第五章 液位測量

1、第五章第五章 液位測量液位測量 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位往往是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位往往是很重要的控制參數(shù)。對于一般儲液裝很重要的控制參數(shù)。對于一般儲液裝置內(nèi)所儲存液體的多少對生產(chǎn)過程的置內(nèi)所儲存液體的多少對生產(chǎn)過程的影響是不可忽視的。比如火電生產(chǎn)過影響是不可忽視的。比如火電生產(chǎn)過程中的鍋爐汽包內(nèi)的水位就直接影響程中的鍋爐汽包內(nèi)的水位就直接影響汽水系統(tǒng)循環(huán)的效果以及送出蒸汽的汽水系統(tǒng)循環(huán)的效果以及送出蒸汽的質(zhì)量。質(zhì)量。鍋爐汽包水位測量對鍋爐安全鍋爐汽包水位測量對鍋爐安全運行極為重要。運行極為重要。 一、汽包水位測量的背景知識一、汽包水位測量的背景知識 汽包水位的定義汽包水位的定義圖2 汽包內(nèi)汽水

2、界面水冷壁水冷壁下降管蒸汽出口去過熱器汽包中不存在清晰的汽水界面！ 蒸汽出口去過熱器 汽包水位的定義汽包水位的定義重量水位：假想某一瞬時汽包出口與入口都封閉起來，汽側(cè)中的水回到水側(cè)，水側(cè)中的汽回到汽側(cè)，汽、水平靜下來時的水位。實際水位：沿汽包垂直方向上蒸汽濕度變化率最大的點，由無數(shù)這樣的點構(gòu)成的液面。重量水位=正常水位+偏差水位 h = h0 + h高度0100%濕度圖3 濕度和水位的關(guān)系水位高度0100%相對濕度圖3 濕度和水位的關(guān)系h0hh 常用種類：連通式云母水位計、雙色水位計、平常用種類：連通式云母水位計、雙色水位計、平衡式差壓水位計、電接點水位計。衡式差壓水位計、電接點水位計。連通式

3、云母水位計就地安裝在汽包上，指示直連通式云母水位計就地安裝在汽包上，指示直觀，可靠，但監(jiān)視不便。可采用閉路工藝電視觀，可靠，但監(jiān)視不便。可采用閉路工藝電視遠距離監(jiān)視雙色水位計。遠距離監(jiān)視雙色水位計。差壓式水位計受汽包壓力影響大，需進行汽包差壓式水位計受汽包壓力影響大，需進行汽包壓力補償。壓力補償。電接點水位計指示受汽包壓力變化影響小，并電接點水位計指示受汽包壓力變化影響小，并方便遠傳，缺點是指示不連續(xù)。方便遠傳，缺點是指示不連續(xù)。二、液位測量的種類二、液位測量的種類主要內(nèi)容主要內(nèi)容 v第一節(jié)第一節(jié) 云母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計v第二節(jié)第二節(jié) 壓差式水位計壓差式水位計v第三節(jié)第三

4、節(jié) 電接點水位計電接點水位計v第四節(jié)第四節(jié) 其他液位測量方法其他液位測量方法第五章第五章 液位測量液位測量第一節(jié)第一節(jié) 云母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計云母水位計是一根連通云母水位計是一根連通管，低壓鍋爐，用玻璃管，低壓鍋爐，用玻璃做水位計觀察窗，高壓做水位計觀察窗，高壓鍋爐，爐水對玻璃有腐鍋爐，爐水對玻璃有腐蝕性，故用云母片做觀蝕性，故用云母片做觀察窗。故稱云母水位計。察窗。故稱云母水位計。00H)HH(Havsw0HHswsavw, s為汽包飽和壓為汽包飽和壓力下飽和蒸汽和水力下飽和蒸汽和水的密度的密度3 云母水位計的結(jié)構(gòu)云母水位計的結(jié)構(gòu)1 ）公式推導(dǎo)）公式推導(dǎo)第一節(jié)第一節(jié) 云

5、母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計2)汽包的重量水位汽包的重量水位H和云母水位計示值和云母水位計示值H0之間的誤差：之間的誤差：(1）誤差原因）誤差原因： 云母水位計中的水的平均密度云母水位計中的水的平均密度av不等不等于汽包內(nèi)飽和水的密度時于汽包內(nèi)飽和水的密度時w ，使得液位計顯示的液，使得液位計顯示的液位不同于容器中的液位，影響因素主要在于：由于位不同于容器中的液位，影響因素主要在于：由于液位計中與被測容器中的液位計中與被測容器中的液溫有差別液溫有差別，另外與，另外與鍋爐鍋爐汽包壓力的變化汽包壓力的變化有關(guān)有關(guān)(2）減小誤差措施：）減小誤差措施：常采用常采用保溫、加熱、校正保溫、加

