汽包水位雙室平衡容器

1、汽包水位雙室平衡容器作者:日期:汽包水位雙室平衡容器200 8 -03-31 09: 2 0 分類：默認分類字號：大 中 小踐為基礎，剖析了雙室平衡容器的工作原理與特性。重點論述了補償系統(tǒng)的建立方法 與步驟，同時指出了應用中的常見錯誤并提出了解決方案。關鍵詞：水位測量 汽包水位雙室平衡容器補償摘要本文以實踐為基礎，剖析了雙室平衡容器的工作原理與特性。重點論述了補償系統(tǒng)的 建立方法與步驟，同時指出了應用中的常見錯誤并提出了解決方案。前言汽包水位是鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，雙室平衡容器在其中充當著不可 或缺的重要角色。但是由于一些用戶對于雙室平衡容器及其測量補等方面缺少全面的必要 的了解

2、或者疏漏，致使應用中時有錯誤發(fā)生，甚至形成安全隱患。例如勝利油田勝利發(fā)電廠 一期工程，該工程投入運行早期其汽包水位測量系統(tǒng)的誤差竟達709 0 mm，特殊情況下誤 差將會更大（曾因此造成汽包滿水停機事故）。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。汽包水位是涉及機組安全與和運行的重要參數(shù)和指 標，因此不允許任何人為的誤差。為使用戶能夠更好地掌握雙室平衡容器在汽包水位測量中 的應用，謹撰此文。不足之處,請不吝指正。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

3、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 儀表一一差壓變送器（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

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。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。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

5、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。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yw=Y、w,ys=Y、s。故而不難得到容器所輸出的 差壓。本文以東方鍋爐廠DG670-13. 7 3-8A型鍋爐所采用的測量范圍為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

6、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 = PJ 3 2 0 Y w ( 5 8 0 -320) Y c式中P 容器正壓側(cè)輸出的壓力w 容器中的介質(zhì)密度(Y w= Y、w)c 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)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-= PJ ( 5 8 0 -hw) y s hwYw式中P 容器負壓側(cè)輸出的壓

7、力hw 汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度s 汽包中飽和水蒸汽的密度因此差壓AP=P -P-=32 0 Yw 26 0 y c(5 80-hw) Y s-hwyw艮口 AP=26 0 y c 320 Yw-580 Y s-(Ywy s)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2 5C升高到50C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)過補償 系統(tǒng)補償后對最終得到的汽包水位的影響將為2.35. 5 mm之間。通常情況下這樣的誤差

8、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?熱等因素確定。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3 5P。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2 5C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2 5C升高到5 0C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。雙室平衡容器的

9、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、5 0、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13.7 3MPa,因此 1

10、4.5MPa以下它的波動范圍更小，僅在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，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

11、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。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

12、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0 MPa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10 0C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汽包（學名 鍋筒）及附件方面的圖紙

13、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3 65mm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?況下。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 者可以試一試。第二步確定差壓變送器的量程差壓變

14、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。一般情況下，忽略容器的0水位位置所造成的誤差在7 090mm之間，忽略補償起 始點所產(chǎn)生的誤差在3 0mm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

15、。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66 5 mm和6 5mm。如果采用 壓力補償，從飽和水與飽和水蒸汽密度表中查出100C時的飽和水與飽和水蒸汽的密 度代入（1）式，再分別將66 5 mm和65mm代入（1）式，即得最小差壓APmin =-70.5mm 水柱和最大差壓APma x =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），即一7 0.55 0 4mm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/mm

16、 3,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-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）式得由于相對于規(guī)定的。水位的汽包水位h= hw-365mm，所以(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s 飽和水蒸氣的密度c 環(huán)境溫度下水的密度AP差壓(3)式即為補償系統(tǒng)的數(shù)學模型。式中Y c為常數(shù)，令環(huán)境溫度為3 0C,則Yc=0.9956mg/mm3，所以(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

17、可以任 選其一。第四步確定函數(shù)、完成系統(tǒng)在(3)式和(4)式中含都有“ 3 20 y w-580 Y s”和“Y wy s”關于飽和水 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 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 比環(huán)境高