雙室平衡容器汽包水位測量及其補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用30743

1、1 摘要本文以實踐為基礎(chǔ)，剖析了雙室平衡容器的工作原理與特性。重點論述了補(bǔ)償系統(tǒng)的建立方 法與步驟，同時指出了應(yīng)用中的常見錯誤并提出了解決方案。2. 前言汽包水位是鍋爐及其控制系統(tǒng)中墳重耍的參數(shù)z，雙室平衡容器在其中充當(dāng)著不可或缺的 重要角色。但是山于-些用戶對于雙室平衡容器及其測量補(bǔ)等方面缺少全而的必要的了解或 者疏漏，致使應(yīng)川屮時有錯課發(fā)生，甚至形成安全隱患。例如腔利油山勝利發(fā)電廠一期工程, 該工程投入運行早期其汽包水位測暈系統(tǒng)的誤差競達(dá)7090mm,特殊情況下誤差將會更 大（曾因此造成汽包滿水停機(jī)事故）。迄今為止，據(jù)不完全了解，目前仍有個別用戶存在一 些類似的問題或者其它問題。汽包水位是

2、涉及機(jī)組安全與和運行的重要參數(shù)和指標(biāo)，因此不 允許任何人為的謀差。為使用戶能夠更好地學(xué)握雙室平衡容器在汽包水位測量中的應(yīng)用，謹(jǐn) 撰此文。不足z處，請不吝指正。3. 雙室平衡容粘的工作原理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(bǔ)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(zhǔn)杯的上方有一個惻環(huán)形漏斗結(jié)構(gòu)將整個雙室平衡容器分隔成上卞兩個 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)合各主耍部分 的功能特點，將它們分別命名為凝汽室、基準(zhǔn)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。凝汽峯 （汽包廠r雙室平衡容器>1000

3、0ss入基準(zhǔn)杯溢流室器 通 連 b32凝汽室凝結(jié)水管理想狀態(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(zhǔn)杯及后續(xù)環(huán)節(jié)使用。3.3 基準(zhǔn)杯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，傳向差壓測量儀農(nóng) 差壓變送器（后文簡稱變送器）的止壓側(cè)。基準(zhǔn)杯的容積是有限的，當(dāng)凝結(jié)水充滿后則 溢汕流向溢流室。由于基準(zhǔn)杯的杯口高度是固定的，故而稱為基準(zhǔn)杯。34溢流室溢流室占據(jù)了容器的人部分空間，它的主要功能是收集基準(zhǔn)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(jìn)行加熱和蓄熱，確保與汽包屮的溫度達(dá)到一致。 止常情況下，由于鍋爐下降管屮流體的動

4、力作用，溢流室小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(fù)壓側(cè)。毋庸置疑，它 的主要作用是將汽包中動態(tài)的水位產(chǎn)牛的壓力傳遞給變送器的負(fù)壓側(cè)，與正壓側(cè)的（基準(zhǔn)） 壓力比較以得知汽包中的水位。它z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z間的管線冬季發(fā)牛凍結(jié)。連通器內(nèi)部介質(zhì)的溫度 與汽包屮的溫度很可能不一致，致使其屮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。36差壓的計算通過前而的介紹可以知道，凝汽室、基準(zhǔn)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

5、介質(zhì)溫度是相等的，ep yw=y w，ys=yso故而不難得到容器所輸出的差壓。木文以 東方鍋爐廠dg670-13.73-8a型鍋爐所采川的測量范圍為±300mm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(zhǔn)杯口所在水平而以上總的靜壓力，加上基 準(zhǔn)杯口至l形導(dǎo)壓管的水平軸線z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z間，位丁容器的外部的這段垂直管段中的介質(zhì)產(chǎn)牛的壓力。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(yuǎn)，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 +320 y w+（5

