第5章水位測量

第5章水位測量學習要求

掌握液體液面測量的基本原理、幾種液面計的形式及構(gòu)成，常溫及高溫液面測量的的原理、基本結(jié)構(gòu)；測量產(chǎn)生誤差的原因及如何消除。5.1水位測量的意義液面：在恒定容積容器中，液體與其上層蒸汽或其它氣體的分界面。液位：容器中液體介質(zhì)的高低。水位：容器中液體介質(zhì)為水時的對應(yīng)概念。電廠中水位測量的意義：汽包水位加熱器水位凝汽器水位

按工作原理可分為靜壓式水位計、就地式水位計、差壓式水位計、浮力式水位計、電容式水位計，電接點水位計，吹氣式水位計，光電式水位計、壓阻式水位計

按安裝位置可分為就地水位計，遠傳水位計（對汽包水位計也可稱低置水位計）

按顯示方式可分為模擬式水位計和數(shù)字式水位計

水位測量儀器分類：火力發(fā)電廠常用水位計（1）靜壓式水位計。利用液柱高度與液體靜壓的比例關(guān)系顯示水位。（2）就地式水位計。利用連通管原理顯示水位，如玻璃管式、玻璃（云母）板式水位計和雙色玻璃水位計等。（3）差壓式水位計。利用液體靜力學原理將水位轉(zhuǎn)換成差壓，再通過測量差壓來顯示水位。儀表由平衡容器、差壓計和二次儀表等組成。如雙波紋管差壓計、膜片式差壓計，力平衡式電動變送器和電容式差壓變送器等。（4）電接點水位計。利用鍋爐飽和蒸汽及其凝結(jié)水的電導率有較大差異的原理測量水位。分為數(shù)字式和模擬式兩類。（5）浮力式水位計。利用漂浮于液面上或沉沒入液體中的浮子，其位置隨液位變化而變化的原理測量水位。分為浮子帶鋼絲繩或鋼帶的、浮球帶杠桿的和沉筒式等。（6）電容式水位計。（7）光電式水位計。靜壓式水位計（1）敞口容器測量注意：壓力計的測量基準點應(yīng)與最低液面一致，否則必須對這段液位差進行補償。（2）閉口容器測量工作原理：不可壓縮液體的液柱高度與液體的靜壓成比例測量容器內(nèi)液面底部與液面上部的壓差Δp：注意：為消除容器內(nèi)密封氣體壓力的影響，可在容器上部設(shè)置取壓導管。5.2

連通式就地水位計又稱直讀式液面計，適用于低粘度液體測量。玻璃管液位計：適用于無壓或極低壓力容器玻璃板液位計：適用于中低壓鍋爐汽包水位測量云母片液位計：適用于中高壓鍋爐汽包水位測量雙色水位計：適用于中高壓鍋爐汽包水位測量電接點液位計：適用于各種壓力鍋爐汽包水位測 量，也可用于凝汽器和工業(yè)水箱5.2.1玻璃管式水位計玻璃管式玻璃板式適用于無壓或極低壓液位測量5.2.2云母水位計將玻璃板換為云母片，即為云母水位計。適用于中高壓水位測量。水位計處于汽包外發(fā)生散熱；水位計內(nèi)水溫低于汽包壓力下水的飽和溫度；上部飽和蒸汽不斷凝結(jié)，水溫接近飽和溫度；水溫沿高度逐步降低；水的密度隨溫度變化而變化；設(shè)水位計內(nèi)水的平均溫度為ta，則其平均密度為ρa，汽包內(nèi)飽和水密度為ρw；由于密度ρa≠ρw；造成水位計顯示水位H’≠汽包實際重量水位H。根據(jù)電廠的實際運行經(jīng)驗，額定工況下?。篐—汽包內(nèi)實際水位；H’—水位計顯示水位；L—汽水連通管高度；ρs—汽包壓力下飽和蒸汽密度；ρw—汽包壓力下飽和水密度；ρa—水位計內(nèi)水柱平均密度；（2）汽包工作壓力一定時，與汽包內(nèi)水位H有關(guān)。汽包實際水位H越大，則指示誤差ΔH也越大。

鍋爐高水位運行時，ΔH高達100~150mm。（1）汽包內(nèi)水位H一定時，與汽包工作壓力有關(guān)。壓力越高，對應(yīng)的飽和水的密度ρw越小，飽和蒸汽的密度ρs越大，水位誤差ΔH越大。誤差分析（3）與云母水位計環(huán)境溫度有關(guān)。環(huán)境溫度越低，水位計散熱越多，水位計中水的密度ρa越大，測量誤差ΔH也就越大。保護措施（1）縮短云母水位計的汽水連通管高度L；

（2）對云母水位計的汽水連通管加保溫；（3）將云母水位計中心線的安裝位置偏低于汽包中心線約值，盡量接近實際水位。5.2.3雙色水位計1．雙色水位計利用光學系統(tǒng)改進顯示方式，使得汽柱顯紅色，水柱顯綠色。光源8發(fā)光；經(jīng)過紅色和綠色濾光玻璃10和11，形成紅綠雙色光；雙色光經(jīng)組合透鏡12射入水位計本體3中的測量室5；測量室5截面為梯形，其內(nèi)的水或蒸汽分別形成水棱鏡或汽棱鏡；水棱鏡和汽棱鏡對紅光和綠光的折射效果不同：

