單室平衡容器原理

1、鍋爐汽包水位測(cè)量誤差分析汽包水位是電廠的主要監(jiān)控參數(shù)之一，正確測(cè)量汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的保證。傳統(tǒng)的測(cè)量方式有：就地雙色水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)、差壓式水位計(jì)(單室或雙室平衡容器補(bǔ)償式)。就地水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)的測(cè)量誤差受鍋爐壓力、散熱情況、安裝形式、實(shí)際水位的影響，很難準(zhǔn)確計(jì)算。因此高參數(shù)、大容量機(jī)組多以各種補(bǔ)償差壓水位計(jì)作為汽包水位測(cè)量的主要儀表，但這種水位計(jì)測(cè)量誤差也同樣受到諸多因素的影響。本文通過(guò)分析汽包水位計(jì)的測(cè)量方式和水位測(cè)量誤差的原因，并對(duì)特定工況下汽包水位的測(cè)量進(jìn)行定量計(jì)算分析，提出減少水位測(cè)量誤差的方法和措施。一、就地水位計(jì)：就地水位計(jì)是安裝在鍋爐本位上的直讀式儀表，是鍋爐廠

2、必配的基本設(shè)備，大容量機(jī)組均采用工業(yè)電視遠(yuǎn)傳到集控室監(jiān)視，一般都配有兩套，分別安裝在汽包的兩端。就地水位計(jì)有玻璃、云母和牛眼之分，工作原理都是連通管原理，連通管原理是：在液體密度相同的條件下，連通管中各個(gè)支管的液位均處于同一高度。就地水位計(jì)如圖1所示。式中：h汽包正常水位距水側(cè)取樣的距離，mmh水位計(jì)中的水位與汽包中水位的差值，mmPs飽和蒸汽密度，kg/m3Pw飽和水密度，kg/m3Pa水位計(jì)中水的平均密度，kg/m3Ps'水位計(jì)中蒸汽的密度，kg/m3對(duì)就地水位計(jì)來(lái)說(shuō)，汽包內(nèi)的水溫是對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，飽和蒸汽通過(guò)汽側(cè)取樣孔進(jìn)入水位計(jì)，水位計(jì)的環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于蒸汽溫度，使蒸汽不斷凝

3、結(jié)成水，并迫使水位計(jì)中多余的水通過(guò)水側(cè)取樣管流回汽包。從水和蒸汽的特性表可看出：在常溫常壓下，汽包和水位計(jì)中的水密度是相等的，從式(1)可見(jiàn)，水位計(jì)中的水位與汽包內(nèi)的水位也是相同的，且與h值無(wú)關(guān)；隨著汽壓的升高，汽包中的水密度變小，蒸汽密度變大；而就地水位計(jì)因散熱的影響，水位計(jì)中的水密度也變小，但變化幅度不如汽包內(nèi)水的大；蒸汽密度雖也有增大，但變化幅度沒(méi)汽包內(nèi)的大，即Ps是不應(yīng)等于Ps'的，但其影響只要保溫處理的好，可忽略不計(jì)，下面的計(jì)算均是按Ps=Ps，來(lái)進(jìn)行的；致使水位計(jì)中水位和汽包內(nèi)水位的差值也隨之增大，這一差值始終是就地水位計(jì)中水位低于汽包水位的主要因素；并且當(dāng)h值改變時(shí)，水位

4、差值也會(huì)改變。為了給電廠提供參考，有的鍋爐廠給出了就地水位計(jì)和汽包正常水位差值的參考數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1所列數(shù)據(jù)，對(duì)于亞臨界鍋爐來(lái)說(shuō)，在額定汽壓下，就地水位計(jì)的水位比汽包內(nèi)的水位要低100150mm。下面以我廠(東方鍋爐廠)在汽包額定壓力18.2MPa下時(shí)汽包水位偏離正常水位的情況進(jìn)行分析，根據(jù)式(1)，取汽包水位為零時(shí)h=400mm，計(jì)算水位變化±1OOmm時(shí)水位計(jì)顯示情況。Pw、Ps為定值，假設(shè)Pa也為定值，取平均溫度為300時(shí)的值。h'=hh，為就地水位計(jì)中的水柱高度，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表中計(jì)算結(jié)果來(lái)看，汽包水位變化±100mm時(shí)，就地水位計(jì)的顯示值只變化&

5、#177;68mm，還是假定水位計(jì)中水的溫度不變，即Pa是定值的情況下計(jì)算的。實(shí)際上，當(dāng)汽包內(nèi)水位變化時(shí)，水位計(jì)中水的平均溫度和密度均會(huì)隨著變化的，汽包水位升高時(shí)，由于水的散熱面增加，平均溫度會(huì)下降，密度增大，水位計(jì)的指示也比表中計(jì)算的要低；而當(dāng)汽包水位降低時(shí)，水的散熱面減小，其平均溫度升高，密度減小，水位計(jì)的指示應(yīng)比表中計(jì)算的要高。當(dāng)汽包水位變化±100mm時(shí)，就地水位計(jì)的變化還達(dá)不到±68mm，只是±50mm左右，并且就地水位計(jì)的誤差并非是恒定值，在不同條件下有所變化，同一鍋爐，在不同工況下，在不同的季節(jié)里，誤差的變化還相當(dāng)顯著。所以依靠就地水位計(jì)來(lái)監(jiān)視汽包水