6、80-320） y c式中p+ 容器正壓側(cè)輸岀的壓力yw容器中的介質(zhì)密度（y w=y w）y c環(huán)境溫度下水的密度pj 基準(zhǔn)杯口以上總的靜壓力負(fù)壓側(cè)的壓力等于基準(zhǔn)杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準(zhǔn)杯口水平面至汽包屮汽水 分界面之間的飽和水蒸汽產(chǎn)生的壓力，再加上汽包屮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-hw） y s+hjw式中p-容器負(fù)壓側(cè)輸出的壓力hw 汽水分界線至連通器水平管中心線z間的垂直高度y s汽包中飽和水蒸汽的密度因此差壓ap=p+-p-=320 yw+260 y c-(580-hw) ys-hwyw即 zkp二260丫 c + 320y

7、w580y s-(yw-y s)hw(1)這里有一點需要說明，(1)式屮環(huán)境溫度下水的密度丫 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量的準(zhǔn)確性。就本例中的容器而言，當(dāng)環(huán)境溫度山 25°c升高到50°c時，由于密度的變化對于差壓產(chǎn)生的影響為一2.3mm水柱，經(jīng)過補(bǔ)償系統(tǒng) 補(bǔ)償后對最終得到的汽包水位的影響將為+235.5mm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(rèn)為這里的溫度是恒定的。但是為了盡量減小誤差，必須恰當(dāng)?shù)卮_ 定這里的溫度。確定溫度對以遵循這樣一條原則，就高不就低，視當(dāng)?shù)貧夂蚣岸景闊岬纫?索確定。比如此處的環(huán)境溫度一年當(dāng)

8、中通常在050°cz間變化，平均溫度為25°c,則可 以令這里的溫度為35°co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 溫度扁些，將會使環(huán)境溫度變化對整個系統(tǒng)的影響更小。就木例中的容器而言，當(dāng)溫度從0°c 升高到25°c時，溫度的變化対測量系統(tǒng)的最終結(jié)果影響只有1mm左右，而環(huán)境溫度從25°c 升髙到50°c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(bǔ)償系統(tǒng)來說非常重要，了解這種特性利于用八的應(yīng)用 和掌握應(yīng)用中的技巧。查飽

9、和水與飽和水熬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、±50、±100mm等汽包水位分別代入(1)式，對得到容器輸出的一 系列差壓，見下表1雙室平衡容器固有補(bǔ)償特性參照表。通過表可以得知雙室平衡容 器的丄作特性。雙室平衡容器固有補(bǔ)償特性參照表差壓 杰位-300-200-100-500+50+100+200+3000 515.0415.0315.0265.0215.0165.0115.015.0-85.0504.0408.3312.5264.6216.8168.9121.025.2-70.524466.6384.2302.0260.7219.7178.61

10、37.455.2-27.14.4449.2372.7296.2257.9219.7181.4143.166.6-9.96.5432.9361.6290.3254.7219.0183.4147.776.45.18.5417.8351.2284.6251.3218.0184.7151.484.818.310.5402.3340.4278.5247.6216.7185.7154.892.931.012.5385.9328. 9271.9243.4214.9186.4157.9100.943.914.5367.9316.1264.4238.5212.6186.7159.4109.057.316.534

11、7.1311.3255.5232.5209.6186.7163.811&072 l注：表1中0mp&對應(yīng)兩行差壓值，其中上一行為4c工況。此外均為飽和工況。 從表1中可以看到，各水位所對應(yīng)的rh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)牛著不同的變化。這里首先注意o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±5mm水柱以內(nèi)。也就是說當(dāng)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(bǔ)償系統(tǒng)的情況下，對0水位測量影響都極小或

12、 者基本沒有影響。關(guān)于其它水位，則當(dāng)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(bǔ)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(dāng)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 汽包水位測暈的影響越小。毫無疑問，容器特性itl于容器的自身結(jié)構(gòu)決定的，故又稱為固有 補(bǔ)償特性。表1中，ompa對應(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)計制造吋采取了特殊的結(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。但是盡管如此，它并不能完全滿足生