6、熱、校正等手等手段段v由于云母水位計溫度低于汽包內(nèi)溫度，因此云母由于云母水位計溫度低于汽包內(nèi)溫度，因此云母水位計的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。水位計的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。3 云母水位計的結(jié)構(gòu)云母水位計的結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 云母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計4 云母水位計的特點：云母水位計的特點：v最大優(yōu)點：直接反映汽包水位，直觀，可靠，最大優(yōu)點：直接反映汽包水位，直觀，可靠，v缺點：但只能就地監(jiān)視，并且液位顯示不夠缺點：但只能就地監(jiān)視，并且液位顯示不夠清晰。清晰。5 雙色水位計雙色水位計1) 工作原理工作原理 ： 改進了云母水位計結(jié)構(gòu)，輔以光學(xué)系統(tǒng)，利用改進了云母水

7、位計結(jié)構(gòu)，輔以光學(xué)系統(tǒng)，利用光從空氣進入蒸汽或水產(chǎn)生不同的折射，使汽光從空氣進入蒸汽或水產(chǎn)生不同的折射，使汽水分界面顯示成紅、綠兩色的分界面，顯示清水分界面顯示成紅、綠兩色的分界面，顯示清晰，并有利于用工業(yè)電視等方式遠傳顯示。晰，并有利于用工業(yè)電視等方式遠傳顯示。第一節(jié)第一節(jié) 云母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計2）具體工作方式：）具體工作方式：當(dāng)紅綠光以不同的角度進入到蒸汽空間，由于當(dāng)紅綠光以不同的角度進入到蒸汽空間，由于蒸汽與空氣的光學(xué)性質(zhì)相近，所以折射小，紅蒸汽與空氣的光學(xué)性質(zhì)相近，所以折射小，紅光通過到影屏上顯示，綠光不被顯示。光通過到影屏上顯示，綠光不被顯示。當(dāng)紅綠光以不同的

8、角度進入到水空間，由于水當(dāng)紅綠光以不同的角度進入到水空間，由于水棱鏡的折射作用，綠光通過到影屏上顯示，紅棱鏡的折射作用，綠光通過到影屏上顯示，紅光不被顯示。光不被顯示。結(jié)論：水位計中汽柱呈紅色，水柱呈綠色。結(jié)論：水位計中汽柱呈紅色，水柱呈綠色。5 雙色水位計雙色水位計當(dāng)紅綠光當(dāng)紅綠光以不同的以不同的角度進入角度進入到蒸汽空到蒸汽空間，由于間，由于蒸汽與空蒸汽與空氣的光學(xué)氣的光學(xué)性質(zhì)相近性質(zhì)相近，所以折，所以折射小，紅射小，紅光通過到光通過到影屏上顯影屏上顯示，綠光示，綠光不被顯示不被顯示。當(dāng)紅綠光當(dāng)紅綠光以不同的以不同的角度進入角度進入到水空間到水空間，由于水，由于水棱鏡的折棱鏡的折射作用，射

9、作用，綠光通過綠光通過到影屏上到影屏上顯示，紅顯示，紅光不被顯光不被顯示。示。結(jié)論：水位計中汽柱呈紅色，水柱呈綠色。結(jié)論：水位計中汽柱呈紅色，水柱呈綠色。第一節(jié)第一節(jié) 云母水位計與雙色水位計云母水位計與雙色水位計超高壓鍋爐的雙色水位計沿水位計高超高壓鍋爐的雙色水位計沿水位計高 度開多個度開多個圓形窗口，減小玻璃板受力。圓形窗口，減小玻璃板受力。缺點：盲區(qū)。小窗之間有一小段不透明，看不缺點：盲區(qū)。小窗之間有一小段不透明，看不見水位分界面見水位分界面5 雙色水位計雙色水位計3）多窗式雙色水位計多窗式雙色水位計:第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計 它是靜壓式液位測量儀表，它是靜壓式液位測量儀表，在汽

