平衡容器工作原理分析

1、平衡容器的工作原理3.雙室平衡容器的工作原理 3.1.簡介雙室平衡容器是一種結(jié)構(gòu)巧妙，具有一定自我補償能力的汽包水位測量裝置。 它 的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。在基準杯的上方有一個圓環(huán)形漏斗結(jié)構(gòu)將整個雙室平衡 容器分隔成上下兩個部分，為了區(qū)別于單室平衡容器，故稱為雙室平衡容器。為 便于介紹，這里結(jié)合各主要部分的功能特點，將它們分別命名為凝汽室、基準杯、 溢流室和連通器，另外文中把雙室平衡容器汽包水位測量裝置簡稱為容器。（汽包）凝汽室雙室平衡容器1000一基準杯溢流室下降管連通器32凝汽室理想狀態(tài)下，來自汽包的飽和水蒸汽經(jīng)過這里時釋放掉汽化潛熱，形成飽和的凝結(jié)水供給基準杯及后續(xù)環(huán)節(jié)使用。3.3.基準杯

2、它的作用是收集來自凝汽室的凝結(jié)水， 并將凝結(jié)水產(chǎn)生的壓力導(dǎo)出容器，傳向差 壓測量儀表一一差壓變送器（后文簡稱變送器）的正壓側(cè)。基準杯的容積是有限 的，當凝結(jié)水充滿后則溢出流向溢流室。 由于基準杯的杯口高度是固定的， 故而 稱為基準杯。34溢流室溢流室占據(jù)了容器的大部分空間，它的主要功能是收集基準杯溢出的凝結(jié)水， 并 將凝結(jié)水排入鍋爐下降管，在流動過程中為整個容器進行加熱和蓄熱， 確保與汽 包中的溫度達到一致。正常情況下，由于鍋爐下降管中流體的動力作用， 溢流室 中基本上沒有積水或少量的積水。3.5.連通器倒T字形連通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入變送器的負壓側(cè)。毋庸 置疑，它的主要作用

3、是將汽包中動態(tài)的水位產(chǎn)生的壓力傳遞給變送器的負壓側(cè)， 與正壓側(cè)的（基準）壓力比較以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒T字形，是因為可以保證連通器中的介質(zhì)具有一定的流動性，防止其延伸到汽包之間的管線冬季發(fā)生凍結(jié)。連通器內(nèi)部介質(zhì)的溫度與汽包中的溫度很可能不一致，致使其中的液位與汽包中不同，但是由于流體的自平衡作用，對使汽包水位測量沒有任 何影響。3.6.差壓的計算通過前面的介紹可以知道，凝汽室、基準杯及其底部位于容器內(nèi)部的導(dǎo)壓管中的 介質(zhì)溫度與汽包中的介質(zhì)溫度是相等的，即丫 w= 丫 w， 丫 s= 丫 s。故而不難得到容器所輸出的差壓。本文以東方鍋爐廠 DG670-13.73-8A型鍋爐所采用的

4、測量范 圍為土 300mn雙室平衡容器為例加以介紹（如圖1所示）。通過圖1可知，容器正壓側(cè)輸出的壓力等于基準杯口所在水平面以上總的靜壓 力，加上基準杯口至L形導(dǎo)壓管的水平軸線之間這段垂直區(qū)間的凝結(jié)水壓力，再加上L形導(dǎo)壓管的水平軸線至連通器水平軸線之間，位于容器的外部的這段垂直 管段中的介質(zhì)產(chǎn)生的壓力。顯而易見，其中的最后部分壓力，由于其中的介質(zhì)為 靜止的且距容器較遠，因此其中的介質(zhì)密度應(yīng)為環(huán)境溫度下的密度。因此P+= Pj +320w+(580 320) Y式中p+ 容器正壓側(cè)輸出的壓力Yw容器中的介質(zhì)密度（Y w= Y w）環(huán)境溫度下水的密度Pj 基準杯口以上總的靜壓力 負壓側(cè)的壓力等于基準