13、 產(chǎn)的需要，仍然需要繼續(xù)補(bǔ)償。四補(bǔ)償系統(tǒng)從容器的特性屮可以看到，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(jìn)一步消除密度變化対汽包水位測量 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(bǔ)償。通過補(bǔ)償以準(zhǔn)確地測定汽 包中的水位。汽包水位測量補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍǔＳ袃煞N，-種是壓力補(bǔ)償，另一種是溫度補(bǔ)償，無論采取哪種 方法補(bǔ)償效果都一樣。但是它們z間略有區(qū)別，即溫度補(bǔ)償可以從o°c開始，而壓力補(bǔ)償只 能從ioo°c開始。這是因為溫度可以一一對應(yīng)飽和密度以& 100°c以下時的非飽和密度，而 壓力卻

14、只能對應(yīng)飽和密度，即最低壓力ompa只能對應(yīng)100°c時的飽和密度。故而由這兩種方法構(gòu)成的補(bǔ)償系統(tǒng)各自對應(yīng)的補(bǔ)償起始點有所不同，即差壓變送器量程有所不同。表 1中ompa對應(yīng)兩行差壓值，其原因即在丁此；其中上一行對應(yīng)的是溫度補(bǔ)償，下一行對應(yīng) 壓力補(bǔ)償。很顯然，溫度補(bǔ)償也可以從100°c開始。建立補(bǔ)償系統(tǒng)的步驟為：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，我通過査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(jìn)行比較和計算即可獲得。文屮例舉的容器0水位位置位于 連通器水平管軸線以上365mm處，即基準(zhǔn)杯口水所在的平面下方215m

15、m處。但是，偶爾 山于圖紙的疏漏缺少與確定0水位和關(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(bǔ)償特性在0水位所體 現(xiàn)的特點通過反復(fù)驗算來獲得。由于容器木身就是川這樣的方法經(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(zhǔn)確可靠，當(dāng)然這只限于圖紙不詳?shù)那闆r下。 第二步確定差壓變送器的量程差壓變送髀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(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償起始點 等三方而因索決定的。一些用八一般只考慮了前兩方而因索，而忽略了補(bǔ)償起始點因索，甚 至極個別的用八只簡單地根據(jù)汽包水位的測量范圍確定變送器的量程，造

16、成很人的測量謀 差。一般情況下，忽略容器的0水位位置所造成的誤差在7090mmz間，忽略補(bǔ)償起始點 所產(chǎn)生的謀差在30mm以下，特別情況下誤差都將會更大。此外，這里特別提醒川戶，在 進(jìn)行汽包水位測量工作吋，關(guān)于變送器的量程，在沒有得到確認(rèn)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(jìn)行此類設(shè)計，對變送器選型吋，只確 定基本量程，而不給出應(yīng)用量程。下血我們來確定一下變送器的量程。本文的例子中容器的0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm處。市于該容器的量程 為±300mm,因此（1）式中的hw的最人值和最小值分別為665mm和65mino如果采用壓 力補(bǔ)

17、償，從飽和水與飽和水蒸汽密度表屮查出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apmin=70.5mm 水柱和最大差壓apmax=504mm 水柱這兩個差壓值就是變送器的量程范圍（見表1屮ompa對應(yīng)的下行），即一70.5504mm水 柱。如果采川溫度補(bǔ)償，h從0°c開始補(bǔ)償，則由于水的密度極其接近lmg/mm3,謀差可 以忽略，令蒸汽的密度為0o用同樣方法即可得到變送器的量程為一85515mm水柱（見 表1中ompa對應(yīng)的上行）。實際上，從0°c開始補(bǔ)償是完全沒有必要的，其原因這里無需 遨述。第三

