压侧压力；P - 为差压 变送器负压侧压力。 由上式可推导出汽包水位H 为 H 生 ＆二＆ 墨二些 1 一 胁一B g ⋯ 公式 1 中，参比水柱高度L 、重力加速度g 为 常数，差压值△P 可由变送器测得，要得到水位的准 确值，需知道汽包内饱和水蒸汽密度胁、饱和水密度 』D w 、以及参比水柱密度陆。 2 水位补偿 平衡容器存在与外界的热交换，里面饱和蒸汽 不断冷凝，使液面表层水温接近饱和温度，表层之下 水静止不动，温度随着高度下降逐渐降至环境温度， 总体看参比水柱为不饱和水。不饱和水的密度受温 度和压力的双重影响，饱和水蒸汽密度和饱和水密 度受压力的影响[ 8 ] 。要准确计算汽包水位，必须考 虑温度和压力对饱和水、饱和水蒸汽以及参比水密 度的影响，即对水位信号进行压力和温度的动态补 偿。通常平衡容器测量忽略蒸汽密度，直接将差压 值转变为标准密度水柱的高度，所以误差大。 2 ．1 压力补偿 本文中的压力补偿指根据汽包压力对饱和水密 度和饱和蒸汽密度值进行动态校正，消除它们对水 位测量带来的误差。 2 ．1 ．1 压力与饱和水、饱和水蒸汽密度的关系 压力在0 ～5M P a 范围内实际饱和水密度和饱 和水蒸汽密度与压力的关系[ 3 3 如图2 a 所示。 q 5 | 9 【“ 曲 ． 蠢薹s 5 t 妊却 糕* 撤H 图2 实际 a 和优化I b 后的饱和水密度与压力和饱和水蒸汽密度与压力关系曲线 F i g ．2 A c t 矾lIa a 耐叩t i m i z e d b p 懈s u 阶d 蛐s i t yg r a p ho fs a t u 豫t e d w a t e ra n ds a t u r a t e dw a t e rV a p o u r P g ● 堂 ≤ 越 粕 糕 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第4 期 由图2 a 可知，饱和水密度随压力的升高而减 小，且减小幅度越来越小；饱和水蒸汽密度随着压力 的升高而增大，增大幅度近似恒定。 2 ．1 ．2 饱和水密度一压力、饱和水蒸汽密度一压力 的优化函数 为了在工程上易于实现，通过合理选取关键点， 将图2 a 中的饱和水密度一压力曲线优化为多段折 线F 1 z ，将饱和水蒸汽密度一压力曲线优化为直 线F 2 z ，结果如图2 b 所示。转折点的选取原则 一方面要尽可能少，便于组态中直接利用折线函数 模块，另一方面要确保误差范围。 由图2 b 可知，优化函数F 1 z 与F 2 z 的变化 趋势同图2 a 极其接近。 2 ．1 ．3 优化函数F 1 { z 和F 2 i x 引入的测量误差 当L 一6 0 0m m 时，优化函数F 1 z 、F 2 z 引 起的测量值误差如图3 所示。 压力，M P a 图3 优化函数F 1 x 和F 2 x 引入的测量误差 F i g ．3 M e a s u r i n ge r r O r sc a u s e db y F l 工 a n dF 2 z 从图3 可见，量程为6 0 0m m 时，优化函数 F 1 2 引入的测量误差呈波浪形，在0 ．2M P a 时最 大为2m m ，其它压力均小于1m m ；在额定压力4 ．4 M P a 时为o ．4m m 。饱和密度优化函数F 2 z 引入 的测量误差呈水平“S ”形，o ～1 ．1M P a 误差为正， 0 ．5M P a 处最高为o ．0 5m m ；1 ．1 ～5 ．0M P a 误差 为负，3 ．2M P a 处最低为o ．1 9m m ；在额定压力4 ．4 M P a 时为一O ．1 3m m 。 2 ．2 温度补偿 影响H 的另一个因素是参比水柱密度。通过 下文的优化方法来消除压力对不饱和水密度的影 响，仅根据温度求解水柱密度。本文中的温度补偿 指根据参比水柱温度分布规律间接测定水柱平均密 度，消除参比水柱密度对水位测量引入的误差。 2 ．2 ．1 不饱和水实际密度与曲线变换和优化 不饱和水密度与温度、压力两因素有关，同一温 度下，压力升高，密度随之增大。温度升高，压力对 不饱和水密度的影响逐渐减小，但总体来看压力对 不饱和水密度的影响很小[ 7 ] 。 通过取同一温度、不同压力下的密度平均值的 方法，将不饱和水密度转变为图4 所示曲线，使不饱 和水的温度与压力和密度的关系变换为温度与密度 的关系。 产 吕 ● 岜 魁 稍 温度，℃ 矿 毫 ● 蛩 椭 9 ； | 5 图4 变换后不饱和平均密度一温度曲线 及变换误差 F i g ．