雙室平衡容器的工作原理

1、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。3.2. 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)生的壓力導出容器，傳向差壓測量

2、儀表差壓變送器（后文簡稱變送器）的正壓側(cè)?；鶞时娜莘e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。3.4. 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

3、。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=Y 'w, Y s=Y 'so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型鍋爐所采用的測量范圍為土 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

4、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)密度應為環(huán)境溫度下的密度。因此P = P j 320 Y w (580 320) Y c式中P容器正壓側(cè)輸出的壓力容器中的介質(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)

5、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 = P j (580 hw) 丫 shw丫 w式中P- 容器負壓側(cè)輸出的壓力汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度汽包中飽和水蒸汽的密度 因此差壓 p=p p =320 Yw 260 Yc (580 hw) Ys hwY w即 P=260 Yc 320 Yw 580 Ys (Yw Ys)hw (1)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

6、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35C。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)的影響更小。就本例中的容器而言，當溫度從0C升高到25C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

7、升高到50C所帶來的影響卻為 2.35.5mm之間。故而，確定溫度應就高不就低。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用和掌握應用中的技巧。 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。從表1中可以看到，各水位所對應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水位所對應的差壓，它的變

8、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，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，

9、故又稱為固有補償特性。表1中，0MPa對應兩行差壓值，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?/p>

10、通常有兩種，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飽和密度以及100C以下時的非飽和密度，而壓力卻只能一一對應飽和密度，即最低壓力0MPa只能對應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OMPa對應兩行差壓值，其原因即在于此；其中上一行對應的是溫度補償，下一行對應壓力補償。很顯然，溫度補償也可以從100C開始。雙室平衡容器的工作原理 22009-11-20 19:395補償系統(tǒng)5.1.基礎知識

11、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100 C開始。這是因為溫度可以一一對應飽和密度以及100 C以下時的非飽和密度，而壓力卻只能一一對應飽和密度，即最低壓力0MPa只能對應100C時的飽和密度。故而由這兩種方

12、法構(gòu)成的補償系統(tǒng)各自對應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對應兩行差壓值，其原因即在于此；其中上一行對應的是溫度補償，下一行對應壓力補償。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

13、比較 復雜。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)的特點通過反復驗算來獲得。由于容器本身就是用這樣的方法經(jīng)反復驗算而設計制造的，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

14、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，切不可單純依賴設計部門的圖紙。事實上，多數(shù)情況下，設計部門在進行此類設計，對變送器選型時，只確定基 本量程，而不給出應用量程。下面來確定變送器的量程。本文的例子中容器的 0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm處。由于該容器的量程為±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

15、出100C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0MPa對應的下行），即70.5-504mm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器的量程為一85515mm水柱（見表1中0MPa對應的上行）。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)學模型數(shù)學模型是補償系統(tǒng)中的最重要環(huán)節(jié)。由（1）式得M0 yc-

16、AP-H320yw -580ys（2）由于相對于規(guī)定的 0水位的汽包水位 h= hw 365mm,所以h = 260作-AP + 320%-5甜人 _ %（3）式中h 相對于規(guī)定的0水位的汽包水位YW飽和水的密度飽和水蒸氣的密度環(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258.9 AP +320y -580yh =衛(wèi)365（4）（4）式為最終的數(shù)學模型。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。第四步確定函數(shù)、完成系統(tǒng)在（3）式和（4）式中含都有 “320Yw 580 Y”和 Y Y”

17、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)行運算任務硬件設備，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要