18、步確定數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是補(bǔ)償系統(tǒng)中的最車要環(huán)節(jié)。由（1）式得（2）由丁相對丁規(guī)定的0水位的汽包水位h= hw-365mm,所以（3）式屮h 相對于規(guī)定的0水位的汽包水位yw飽和水的密度ys飽和水蒸氣的密度yc環(huán)境溫度下水的密度ap差壓（3）式即為補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。式中yc為常數(shù)，令環(huán)境溫度為30°c,則 yc =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(bǔ)償系統(tǒng)中可以任選其o第四步確定函數(shù)、完成系統(tǒng)在（3）式和（4）式中含都有“320yw580ys”和“ywys，咲于飽和水與飽和水蒸汽密度的兩 個子式。查飽和水飽和水蒸汽密度表

19、，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(bǔ)償系統(tǒng)即 告完成。從補(bǔ)償系統(tǒng)的建立過程可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)吋應(yīng)根據(jù)不同的容器，建立不同的補(bǔ)償系統(tǒng)。建立補(bǔ)償系統(tǒng)吋，當(dāng)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(bǔ)償系統(tǒng)。五.關(guān)于容器保溫問題的釋疑眾所周知，為了使容器達(dá)到理想工作狀態(tài)，容器的外部必須作以適當(dāng)?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(rèn)為這里的保溫可有可無。我在這里 闡述一下個人的觀點。我通過觀察發(fā)現(xiàn)，在這里沒有

20、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要比環(huán)境高3oo°c 左右，甚至更高，因此它的熱輻射能力很強(qiáng)。當(dāng)凝汽室外部沒有保溫或者保溫條件比較差吋, 盡管凝結(jié)水的速度會加快并導(dǎo)致更多的飽和水蒸汽流到這里補(bǔ)充這里的熱量，但是由于這里 的介質(zhì)處于口然對流狀態(tài)且受到管路等的阻力的制約，使補(bǔ)充的熱量難以維持這里的溫度, 進(jìn)而影響了測量的準(zhǔn)確性。對于額定工作壓力為13.73mpa的鍋爐而言，如果冬季市儀表顯 示的汽包水位比真實水位低10mm,將意味著容器內(nèi)部的溫度比飽和溫度低7°c左右。所以, 為確保其包水位測量的準(zhǔn)確性，這

21、甲必須加以適當(dāng)?shù)谋亍９P者以為，這里的保溫以保溫層 的外層溫度不超過120°c為佳。單室和雙室平衡容器測量原理及應(yīng)用分析摘要本文論述了淌澤電廠125mw機(jī)組運行中發(fā)現(xiàn)的汽包水位測量問題，包括平衡容 器更換、汽包水位密度補(bǔ)償公式等，進(jìn)行了詳細(xì)計算和原因分析，經(jīng)過完善壓力補(bǔ)償組態(tài)后, 汽包水位的差別減小，改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)，為汽包水位保護(hù)的正確動作奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞汽包水位，測量，補(bǔ)償1概述荷澤電廠125mw機(jī)組汽包水位a、b側(cè)crt顯示一直存在較大差別，兩側(cè)的水位有時 相差50100mm,既影響汽包水位保護(hù)的正常投入，也使汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn) 確性和快速性降低，時刻威脅著機(jī)組

22、的安全經(jīng)濟(jì)運行。經(jīng)過多次實地測量和組態(tài)檢查，發(fā)現(xiàn)問題如21.1保溫不合理。雙室平衡容器和汽包之間取樣管（汽側(cè)）和由汽包引出的水側(cè)取樣管都迓 行了保溫，影響測量結(jié)果。1.2平衡容器與汽包連接的取樣管不符合“應(yīng)至少1： 100的斜度，汽側(cè)取樣管應(yīng)向上向汽 包方向傾斜，水側(cè)取樣管應(yīng)向下向汽包方向傾斜”的要求。1.3采用將汽水収樣管引到平衡容器，再在平衡容器中段引出差壓水位計的汽水側(cè)取樣的方 法不符合規(guī)定要求。1.4不符合“所有水位表都必需具有獨立的取樣孔，不得在同一取樣孔上串、并聯(lián)多個水位測 量裝置，以免互相影響，降低水位測量的可靠性”的要求。2玫室平衙2. 1雙室平衡容器測量原理p原雙室平衡容器