4 C o n V e r t e dt e m p e r a t u r e d e n s i t yc u r V eo f u n s a t u r a t e dw a t e ra n dc O n v e r s i o ne r r O r 图4 表明，随着温度的增加，变换后的不饱和水 密度引入误差逐渐减小，从O ℃时O ．3 5 ％降至2 6 0 ℃时的O ，这种变化是允许的。但要在工程上直接 应用此曲线仍显复杂，还须继续优化，优化函数 F 3 z 及优化引入的误差如图5 所示。 f 暑 品 邑 露 稍 温度，℃ p 童 ● 蛩 } | | j j P j j 图5 优化的不饱和水密度一温度曲线 及优化误差 F i g ．5O p t i m i z e dd e n s i t y - t e m p e r a t u r ec u r V eo f u n s a t u r a t e dw a t e ra n do p t i m i z a t i o ne r r O r III黍嗤3_【函 万方数据 2 0 1 5 年第4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 从图5 可看出，优化函数F 3 z 变化趋势同图 4 所示曲线非常接近，引入的误差为波浪形，波谷处 为0 ，波峰值随着温度的增大逐渐变大，相对误差 2 4 0 ℃时最大为o ．1 5 ％。 2 ．2 ．2 不饱和水密度优化函数n x 的测量误差 假设任一尽可能短的参比水柱中不饱和水密度 均匀，则优化函数F 3 z 引入的测量误差为 P a g L l 一正g L 1 △L 1 2 ， △L 】一也≯L 1 3 』D a 式中，p a 为实际密度；I D 为优化函数得到的密 度；L 。为任一小段参比水柱；△L ，为F 3 z 引入的最 大测量误差。 因优化函数F 3 z 在o ℃时引入的误差最大， 代入公式 3 得到引入的的测量误差最大为 O ．1 7 7 ％。参比水柱L 一6 0 0m m ，F 3 z 引起的测量 误差在0 ℃时最大，为1 ．0 6m m 。 2 ．2 ．3 参比水柱的平均密度 在本文中，分析参比水柱密度分布，找到密度为 平均密度的测点位置，再将测得的温度值带入优化 函数F 3 z 得到平均密度。 用测温枪对参比水柱等距离测温 汽侧中心线 以下每隔1 0 0m m ，典型密度分布见图6 图6 中 om m 处看做饱和温度，P 一4 ．4M P a ，T 一2 5 8 ℃，其 他高度处水的密度根据函数F 3 z 可得 。 位置／m m 图6 参比水柱密度分布曲线 F i 晷6D e n s i t yd i s t r i b u t i o nc u r v eo f r e f b r e n c ew a t e rc o l u m n 由图6 可知，参比水柱的密度随着高度的下降 迅速增加，从液面下大概3 0 0m m 左右开始趋于稳 定。由图6 计算出的参比水柱的平均密度为9 3 7 ．1 0 k g ／m 3 ，该计算值对应图中的位置为2 5 0m m ，考虑图 6 粗略反映了实际温度分布，得到的平均密度应小 于实际平均密度，所以温度测点应选择在2 5 0m m 偏下位置。 2 ．3 补偿系统组态 根据上文得到的密度优化函数和相关的输入模 拟量，带入水位计算公式 1 ，可得到经过补偿的水 位数据。补偿系统组态如图7 所示。 图7 补偿系统的组态图形 F i g ．7C o n n g u m t i 蚰d i a 驴唧o f c 咖p e n s a t i O ns y s t e m 注图中9 ．8 为重力加速度，O ．6 为参比水柱高度，O ．3 6 为汽包 零水位高度，P 为汽包压力，T 为参比水柱平均密度处温度，△P 为平衡容器变送器输人的差压信号，H ’为以零水位为参照的水 位值，F 1 z 、F 2 z 和F 3 z 为上文得出的密度优化函数。 由图7 可知，只要将汽包压力、参比水柱平均密 度处温度、平衡容器水位计差压3 个信号输入补偿 系统，补偿系统就能算出以零水位为参照点的准确 的水位数值。 在工程中实践中对汽包水位进行实时压力和温 度补偿，补偿后的水位值进行零水位控制，汽包内的 水线非常接汽包零水位线，说明补偿系统是成功的。 3结论 提出了饱和水、饱和水蒸汽和不饱和水密度的 优化函数，以及确定参比水柱平均密度位置的方法， 采用单室平衡容器装置测量汽包水位是成功的。 