10、包水位、高加水位、除氧器在汽包水位、高加水位、除氧器水位測量中都能得到應(yīng)用。水位測量中都能得到應(yīng)用。原理：根據(jù)水位和差壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系差壓式水位測量系統(tǒng)的組成差壓式水位測量系統(tǒng)的組成水冷壁水冷壁蒸汽出口去過熱器P水P下降管 測量系統(tǒng)的組成測量系統(tǒng)的組成平衡容器平衡容器壓力變送器壓力變送器顯示器顯示器單室平衡容器單室平衡容器雙室平衡容器雙室平衡容器補償式平衡容器補償式平衡容器4 420mA20mA正正壓壓室室產(chǎn)生恒定的產(chǎn)生恒定的靜壓力靜壓力差壓變送器差壓變送器汽P脈脈沖沖管管道道 蒸汽出口去過熱器差壓差壓( (壓力）變送器壓力）變送器水冷壁負壓室負壓室 一、水位一、水位差壓轉(zhuǎn)換原理差壓轉(zhuǎn)換原理 水位

11、水位差壓轉(zhuǎn)換裝置又稱平衡容器，其結(jié)差壓轉(zhuǎn)換裝置又稱平衡容器，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示，構(gòu)形式如圖所示，(a)(a)為簡單平衡容器，為簡單平衡容器，(b)(b)為雙室平衡容器，為雙室平衡容器，(c)(c)為結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡為結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器。容器。 (a) (b) (c)(a) (b) (c)1.1.簡單平衡容器簡單平衡容器 對圖對圖(a)(a)中所示簡單平衡容器輸出的差壓中所示簡單平衡容器輸出的差壓為為 ，按照流體靜力學(xué)原理，有，按照流體靜力學(xué)原理，有 pppHg )(g )(Hg )( Lswswsa0由上式容易看出：輸出的差壓信由上式容易看出：輸出的差壓信號受汽包壓力和平衡容器側(cè)水柱號受

12、汽包壓力和平衡容器側(cè)水柱溫度的影響。溫度的影響。HggHgLswswsap)()()(0誤差原因誤差原因: :平衡容器水柱溫度和汽包壓力的變化平衡容器水柱溫度和汽包壓力的變化。1）公式）公式2）誤差）誤差第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計gHHLgHHgLpswa)()(003/wskg m、wsp M Pa 汽包壓力與密度之間的關(guān)系ws2.雙室平衡容器1 正取壓閥門 2 負取壓閥門 3 雙室平衡容器 4 被測受壓容器 在圖在圖(b)(b)所示的雙室平衡容所示的雙室平衡容器中，給固定水柱增裝了蒸汽器中，給固定水柱增裝了蒸汽保溫室，使得固定水柱的溫度保溫室，使得固定水柱的溫度達到了汽包內(nèi)的汽水溫

13、度，因達到了汽包內(nèi)的汽水溫度，因而消除了固定水柱非飽和狀態(tài)而消除了固定水柱非飽和狀態(tài)時溫度的影響。其輸出差壓為時溫度的影響。其輸出差壓為 pgHHLgHHgLppsww)()(00g)(HHL(sw02）公式）公式1）特點）特點:溫度補償溫度補償?shù)诙?jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計2.2.雙室平衡容器雙室平衡容器 由上式易看出：由上式易看出：(1) (1) 輸出的信號差壓與水位成輸出的信號差壓與水位成負線性關(guān)系負線性關(guān)系( (壓力不變時壓力不變時) )。(2) (2) 汽包壓力變化汽包壓力變化時，輸出仍受壓力的影響時，輸出仍受壓力的影響( (水位不變時水位不變時) )。(3) (3) 不同水位時

14、壓力影響所產(chǎn)生的誤差是不同的，不同水位時壓力影響所產(chǎn)生的誤差是不同的，在水位不變的情況下，汽包壓力的變化所產(chǎn)生在水位不變的情況下，汽包壓力的變化所產(chǎn)生的輸出誤差為的輸出誤差為gHHLswp)(0誤差原因誤差原因: :汽包壓力的變化汽包壓力的變化第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計2.2.雙室平衡容器雙室平衡容器3)誤差原因誤差原因(b)中中 3 3、差壓水位的壓力校正、差壓水位的壓力校正 1 1）校正原理）校正原理 通過引入汽包壓力信號進行一定的校正計算，從而通過引入汽包壓力信號進行一定的校正計算，從而消除壓力對測量影響的一種補償消除壓力對測量影響的一種補償方法。方法。具體如下：對于雙室平衡容器

15、，輸出具體如下：對于雙室平衡容器，輸出 對于式中對于式中( )( )因子可采用如下近似公式：因子可采用如下近似公式：pgHHLsw)(0swgp / )715. 28 .908(swLHH0pp715. 28 .908)(0HLHpp715.28 .908第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計準確性取決于準確性取決于( )( ) 的近似公式。如果的近似公式。如果把把( )( ) 的關(guān)系用多段直線的關(guān)系用多段直線( (折線折線) )逼逼近，在每段直線對應(yīng)的壓力范圍內(nèi)用直線代替，近，在每段直線對應(yīng)的壓力范圍內(nèi)用直線代替，則則( )( ) 的關(guān)系的準確性可達到較高的關(guān)系的準確性可達到較高的程度。的程度。