5、杯口所在水平面以上總的靜壓力， 加上基準杯口水平面至 汽包中汽水分界面之間的飽和水蒸汽產(chǎn)生的壓力， 再加上汽包中汽水分界面至連 通器水平軸線之間飽和水產(chǎn)生的壓力，即P = Pj+（580 一 hw） 丫 s + h ww容器負壓側(cè)輸出的壓力式中 Phw 汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度Y s 汽包中飽和水蒸汽的密度因此差壓 P=P P =320 Yw+260 Y c (580 hw) Y s hwYw P=260 Y c + 320 s)h wY w 5801）這里有一點需要說明，（1）式中環(huán)境溫度下水的密度Y c,通常情況下它會隨 著季節(jié)的變化而變化， 它的變化將會影響汽包水位測

6、量的準確性。 就本例中的容 器而言，當環(huán)境溫度由25C升高到50C時，由于密度的變化對于差壓產(chǎn)生的影 響為-2.3mm水柱，經(jīng)過補償系統(tǒng)補償后對最終得到的汽包水位的影響將為 +2.35.5mm之間。通常情況下這樣的誤差是可以忽略的，也就是說可以認為這 里的溫度是恒定的。 但是為了盡量減小誤差， 必須恰當?shù)卮_定這里的溫度。 確定 溫度可以遵循這樣一條原則，就高不就低，視當?shù)貧夂蚣岸景闊岬纫蛩卮_定。比如此處的環(huán)境溫度一年當中通常在 050C之間變化，平均溫度為25C，則可 以令這里的溫度為35E。這是因為水的密度隨著溫度升高它的變化梯度越來越 大，確定的溫度高些， 將會使環(huán)境溫度變化對整個系統(tǒng)的

7、影響更小。 就本例中的 容器而言，當溫度從0C升高到25E時，溫度的變化對測量系統(tǒng)的最終結(jié)果影響 只有1mm左右，而環(huán)境溫度從25C升高到50C所帶來的影響卻為+2.35.5mm 之間。故而，確定溫度應(yīng)就高不就低。4. 雙室平衡容器的工作特性 容器的工作特性對于汽包水位測量和補償系統(tǒng)來說非常重要， 了解這種特性利于 用戶的應(yīng)用和掌握應(yīng)用中的技巧。 查飽和水與飽和水蒸汽密度表 可以獲得各 種壓力下飽和水與飽和水蒸汽的密度。把 0、土 50、土 100mm等汽包水位分別代 入（1）式，可得到容器輸出的一系列差壓，見下表 1雙室平衡容器固有補償 特性參照表。通過表 1 可以得知雙室平衡容器的工作特性

8、。矍壓 P位0 *-3M)-200-1W-500450+100+200S15.041&. Q315.02&.0215.01G5. 0115. C15,0468.33115就9121.0浜22 44皈6現(xiàn)2302.022 721$. 7178137.465,24 4m2372.72.2黑匚9219-71SL414X1陸誌反5旳“290. 3254.72佩0183L 4147.7飩48.5肛匸351. 2284.613i71514竝810.5觀.3340.427S.6247.6216.77154.8他912.S385,932S. 9271,9243.42119186. 415L9100-93陸93

9、16.12阿4233.5212.6186. 7159.410$，016. S347.1311. 3255.5232.5沁&186.7118.0注，表i中伽冷對應(yīng)兩行差壓值其中上一行為VC工況。此外均芮胞和工況。從表1中可以看到，各水位所對應(yīng)的由容器所輸出的差壓隨著壓力的變化（相關(guān)飽和汽、水密度）各自發(fā)生著不同的變化。這里首先注意0水位所對應(yīng)的差壓，它的變化規(guī)律較其它水位有明顯不同，只在一個較小的范圍內(nèi)波動。由于該容器 的設(shè)計壓力為13.73MPa,因此14.5MPa以下它的波動范圍更小，僅在土 5mm水柱 以內(nèi)。也就是說當汽包中的水位為0水位時，無論壓力如何變化，即使在沒有補 償系統(tǒng)的情況下，

