Hiệu chuẩn Bộ truyền áp suất chênh lệch để đo mức nước trong lò hơi
Cấu hình ống ướt, tính toán bù trừ điểm không, thiết kế bình ngưng tụ, và các bước hiệu chuẩn HART cho hệ thống đo mức lồng hơi nồi hơi
Tại sao việc đo mức lồng hơi nồi hơi lại khó khăn
Đo mức lồng hơi nồi hơi là một trong những phép đo quan trọng nhất về an toàn trong nhà máy điện hoặc nhà máy lọc dầu. Đọc mức sai có thể dẫn đến ngắt máy do nước thấp, hư hại tuabin do nước mang theo, hoặc áp suất bình chứa quá mức gây thảm họa nếu điều khiển cấp nước cấp thất bại. Khác với ứng dụng đo mức bồn chứa khí quyển, đo mức lồng hơi nồi hơi hoạt động ở áp suất 60–180 bar và nhiệt độ 270–360°C. Những điều kiện này làm cho các thiết bị đo mức phao hoặc dịch chuyển trực tiếp không đáng tin cậy. Bộ truyền áp suất chênh lệch vẫn là giải pháp ưu tiên vì chúng đo sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa phía áp suất cao của lồng hơi và một ống tham chiếu chứa đầy nước ngưng.
Bộ truyền Emerson Rosemount 3051 được sử dụng rộng rãi cho dịch vụ này tại các nhà máy Bắc Mỹ và châu Á. Hệ thống Honeywell DCS Experion tích hợp các bộ truyền này qua bộ đa hợp HART, cho phép cấu hình từ xa và chẩn đoán vòng lặp liên tục. Tuy nhiên, sai sót trong kích thước ống ướt, lắp đặt bình ngưng tụ hoặc nhập bù trừ điểm không gây ra lỗi mức hệ thống mà bộ điều khiển Honeywell DCS không thể phân biệt với thay đổi thực của quá trình — cho đến khi lồng hơi cạn nước hoặc tràn đầy.
Hiểu về cấu hình ống ướt
Bộ truyền DP đo mức lồng hơi bằng cách so sánh áp suất tại đáy lồng với áp suất ở đầu một cột tham chiếu đầy nước gọi là ống ướt. Ống ướt kết nối phía áp suất cao (HP) của bộ truyền với không gian hơi ở đỉnh lồng hơi. Phía áp suất thấp (LP) của bộ truyền kết nối với điểm lấy mẫu đáy lồng, cảm nhận trọng lượng cột nước trong lồng.
Ống ướt phải luôn được giữ đầy nước ở nhiệt độ ngưng tụ trong mọi điều kiện vận hành. Ống ướt không đầy sẽ tạo ra áp suất tham chiếu biến đổi gây ra sai lệch mức giả. Kỹ sư lắp đặt một bình ngưng tụ ở đầu ống ướt để duy trì điểm tràn cố định bất kể tốc độ ngưng tụ hơi. Mức tràn của bình ngưng tụ xác định độ cao tham chiếu điểm không cho tất cả các phép tính mức.
Đối với lồng hơi ở áp suất vận hành 100 bar, nước ngưng trong ống ướt có nhiệt độ khoảng 50–80°C môi trường. Mật độ của nó khoảng 970 kg/m³. Nước trong lồng hơi ở nhiệt độ quá trình 310°C có mật độ khoảng 690 kg/m³. Sự khác biệt mật độ này rất quan trọng: nếu nhiệt độ nước ngưng trong ống ướt tăng vượt thiết kế do cách nhiệt kém, mật độ ống ướt giảm và áp suất tham chiếu giảm, dẫn đến đọc mức lồng hơi tăng giả.
Do đó, cách nhiệt ống dẫn kết nối điểm lấy mẫu đáy lồng với đầu vào LP của bộ truyền, nhưng không cách nhiệt ống ướt. Giữ ống ướt ở nhiệt độ môi trường giúp duy trì mật độ nước ngưng tối đa và giảm thiểu sai số do biến đổi mật độ.
Tính toán bù trừ điểm không và dải đo
Đầu ra bộ truyền DP không trực tiếp biểu thị mức. Chiều cao tĩnh của ống ướt tạo ra một độ lệch áp suất cố định ở phía HP. Độ lệch này phải được bù trừ khỏi dải đo của bộ truyền trong quá trình hiệu chuẩn.