6、位是不安全、不準(zhǔn)確的。必須改變運(yùn)行中認(rèn)為就地水位計(jì)的指示是準(zhǔn)確的，并要求其它水位計(jì)的指示要與其一致。就地水位計(jì)可作為額定壓力下核對(duì)其它水位計(jì)正常水位值(零位)的參考。二、電接點(diǎn)水位計(jì)電接點(diǎn)水位計(jì)的工作原理與就地水位計(jì)的完全相同，屬于連通管式，利用與受壓容器相連通的測(cè)量筒上的電接點(diǎn)浸沒(méi)在水中與裸露在蒸汽中的導(dǎo)電率的差異，通過(guò)顯示儀表顯示水位。一般只配有一套，安裝在汽包的一端，通過(guò)信號(hào)線傳到集控室監(jiān)視，也有的將接點(diǎn)信號(hào)引入停爐保護(hù)系統(tǒng)。電接點(diǎn)水位計(jì)的工作原理與就地水位計(jì)相同，所以就地水位計(jì)存在的問(wèn)題，它同樣存在，即電接點(diǎn)水位計(jì)顯示的水位與汽包實(shí)際水位存在偏差，且不是固定的，汽包水位波動(dòng)時(shí)其顯示不能

7、與之對(duì)應(yīng)。電接點(diǎn)水位計(jì)與就地水位計(jì)因結(jié)構(gòu)、材料、形狀、安裝、散熱情況的不同，它們之間的顯示值也必然存在偏差；電接點(diǎn)水位計(jì)還存在電接點(diǎn)因掛水而誤發(fā)信號(hào)的問(wèn)題。所以在亞臨界的鍋爐上采用電接點(diǎn)水位計(jì)測(cè)量水位是不安全的、不準(zhǔn)確的，作為保護(hù)用信號(hào)是更不可取的。三、差壓式水位計(jì)差壓式水位計(jì)的工作原理是在汽包水位取樣管上安裝平衡容器，利用液體靜力學(xué)原理使水位轉(zhuǎn)換成差壓，用引壓管將差壓信號(hào)送至差壓計(jì)，由差壓計(jì)顯示汽包不位。經(jīng)過(guò)發(fā)展現(xiàn)在采用智能式差壓變送器來(lái)測(cè)量汽包水位，特別計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的引入，從技術(shù)性能、安全性、可靠性都有了極大的提高，現(xiàn)在亞臨界鍋爐均采用差壓式水位計(jì)作為汽包水位測(cè)量的主要手段，并作為汽包水

8、位控制、保護(hù)信號(hào)用。平衡容器又叫凝結(jié)球，根據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性的要求不同，有以下幾種平衡容器：?jiǎn)问移胶馊萜?、雙室平衡容器、帶蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的引入，智能變送器的采用，其運(yùn)算環(huán)節(jié)得出的結(jié)果遠(yuǎn)比通過(guò)補(bǔ)償修正的結(jié)果準(zhǔn)確，所以亞臨界鍋爐均采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平衡容器測(cè)量水位。下面就介紹單室平衡容器測(cè)量水位的方式。單室平衡容器測(cè)量水位的原理如圖2所示：從汽包汽側(cè)取樣孔引一管至平衡容器，進(jìn)入平衡容器的飽和蒸汽不斷凝結(jié)成水，多余的水由于溢流原理自取樣管流回汽包，使平衡容器內(nèi)的水位保持恒定。因此，差壓變送器的正壓頭由于平衡容器有恒定的水柱而維持不變，負(fù)壓頭則隨著汽包水位的變化而變化。為了避免汽包水

9、位變化時(shí)，影響平衡容器內(nèi)水位變化，而影響汽包水位測(cè)量的準(zhǔn)確性，容器的面積應(yīng)足夠大。由圖2可得差壓變送器差壓和汽包水位之間的關(guān)系如下式所示：式中：H汽水側(cè)取樣孔距離，mmL汽側(cè)取樣孔與汽包零水位的距離，mmh汽包水位偏差零水位的值，mmP汽包水位對(duì)應(yīng)的差壓值，mmH2OPs飽和蒸汽密度，kg/m3Pw飽和水密度，kg/m3Pa平衡容器參考水柱密度，kg/m3    式(2)中，H、L均是定值，Ps、Pw是汽包壓力的函數(shù)，Pa除了受汽包壓力的影響，還和平衡容器的散熱情況、環(huán)境溫度等有關(guān)。飽和蒸汽進(jìn)入平衡容器不斷凝結(jié)為水，容器內(nèi)表面的水溫接近于汽包內(nèi)的飽和溫度，平衡容器