16、swswswppp第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計3 3、差壓水位的壓力校正、差壓水位的壓力校正2）問題）問題4.4.結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器 1 1）特點：）特點：固定水柱的管段稱為固定水柱的管段稱為補償管段，它的長度是經(jīng)過精心設(shè)計補償管段，它的長度是經(jīng)過精心設(shè)計而確定的。由于補償管段的補償，大而確定的。由于補償管段的補償，大大減小了壓力變化對平衡容器的輸出大減小了壓力變化對平衡容器的輸出的影響。的影響。2 2）公式：按照流體靜力學(xué)原理，補）公式：按照流體靜力學(xué)原理，補償式雙室平衡容器的輸出為償式雙室平衡容器的輸出為 gHHglLglpppwaw)()(0glLgHHL

17、gHHlasw)()()(00HgHHLgHHlpsw)()(00在在 不變的情況下，汽包壓力的變化所產(chǎn)生的輸出誤不變的情況下，汽包壓力的變化所產(chǎn)生的輸出誤差為差為gHHLs)(0第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計 的長度是經(jīng)過設(shè)計確定的，只要適當(dāng)選擇的長的長度是經(jīng)過設(shè)計確定的，只要適當(dāng)選擇的長度就可以在一定水位上度就可以在一定水位上( )( )使得壓力的使得壓力的影響減小到最低程度。影響減小到最低程度。l0H00()()wsplHgLHg 0H000 ()()wsl HgL Hg 0000)()(HHLHHLlws第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計4.4.結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器結(jié)構(gòu)補償式雙室

18、平衡容器3)如何確定如何確定l0H當(dāng)當(dāng)時：時：如果如果 時使壓力的影響所產(chǎn)生的輸出的時使壓力的影響所產(chǎn)生的輸出的誤差為零，則有誤差為零，則有ws是汽包工作壓力與額定工作壓力時的飽和水、是汽包工作壓力與額定工作壓力時的飽和水、汽的密度差，汽的密度差，wrwsrs 根據(jù)差壓計的量程上限根據(jù)差壓計的量程上限 來確定來確定 值。值。 在在 和工作壓力為補償范圍下限壓力和工作壓力為補償范圍下限壓力 時，平衡容器輸出最大，故有時，平衡容器輸出最大，故有Lmaxp0HHxpmax00()()wxsxaplg LgL lglL HH4)如何確定如何確定L第二節(jié)第二節(jié) 差壓水位計差壓水位計4.4.結(jié)構(gòu)補償式雙室

19、平衡容器結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器5)結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器的作用結(jié)構(gòu)補償式雙室平衡容器的作用可使正常水位下差壓輸出可使正常水位下差壓輸出p0受汽包壓力變化影受汽包壓力變化影響大大減少，但響大大減少，但偏離正常水位偏離正常水位HH時，影響無法時，影響無法消除。消除。gHppsw)(0 蒸汽罩補償式平衡容器蒸汽罩補償式平衡容器 lL 其結(jié)構(gòu)如圖所示，為了使正壓管中的水位恒定，一方面加大其結(jié)構(gòu)如圖所示，為了使正壓管中的水位恒定，一方面加大正壓容器的界面積，并在其上面裝一個凝結(jié)水盤，使凝結(jié)水不斷正壓容器的界面積，并在其上面裝一個凝結(jié)水盤，使凝結(jié)水不斷流入正壓容器。正壓容器相當(dāng)于一個溢出杯，使其水位恒定。

20、用流入正壓容器。正壓容器相當(dāng)于一個溢出杯，使其水位恒定。用蒸汽包圍正壓容器，使其中水的溫度等于飽和溫度。蒸汽凝結(jié)水蒸汽包圍正壓容器，使其中水的溫度等于飽和溫度。蒸汽凝結(jié)水從疏水管流入下降管。疏水管和下降管相接處的高度應(yīng)保證平衡從疏水管流入下降管。疏水管和下降管相接處的高度應(yīng)保證平衡容器內(nèi)無水，而下降管又不抽空。負壓管直接從汽包水側(cè)引出，容器內(nèi)無水，而下降管又不抽空。負壓管直接從汽包水側(cè)引出，為了保證壓力引出管的垂直部分水的密度等于環(huán)境密度，壓力引為了保證壓力引出管的垂直部分水的密度等于環(huán)境密度，壓力引出管的水平長度要足夠大。出管的水平長度要足夠大。 在正常水位時，平衡容器的輸出差壓為在正常水位

