單室平衡容器原理

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

2、必配的基本設備，大容量機組均采用工業(yè)電視遠傳到集控室監(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，連通管中各個支管的液位均處于同一高度。就地水位計如圖1所示。式中：h汽包正常水位距水側取樣的距離，mmh水位計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水位計中水的平均密度，kg/m3Ps'水位計中蒸汽的密度，kg/m3對就地水位計來說，汽包內(nèi)的水溫是對應壓力下的飽和溫度，飽和蒸汽通過汽側取樣孔進入水位計，水位計的環(huán)境溫度遠低于蒸汽溫度，使蒸汽不斷凝

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

4、差值也會改變。為了給電廠提供參考，有的鍋爐廠給出了就地水位計和汽包正常水位差值的參考數(shù)據(jù)見表1。從表1所列數(shù)據(jù)，對于亞臨界鍋爐來說，在額定汽壓下，就地水位計的水位比汽包內(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下時汽包水位偏離正常水位的情況進行分析，根據(jù)式(1)，取汽包水位為零時h=400mm，計算水位變化±1OOmm時水位計顯示情況。Pw、Ps為定值，假設Pa也為定值，取平均溫度為300時的值。h'=hh，為就地水位計中的水柱高度，計算結果如表2所示。從表中計算結果來看，汽包水位變化±100mm時，就地水位計的顯示值只變化&

5、#177;68mm，還是假定水位計中水的溫度不變，即Pa是定值的情況下計算的。實際上，當汽包內(nèi)水位變化時，水位計中水的平均溫度和密度均會隨著變化的，汽包水位升高時，由于水的散熱面增加，平均溫度會下降，密度增大，水位計的指示也比表中計算的要低；而當汽包水位降低時，水的散熱面減小，其平均溫度升高，密度減小，水位計的指示應比表中計算的要高。當汽包水位變化±100mm時，就地水位計的變化還達不到±68mm，只是±50mm左右，并且就地水位計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，誤差的變化還相當顯著。所以依靠就地水位計來監(jiān)視汽包水

6、位是不安全、不準確的。必須改變運行中認為就地水位計的指示是準確的，并要求其它水位計的指示要與其一致。就地水位計可作為額定壓力下核對其它水位計正常水位值(零位)的參考。二、電接點水位計電接點水位計的工作原理與就地水位計的完全相同，屬于連通管式，利用與受壓容器相連通的測量筒上的電接點浸沒在水中與裸露在蒸汽中的導電率的差異，通過顯示儀表顯示水位。一般只配有一套，安裝在汽包的一端，通過信號線傳到集控室監(jiān)視，也有的將接點信號引入停爐保護系統(tǒng)。電接點水位計的工作原理與就地水位計相同，所以就地水位計存在的問題，它同樣存在，即電接點水位計顯示的水位與汽包實際水位存在偏差，且不是固定的，汽包水位波動時其顯示不能

7、與之對應。電接點水位計與就地水位計因結構、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；電接點水位計還存在電接點因掛水而誤發(fā)信號的問題。所以在亞臨界的鍋爐上采用電接點水位計測量水位是不安全的、不準確的，作為保護用信號是更不可取的。三、差壓式水位計差壓式水位計的工作原理是在汽包水位取樣管上安裝平衡容器，利用液體靜力學原理使水位轉換成差壓，用引壓管將差壓信號送至差壓計，由差壓計顯示汽包不位。經(jīng)過發(fā)展現(xiàn)在采用智能式差壓變送器來測量汽包水位，特別計算機控制技術的引入，從技術性能、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作為汽包水位測量的主要手段，并作為汽包水

8、位控制、保護信號用。平衡容器又叫凝結球，根據(jù)測量準確性的要求不同，有以下幾種平衡容器：單室平衡容器、雙室平衡容器、帶蒸汽罩補償式平衡容器。隨著計算機控制技術的引入，智能變送器的采用，其運算環(huán)節(jié)得出的結果遠比通過補償修正的結果準確，所以亞臨界鍋爐均采用了結構簡單的平衡容器測量水位。下面就介紹單室平衡容器測量水位的方式。單室平衡容器測量水位的原理如圖2所示：從汽包汽側取樣孔引一管至平衡容器，進入平衡容器的飽和蒸汽不斷凝結成水，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，影響平衡容器內(nèi)水位變化，而影響汽包水位測量的準確性，容器的面積應足夠大。由圖2可得差壓變送器差壓和汽包水位之間的關系如下式所示：式中：H汽水側取樣孔距離，mmL汽側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汽包水位對應的差壓值，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。飽和蒸汽進入平衡容器不斷凝結為水，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量參比水柱溫度的方法進行修正。    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，零水位在汽包機械中心線以下50mm，水側取樣孔距零水位以下400mm，汽側距零水位以上360mm，H=400+360760mm，取參比水柱水的平均溫度為60，

11、計算得出表3所示結果。表3的結果顯示：在大氣壓下，汽包水位到汽側取樣孔時，壓差最小，等于零；降至水側取樣孔時，壓差最大，等于760mmH2O。因此，測量汽包水位的變送器量程為7600mmH2O，即是汽水側取樣孔之間的距離。隨著汽壓的升高，同樣的汽包水位變化量所對應的壓差變化量減小。汽包水位變化土250mm，大氣壓下壓差變化500mmH2O，壓力升到9Mpa時壓差變化為329mmH2O，升高到18Mpa時，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較小。因此，壓力的變化會給水位的測量帶來相當大的誤差，但該誤差只是因為壓力的變化而產(chǎn)生的，所以，在差壓式水位計

12、的測量回路中加入壓力修正，可以將壓力引起的測量誤差消除。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)，通過計算機控制系統(tǒng)能很方便的實現(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，按平均溫度來計算，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，也會產(chǎn)生誤差。當參比注柱平均密度變化pa時，汽包水位測量誤差將為： 參比水柱平均溫度變化時，相對于20

13、時產(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對汽包水位測量誤差的影響，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及以下影響相對小些；因此，參比水柱平均溫度應盡量小，并且分布應均勻。參比水柱高度變化時，設高度誤差為H汽包水位測量產(chǎn)生的誤差為：四、影響汽包水位測量的原因根據(jù)對幾種水位測量方式的分析，影響水位測量的原因主要有以下幾個方面：4.1  汽包水位計安裝條件、位置、環(huán)境的影響，水位計定位偏差一般在1050mm，各水位計所處的環(huán)境存在著差別，影響散熱；4.2  汽包安裝條件的影響，汽包安裝時的水平度要求應5mm，但在鍋爐運行幾年后，均會發(fā)生變

14、化，達到1520mm，水位計安裝時是依據(jù)汽包中心線為標準，致使水位計安裝時產(chǎn)生誤差；4.3  從給水、水冷壁進入汽包內(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，且水溫低于相應壓力下的飽和溫度；水冷壁進入的水含大量的汽泡，并不斷蒸發(fā)，其密度將小于相應溫度、壓力下水的密度；4.4  下降管的影響，鍋爐運行中，汽包內(nèi)的水不斷地高速進入下降管，使得汽包內(nèi)的水位不是一個理想的水平面，會隨著下降管的布置位置產(chǎn)生高低不同的差別，差別可達4060mm；4.5  測量儀表本身固有的誤差，雖然儀表的精度已很高，但仍存在著測量、安裝誤差。五、減小汽包水位測量誤差的方法和措施5.1  合理的取樣位置，應高于水位保護定值的高度，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