10、及其下部取樣管受環(huán)境的冷卻，溫度不斷下降，隨著高度的下降，取樣管內(nèi)的溫度將接近環(huán)境溫度。參比水柱的水溫高于環(huán)境溫度，但遠(yuǎn)低于汽包內(nèi)的飽和溫度。參比水柱的水溫一般采用取平均值的方法，按照常數(shù)考慮，一般取50或60；現(xiàn)在一些電廠也采用直接測(cè)量參比水柱溫度的方法進(jìn)行修正。    由于汽水密度都是隨壓力改變的，因此同一汽包水位在不同的壓力工況下所產(chǎn)生的壓差是不同的。以我廠自然循環(huán)汽包爐為例，已知汽包內(nèi)徑1792mm，零水位在汽包機(jī)械中心線以下50mm，水側(cè)取樣孔距零水位以下400mm，汽側(cè)距零水位以上360mm，H=400+360760mm，取參比水柱水的平均溫度為60，

11、計(jì)算得出表3所示結(jié)果。表3的結(jié)果顯示：在大氣壓下，汽包水位到汽側(cè)取樣孔時(shí)，壓差最小，等于零；降至水側(cè)取樣孔時(shí)，壓差最大，等于760mmH2O。因此，測(cè)量汽包水位的變送器量程為7600mmH2O，即是汽水側(cè)取樣孔之間的距離。隨著汽壓的升高，同樣的汽包水位變化量所對(duì)應(yīng)的壓差變化量減小。汽包水位變化土250mm，大氣壓下壓差變化500mmH2O，壓力升到9Mpa時(shí)壓差變化為329mmH2O，升高到18Mpa時(shí)，壓差變化僅為205mmH2O，而且水位越高，受壓力的影響越大，水位越低受的影響相對(duì)較小。因此，壓力的變化會(huì)給水位的測(cè)量帶來(lái)相當(dāng)大的誤差，但該誤差只是因?yàn)閴毫Φ淖兓a(chǎn)生的，所以，在差壓式水位計(jì)

12、的測(cè)量回路中加入壓力修正，可以將壓力引起的測(cè)量誤差消除。壓力修正原理如下：由(2)式可得    根據(jù)(3)式，可得出圖3所示的修正回路，修正汽包水位測(cè)量受汽包壓力影響造成的誤差。修正回路中的F1(x)、F2(x)兩函數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能很方便的實(shí)現(xiàn)和完成。修正回路如圖三所示。平衡容器參比水柱因受環(huán)境的影響，溫度分配不均，平衡容器上部溫度接近飽和溫度，向下逐漸減小直到接近環(huán)境溫度，按平均溫度來(lái)計(jì)算，也必然存在誤差；且參比水柱的高度受汽包壓力、工況、安裝等的影響，也會(huì)產(chǎn)生誤差。當(dāng)參比注柱平均密度變化pa時(shí)，汽包水位測(cè)量誤差將為： 參比水柱平均溫度變化時(shí)，相對(duì)于20

13、時(shí)產(chǎn)生的誤差如表4所示。從表4看出，參比水柱平均溫度變化時(shí)對(duì)汽包水位測(cè)量誤差的影響，隨著汽包壓力的升高而增大，并且隨著平均溫度的增大而增大，50及以下影響相對(duì)小些；因此，參比水柱平均溫度應(yīng)盡量小，并且分布應(yīng)均勻。參比水柱高度變化時(shí)，設(shè)高度誤差為H汽包水位測(cè)量產(chǎn)生的誤差為：四、影響汽包水位測(cè)量的原因根據(jù)對(duì)幾種水位測(cè)量方式的分析，影響水位測(cè)量的原因主要有以下幾個(gè)方面：4.1  汽包水位計(jì)安裝條件、位置、環(huán)境的影響，水位計(jì)定位偏差一般在1050mm，各水位計(jì)所處的環(huán)境存在著差別，影響散熱；4.2  汽包安裝條件的影響，汽包安裝時(shí)的水平度要求應(yīng)5mm，但在鍋爐運(yùn)行幾年后，均會(huì)發(fā)生變

14、化，達(dá)到1520mm，水位計(jì)安裝時(shí)是依據(jù)汽包中心線為標(biāo)準(zhǔn)，致使水位計(jì)安裝時(shí)產(chǎn)生誤差；4.3  從給水、水冷壁進(jìn)入汽包內(nèi)的水的影響，給水溫度因受各加熱環(huán)境的影響，不可能恒定不變，且水溫低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度；水冷壁進(jìn)入的水含大量的汽泡，并不斷蒸發(fā)，其密度將小于相應(yīng)溫度、壓力下水的密度；4.4  下降管的影響，鍋爐運(yùn)行中，汽包內(nèi)的水不斷地高速進(jìn)入下降管，使得汽包內(nèi)的水位不是一個(gè)理想的水平面，會(huì)隨著下降管的布置位置產(chǎn)生高低不同的差別，差別可達(dá)4060mm；4.5  測(cè)量?jī)x表本身固有的誤差，雖然儀表的精度已很高，但仍存在著測(cè)量、安裝誤差。五、減小汽包水位測(cè)量誤差的方法和措施5.1  合理的取樣位置，應(yīng)高于水位保護(hù)定值的高度，并有一定的余量；5.2  合適的取樣管路管徑，以減小流通阻力，防止水位顯示滯后； 5.3  盡