21、時，平衡容器的輸出差壓為0100pLlgLHglHg 在設(shè)計平衡容器時，通過確定適當(dāng)?shù)脑谠O(shè)計平衡容器時，通過確定適當(dāng)?shù)腖和和 值，使汽包壓力值，使汽包壓力從很小的值變到額定工作壓力時正常水位下平衡容器輸出的差從很小的值變到額定工作壓力時正常水位下平衡容器輸出的差壓不變，從而消除傳感器的零位漂移壓不變，從而消除傳感器的零位漂移。確定適當(dāng)?shù)拇_定適當(dāng)?shù)腖和和 值的原值的原則為：則為：ll （1） 根據(jù)零水位差壓輸出從很小的汽包壓力變到額定工作根據(jù)零水位差壓輸出從很小的汽包壓力變到額定工作壓力時得到完全補償，可以得到的大小為：壓力時得到完全補償，可以得到的大小為：120012lHLH -小汽包壓力下汽

22、包飽和水和飽和蒸汽的密度小汽包壓力下汽包飽和水和飽和蒸汽的密度 -汽包額定壓力下飽和水和飽和蒸汽的密度汽包額定壓力下飽和水和飽和蒸汽的密度11,22, （2） 考慮平衡容器的輸出差壓最大值應(yīng)和差壓傳感器上限考慮平衡容器的輸出差壓最大值應(yīng)和差壓傳感器上限一致，即在水位最低一致，即在水位最低 和汽包額定工作時，平衡容器輸和汽包額定工作時，平衡容器輸出的最大差壓等于差壓傳感器的測量上限，可推導(dǎo)出出的最大差壓等于差壓傳感器的測量上限，可推導(dǎo)出 L: max11plgLg 應(yīng)該指出，這種結(jié)構(gòu)只能是是正常水位下的差壓受汽包壓力應(yīng)該指出，這種結(jié)構(gòu)只能是是正常水位下的差壓受汽包壓力變化的影響大大減小。當(dāng)水位偏

23、離正常水位，輸出差壓還會受汽變化的影響大大減小。當(dāng)水位偏離正常水位，輸出差壓還會受汽包壓力的影響包壓力的影響。gHppsw)(00HH 第三節(jié)第三節(jié) 電接點水位計電接點水位計1 工作原理：電接點水位計使利用汽包內(nèi)汽、水工作原理：電接點水位計使利用汽包內(nèi)汽、水介質(zhì)的電阻率相差極大的性質(zhì)來測量汽包水位。介質(zhì)的電阻率相差極大的性質(zhì)來測量汽包水位。 2 具體結(jié)構(gòu)：具體結(jié)構(gòu)： 電接點水位計由水位傳感器和電氣顯示儀表組電接點水位計由水位傳感器和電氣顯示儀表組成。水位傳感器就是一個帶有若干個電接點的成。水位傳感器就是一個帶有若干個電接點的連通容器，利用其中汽、水導(dǎo)電性能的差別：連通容器，利用其中汽、水導(dǎo)電性

24、能的差別：被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻被水淹沒的電接點所在電路處于低電阻(相當(dāng)相當(dāng)于開關(guān)閉合于開關(guān)閉合)，因此被水接通的電接點位置可，因此被水接通的電接點位置可表示水位顯示電接點已被導(dǎo)通表示水位顯示電接點已被導(dǎo)通(即水位位置即水位位置)的方法很多，最簡單的如燈泡亮，也有用帶放的方法很多，最簡單的如燈泡亮，也有用帶放大器的發(fā)光二極管等大器的發(fā)光二極管等第三節(jié)第三節(jié) 電接點水位計電接點水位計3 特點：散熱引起的誤差比云母水位計小，特點：散熱引起的誤差比云母水位計小，但指示不連續(xù)，兩電極間的距離就是儀表但指示不連續(xù)，兩電極間的距離就是儀表的不靈敏區(qū)。的不靈敏區(qū)。接點之間在高度上的間距不是均勻的，在接點之間在高度上的間距不是均勻的，在正常水位附近要密一些。正常水位附近要密一些。水位轉(zhuǎn)換原理與水位測量筒的結(jié)構(gòu)水位轉(zhuǎn)換原理與水位測量筒的結(jié)構(gòu) 水位測量筒通過連通方式形成相應(yīng)水柱高度，該水柱的壓水位測量筒通過連通方式形成相應(yīng)水柱高度，該水柱的壓力平衡壓力容器內(nèi)的被測量水位的壓力。在水位測量筒的筒壁力