23、p=p+- p- i p 斟l- 1 - f) p h p wg+(l- h) p /h= i p 、g+(l i -f) p.g- lp；g- ap/(p w- p ,)g 將i =238mmj l=670mm» f=20mm代入上式整理得： h=0.412g(p.- p j - ap/(pt- p j寸0.238設(shè) fi(x)= (p a- p 鹿,f?(x)= (p p jg則 h=0.412 fxgt) - ap/ f：(x)+0.2382. 2水位測量壓力補(bǔ)償方案ap3el 2水位信號補(bǔ)償方框£2. 3雙室平衡容器補(bǔ)償組態(tài)fbm !cp4oft:cp4oo2ife

24、imencl nest slotid 020124typelev-drum lalm-9t5measrealmhhaindllaind->1lev-drumao-ci2cimeaslaoutldifflev-drumlt-9t5iain pntlt-9t516 .ibaeuqlev-drumpdr-fx1 bieas|char(麗亍lev-drumpdr-fx21->meas|charc|out3單室平3.1單室平衡容器測星原理lev-drum ldr-calri01fj04ej02ri03eu05calcaroolroolro02ro04f：o03ro0203雙室平衡容器壓力補(bǔ)償

25、圖enc nes*slo* id ctyf刁e4單室平衡容器測量原理81由可知，汽包0水位距離幾何中心線150mmop =lp4p. =( l-a+h) p v+ (a-h) pfap=p 一 p二lpa- ( l-a+h) p .*+ (a-h) p j =l( p*-p w) +( a-h) ( p w- p r ) 式中：心：測量差壓'單位：mm h：0 p廣p .小pa：汽水密度單位：m； jh、as l 單位：mj對長度as l和實際水位h取單位mm ,則由上式得h二a+ l( pa-p v) ltt-ap 10；/( p w- p j則 h二a+ l fi(x)-af f：

26、(x)其中：£i(x)=( p a- p w) ict3苴中：£x6c)=( pp 丿 ut f：(x)= 107( pp j3.2組態(tài)方案si 5汽包水位壓力補(bǔ)償方案圖根據(jù)測量結(jié)果，姑670mm ,壓力補(bǔ)償函數(shù)如表1 表1pdr-f2(x)fdr-£1 (x)x-i0xt0y-l1.044043y-l0.024782x-21.9x-21.9y-21.190675y-20.134152x-33.9x-33.9y-31.284427y-30.186272x-45.9x-45.9y-41.374581y-40.227482x-57.9x-57.9y-51.470738

27、y-50.264241x-69.9x-69.9y-61.579800y-60.299039x-711.9x-711.9y-71.709544y-70.333373x-813.9x-813.9y-81.873037y-80.368331x-915.9x-915.9y-92.095302y-90.405406x-io17.9x-io17.9y-102.438198y-100.447373x-ll19.9x-ll19.9y-ll3.117565y-ll4 £*補(bǔ)償控®as進(jìn)行汽包水位量程的校驗，汽包水位顯示邏輯的修改，飽和水和飽和汽的密度暫時按環(huán)境溫度60龍進(jìn)行補(bǔ)償'待機(jī)

28、組運行后再 測量冷凝耀周圍的環(huán)境溫度，進(jìn)一步修正口ldr_cal: cailastep01 cststep02 mul ri04 m09step03 stm m16step04 in ml6step05 add ri01step06 stm mitstep07 ih m17step08 mul ri05step09 stm m18step10 in m18steph add m15定義：step12 out r001 ； drum level 1step13 in m16step14 add ri02step15 mul ri05step16 add m15step17 out r002； drum level 2step18 ih m16step19 add ri03step20 mul riosstep21 add m15step22 out r003 ； drum level 3ri01=lt9t5 j ri02=lt9t6 r