10、對0水位測量影響都極小或者基本沒有影響。關(guān)于其它水位， 則當汽包水位越接近于0水位，其對應(yīng)的差壓受壓力的變化影響越小，反之則大。因此，雙室平衡容器是一種具有一定的自我補償能力的汽包水位測量裝置。它的這種能力主要體現(xiàn)在，當汽包中的水位越接近于0水位，其輸出的差壓受壓力變 化的影響越小，即對汽包水位測量的影響越小。 毫無疑問，容器特性由于容器的 自身結(jié)構(gòu)決定的，故又稱為固有補償特性。表 1中，0MPa寸應(yīng)兩行差壓值，其 原因后文將會提到。之所以雙室平衡容器會有這種特性其實質(zhì)， 是由于雙室平衡 容器在設(shè)計制造時采取了特殊的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大限度地削弱了汽水密度變化 對常規(guī)運行水位差壓的影響。但是盡管

11、如此，它并不能完全滿足生產(chǎn)的需要，仍 然需要繼續(xù)補償。5補償系統(tǒng)5.1.基礎(chǔ)知識與基本概念從容器的特性中可以看到， 雙室平衡容器不能完全滿足生產(chǎn)的需要。究其原因，是由于介質(zhì)密度的變化所造成的。 因此，必須要采取一定的措施， 進一步消除密度變化對汽包水位測量 的影響。這種被用來消除密度變化帶來的影響的措施就叫做補償。通過補償以準確地測定汽包中的水位。汽包水位測量補償?shù)姆椒ㄍǔＳ袃煞N，一種是壓力補償，另一種是溫度補償，無論采取哪種方法補償效果都一樣。但是它們之間略有區(qū)別，即溫度補償可以從0C開始，而壓力補償只能從100C開始。這是因為溫度可以一一對應(yīng)飽和密度以及100 C以下時的非飽和密度，而壓力

12、卻只能一一對應(yīng)飽和密度，即最低壓力OMPa只能對應(yīng)100C時的飽和密度。故而由這兩種方法構(gòu)成的補償系統(tǒng)各自對應(yīng)的補償起始點有所不同，即差壓變送器量程有所不同。 表1 中 0MPa 對應(yīng)兩行差壓值，其原因即在于此；其中上一行對應(yīng)的是溫度補償，下一行對應(yīng) 壓力補償。很顯然，溫度補償也可以從100C開始。5.2.建立補償系統(tǒng)的步驟第一步 確定雙室平衡容器的 0 水位位置容器的 0 水位的位置一般情況下比較容易確定， 通過查閱鍋爐制造廠家有關(guān)汽包 （學(xué)名鍋筒） 及附件方面的圖紙和資料， 進行比較和計算即可獲得。 文中例舉的容器 0水位位置位于連通 器水平管軸線以上 365mm 處，即基準杯口水所在的平

13、面下方 215mm 處。但是，偶爾由于 圖紙的疏漏缺少與確定 0水位相關(guān)的數(shù)據(jù)， 無法計算出 0水位的位置， 那么確定起來就比較 復(fù)雜。如圖 1 中就缺少數(shù)據(jù)。 這種情況下就只有根據(jù)容器的自我補償特性在 0 水位所體現(xiàn)的 特點通過反復(fù)驗算來獲得。 由于容器本身就是用這樣的方法經(jīng)反復(fù)驗算而設(shè)計制造的，只要驗算的方法正確通過驗算得到的數(shù)據(jù)會很準確可靠， 當然這只限于圖紙不詳?shù)那闆r下。 由于 限于篇幅， 這里只提供思路， 具體的驗算的方法本文不予介紹。 對此感興趣的讀者可以試一 試。第二步 確定差壓變送器的量程差壓變送器的量程是由汽包水位的測量范圍、 容器的 0水位位置以及補償系統(tǒng)的補償起始點 等三