参考文献 [ 1 ] 文仁．贵冶闪速炉余热锅炉改造[ J ] ．有色金属 冶炼部 分 ，2 0 1 1 2 6 8 ． [ 2 ] 张涛，张恩华．铅富氧闪速熔炼余热锅炉的运行实践 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 4 2 4 2 6 ． [ 3 ] 黄国道，宋冬根，杨平，等．金隆铜业闪速炉余热锅炉炉 型的改造与优化[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 2 3 8 4 2 ． [ 4 ] 中国恩菲工程技术有限公司．青海铜业阴极铜工程初 万方数据 5 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l _ b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第4 期 步设计书[ R ] ．西宁青海铜业有限责任公司，2 0 1 1 1 2 6 1 4 2 ． [ 5 ] 白文峰，路光明．锅炉汽包水位测量及保护系统的试验 研究[ J ] ．可编程控制器与工厂自动化，2 0 0 8 7 4 7 5 1 ． [ 6 ] 郭宏．准能电厂汽包水位测量存在的问题及改进方案 [ J ] ．内蒙古石油化工，2 0 0 5 9 4 2 4 3 ． [ 7 ] 严家碌，余晓福，王永青．水和水蒸汽热力学性质图表 [ M ] ．2 版．北京高等教育出版社，2 0 0 6 1 0 一2 8 ． 上接第4 6 页 表1 综合试验结果银浸出率为5 4 ．5 9 ％。 T a b l e1R e s u l t so fc o m p r e h e n s i v et e s t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 参 由表1 可知，在优化试验条件下，铜的平均浸出 率为7 8 ．8 ％，吨矿平均酸耗为1 1 8k g ，金的平均浸 出率为9 0 ．9 8 ％，银的平均浸出率为5 4 ．5 9 ％。 3结论 1 采用两段焙烧对高砷金精矿进行预处理，一 段焙烧温度5 5 0 ℃，二段焙烧温度6 3 0 ℃，焙砂脱砷 率为9 4 ％，脱硫率为9 5 ．5 ％，同时，金、铜的浸出效 果也好。 2 酸浸最佳条件为矿浆浓度3 3 ．3 3 ％、终点 p H 一1 ．0 、酸浸温度8 0 ℃、浸出时间9 0m i n ，铜浸出 率可达到8 2 ．4 4 ％，锌浸出率为8 1 ．2 ％。 3 最佳氰化工艺条件磨矿粒度、O ．0 3 9m m 占 8 8 ．9 0 ％、氰化钠用量6k g ／t ，金浸出率为9 0 ．9 8 ％， 考文献 [ 1 ] 卢宜源，宾万达．贵金属冶金学[ M ] ．长沙中南大学出 版社，2 0 0 4 1 8 4 1 8 6 ． [ 2 ] 田树国，刘亮．高砷金矿预处理脱砷技术发展现状[ J ] ． 矿业工程，2 0 0 8 ，6 6 2 6 2 8 ． [ 3 ] 胡敏．难处理含铜氧化金矿抑铜浸金试验研究[ J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 7 3 8 4 1 ． [ 4 ] 孙留根，袁朝新，王云，等．难处理金矿提金的现状及发 展趋势[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 5 4 3 8 4 3 ． [ 5 ] 王锐，唐道文，杨聪．某难浸金矿低温焙烧预处理试验 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 4 3 9 4 1 ． [ 6 ] 李勇，徐忠敏，吕翠翠，等．碱浸预处理提高某含砷锑难 处理金精矿回收率的试验研究[ J ] ．黄金，2 0 1 3 ，3 4 3 6 1 6 4 ． [ 7 ] 唐道文，储春利，王锐．高锰酸钾氧化预处理某难浸金 矿的研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 8 2 9 3 1 ． [ 8 ] 孙聪，袁朝新．某难处理金精矿焙烧预处理提取金和铜 [ J ] ．有色金属工程，2 0 1 2 ，2 3 3 5 3 8 ． [ 9 ] 徐天允，徐正春．金的氰化与冶炼修订版[ M ] ．沈阳 沈阳黄金学院，1 9 9 3 2 4 3 0 ． 万方数据