Trong một lắp đặt điển hình, điểm tràn bình ngưng tụ nằm cao hơn tâm bộ truyền 3,5 m. Điểm lấy mẫu đáy lồng cao hơn bộ truyền 0,3 m. Dải đo bao phủ 0–1,5 m mức nước trong lồng. Sử dụng mật độ nước ngưng 970 kg/m³ và mật độ nước lồng 690 kg/m³ ở nhiệt độ vận hành, áp suất HP trừ LP tại mức không lồng khoảng 31,3 kPa, và tại mức đầy khoảng 21,2 kPa.
Đặt LRV của Rosemount 3051 là 21,2 kPa (mức 100%) và URV là 31,3 kPa (mức 0%). Khi mức lồng tăng, áp suất chênh lệch đo được giảm — cấu hình hoạt động ngược này yêu cầu chế độ dải âm qua lệnh HART 35. Luôn sử dụng mật độ chất lỏng thực tế ở nhiệt độ vận hành, không dùng mật độ nước ở nhiệt độ phòng để tránh sai lệch hệ thống.
Quy trình hiệu chuẩn từng bước
Bước 1: Cô lập bộ truyền và cấp nguồn vòng 24 VDC. Xác nhận giao tiếp HART bằng thiết bị Rosemount 375 hoặc AMS Device Manager. Kiểm tra không có mã lỗi hoạt động trước khi tiếp tục.
Bước 2: Đặt thời gian giảm chấn (damping) từ 1,0–2,0 giây. Tín hiệu mức lồng hơi có nhiều nhiễu do sôi mạnh. Giảm chấn không đủ sẽ truyền nhiễu vào vòng điều khiển cấp nước và gây dao động điều khiển.
Bước 3: Xác nhận LRV và URV trong HART Sensor Trim khớp với tính toán bù trừ điểm không. Nhập giá trị chỉnh sửa nếu có sai lệch.
Bước 4: Đổ đầy ống ướt bằng cách mở van cấp nước bình ngưng tụ. Xác nhận tràn hoạt động — nước ngưng nhỏ giọt từ vòi tràn — trước khi đóng van. Bình ngưng tụ không đầy sẽ tạo túi khí gây trôi số đo trong nhiều giờ.
Bước 5: Mở van cân bằng áp suất và hiệu chỉnh điểm không bộ truyền. Khi van cân bằng mở, cả hai phía HP và LP đều chịu cùng áp suất. Đầu ra phải đọc điểm không đã bù trừ tương ứng mức 100% lồng. Nếu sai lệch vượt 0,5% dải, hiệu chỉnh điểm không qua HART và ghi lại giá trị hiệu chỉnh.
Bước 6: Đóng van cân bằng và quan sát mức lồng trực tiếp. So sánh với kính quan sát lồng. Sai lệch chấp nhận được dưới 25 mm trong vận hành ổn định. Trong quá trình khởi động, hiệu ứng co giãn do nhiệt gây sai lệch tạm thời — đây là hiện tượng quá trình, không phải lỗi bộ truyền.
Kết luận và lời khuyên hành động
Đo mức lồng hơi bằng bộ truyền DP đòi hỏi chú ý nghiêm ngặt đến thiết kế ống ướt, bù trừ mật độ và tính toán bù trừ điểm không. Giữ ống ướt ở nhiệt độ môi trường để tối đa hóa sự ổn định mật độ nước ngưng. Tính toán LRV và URV dựa trên mật độ chất lỏng thực tế ở nhiệt độ vận hành, không dùng mật độ nước ở nhiệt độ phòng. Luôn đổ đầy bình ngưng tụ đến điểm tràn trước khi hiệu chuẩn để loại bỏ lỗi túi khí. Sau hiệu chuẩn, kiểm tra chéo với kính quan sát và cấu hình tỷ lệ AI trong Honeywell DCS khớp chính xác đơn vị kỹ thuật của bộ truyền. Với các ứng dụng an toàn quan trọng, triển khai logic bỏ phiếu 2oo2 với hai bộ truyền trong Honeywell Safety Manager để cung cấp bảo vệ mức độc lập. Những thực hành này ngăn ngừa nguyên nhân hàng đầu gây thất bại đo mức lồng hơi: bộ truyền kỹ thuật hoạt động nhưng đọc sai hệ thống.