14、方面因素決定的。 一些用戶一般只考慮了前兩方面因素， 而忽略了補償起始點因素， 甚 至極個別的用戶只簡單地根據(jù)汽包水位的測量范圍確定變送器的量程，造成很大的測量誤 差。一般情況下，忽略容器的 0水位位置所造成的誤差在 7090mm 之間，忽略補償起始點 所產(chǎn)生的誤差在 30mm 以下，特別情況下誤差都將會更大。此外，這里特別提醒用戶，在 進行汽包水位測量工作時， 關(guān)于變送器的量程， 在沒有得到確認的情況下， 切不可單純依賴 設(shè)計部門的圖紙。事實上，多數(shù)情況下，設(shè)計部門在進行此類設(shè)計，對變送器選型時，只確 定基本量程，而不給出應(yīng)用量程。下面來確定變送器的量程。本文的例子中容器的 0水位位置位于連

15、通器水平管軸線以上 365mm 處。由于該容器的量程 為土 300mm，因此（1）式中的hw的最大值和最小值分別為 665mm和65mm。如果采用壓 力補償，從飽和水與飽和水蒸汽密度表中查出100 C時的飽和水與飽和水蒸汽的密度代入（ 1）式，再分別將 665mm 和 65mm 代入（ 1）式，即得最小 差壓 Pmin= 70.5mm 水柱和最大差壓 Pmax=504mm 水柱這兩個差壓值就是變送器的量程范圍（見表1中OMPa對應(yīng)的下行），即一70.5504mm水柱。如果采用溫度補償，且從0C開始補償，則由于水的密度極其接近1mg/mm3，誤差可以忽略，令蒸汽的密度為0。用同樣方法即可得到變送

16、器的量程為85515mm 水柱（見表1中OMPa對應(yīng)的上行）。實際上，從0C開始補償是完全沒有必要的，其原因這里無需 遨述。第三步 確定數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是補償系統(tǒng)中的最重要環(huán)節(jié)。由（ 1）式得（ 2 ）由于相對于規(guī)定的 0水位的汽包水位 h= hw 365mm ,所以（ 3）式中 h 相對于規(guī)定的 0 水位的汽包水位Y w 飽和水的密度丫s 飽和水蒸氣的密度Y c 環(huán)境溫度下水的密度 P差壓（3） 式即為補償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。式中丫 c為常數(shù)，令環(huán)境溫度為30C,則丫c=0.9956mg/mm3 ，所以（ 4）（4） 式為最終的數(shù)學(xué)模型。顯然，它與（3）式的作用完全一樣。在補償系統(tǒng)中可以任選其一

17、。第四步 確定函數(shù)、完成系統(tǒng)在（3）式和（4）式中含都有“ 320 y w 580 丫 s”和“丫 w 丫 s”關(guān)于飽和水與 飽和水蒸汽密度的兩個子式。查飽和水與飽和水蒸汽密度表 ，可以獲得這兩個子式關(guān)于 壓力或溫度的函數(shù)曲線。將所得到的曲線以及（ 3）式或者（ 4）式輸入用以執(zhí)行運算任務(wù)硬 件設(shè)備，補償系統(tǒng)即告完成。從補償系統(tǒng)的建立過程可以發(fā)現(xiàn)， 補償系統(tǒng)是根據(jù)某一特定構(gòu)造的容器而建立的。 因此， 建 立補償系統(tǒng)時應(yīng)根據(jù)不同的容器， 建立不同的補償系統(tǒng)。 建立補償系統(tǒng)時， 當確定差壓的計算公式以后，只需重復(fù)這里的步驟即可得到新的汽包水位測量補償系統(tǒng)。6.關(guān)于容器保溫問題的釋疑眾所周知， 為了使容器達到理想工作狀態(tài)，容器的外部必須作以適當?shù)谋?。然而，關(guān)于容 器的凝汽室及頂部的保溫問題目前有些爭議， 部分用戶認為這里的保溫可有可無。 筆者在這 里闡述一下個人的觀點。筆者通過多年觀察發(fā)現(xiàn),在這里沒有保溫的情況下，冬季由儀表顯示的汽包水位會比夏季低將近10mm。分析原因，是因為一般情況下凝汽室的溫度都