紅光在汽棱鏡中折射到達觀察窗口17，汽柱顯紅色；

綠光在水棱鏡中折射到達觀察窗口17，水柱顯綠色。

加熱室4通入蒸汽加熱保溫2．無盲區(qū)低偏差雙色水位計在雙色水位計基礎(chǔ)上改進而來。雙排交錯顯示消除顯示盲區(qū)；凝汽罐19內(nèi)凝結(jié)的飽和水，置換雙色水位計11內(nèi)的水，加速水循環(huán)；凝結(jié)飽和水含鹽低，減少云母片結(jié)垢；飽和蒸汽進入伴熱管15，對表體4進行加熱保溫；伴熱管15的排水管17接至汽包下15m處，保證伴熱管15內(nèi)始終充滿飽和蒸汽。3．工業(yè)電視監(jiān)視汽包水位通過工業(yè)電視實現(xiàn)遠距離觀察水位計水位指示。5.3差壓式水位計主要由水位－差壓轉(zhuǎn)換容器（又稱平衡容器）、壓力信號導管及差壓計三部分組成。由平衡容器把水位信號轉(zhuǎn)換成差壓信號，經(jīng)差壓信號導管傳送至差壓計，通過差壓計顯示水位的高低。

工作原理：流體靜力學原理。平衡容器分為：單室平衡容器和雙室平衡容器；壓力等級分為：中壓、高壓、超高壓、亞臨界和超臨界等。平衡容器：能造成一個恒定的水靜壓力，并將之與被測水位的靜壓力比較，輸出二者之差。（一）簡單的平衡容器平衡容器恒定水靜壓：汽包水位水靜壓：蒸汽凝結(jié)水溢流形成恒定水靜壓力使用中，通常設(shè)汽包正常水位H0為零刻度。對于帶加熱套的平衡容器產(chǎn)生誤差的原因：1、由于平衡容器內(nèi)溫度變化造成的密度誤差；2、由于汽包壓力變化造成的密度差(ρ’-ρ”)變化誤差。如何消除或減小誤差:1、改進平衡容器，力圖得到僅與水位有關(guān)的差壓值；2、對平衡容器輸出的有誤差的信號引入壓力校正。（二）平衡容器的改進對于帶加熱套的平衡容器：額定壓力pN時的壓差ΔpN和任意壓力p時的壓差Δp：誤差：密度變化引起的平衡容器輸出誤差曲線圖結(jié)論：正壓室靜壓力變化大于負壓室靜壓力變化。改進的平衡容器之一：正壓室分兩段，l段為補償段。如果只考慮正常水位，令ΔH=0若壓力在p~pN范圍內(nèi)能使誤差得到補償，即：則補償段長度：補償器假定一：水位處于上限時，平衡容器的輸出差壓等于零；假定二：水位處于下限時，平衡容器的輸出差壓等于差壓計的上限。設(shè)：p=pN，ΔH=-H0，輸出差壓為Δpmax，則：上面兩式聯(lián)立，求出L和l，二者一一對應(yīng)的關(guān)系在正常水位（零水位）附近有較好的補償效果不能消除平衡容器內(nèi)冷凝水密度ρ1隨溫度變化帶來的誤差改進的平衡容器之二在加熱套中多加了個補償器補償器補償器補償器將兩式相除，得：測量壓差Δp和補償壓差Δp’分別為：以Y為輸出，Y僅與水位有關(guān)，補償了密度變化的影響。（三）汽包水位信號的壓力校正在差壓信號輸出回路中，利用壓力校正電路，對差壓信號進行校正。對密度可按精度要求，采用多段直線擬合。式中的系數(shù)ai，Ki，aj，Kj，可依據(jù)水和水蒸氣密度表，按需要的精度來擬合。有加熱套無加熱套5.4電接點水位計臨界參數(shù)以下，爐水電阻率小于蒸汽電阻率。測量筒長度由水位測量范圍決定；直徑由電接點數(shù)目決定；電接點數(shù)目15，17，19;與筒殼良好絕緣；絕緣材料：超純?nèi)趸X(高壓、超高壓)，聚四氟乙烯(中、低壓)；電接點位于爐水中，處于導通狀態(tài)；電接點位于蒸汽中，處于開路狀態(tài)；（1）散熱引起的誤差（連通式共有）。由于熱損失，水位容器內(nèi)的溫度低于飽和溫度，故容器內(nèi)的水位較汽包實際水位低。為了減小此項偏差，應(yīng)對水位容器加以保溫。（2）不連續(xù)指示引起的誤差（盲區(qū)）。由于電接點之間有一定的間距，當水位處于兩電極之間時，儀表沒有顯示變化而造成指示誤差，此誤差等于兩電極之間距。

不宜作調(diào)節(jié)信號。電接點水位傳感器的主要誤差來源主要有以下兩個方面：b雙色水位顯示a氖燈顯示模擬式水位顯示和數(shù)字式水位顯示兩類。1、模擬式水位顯示電接點位于水側(cè)，電觸點接通：R1產(chǎn)生電壓降，VD1整流，C1和R2濾波；R3產(chǎn)生較大正偏壓，導致V1導通；V2偏流增大，隨即導通，綠燈亮；V3偏壓小于閥電壓而截止，紅燈滅。電接點位于汽側(cè)，電觸點斷開：R1無電壓降R3無正偏壓，導致V1斷開；V2無偏流，隨即斷開，綠燈滅；R6產(chǎn)生正偏壓，導致V3導通，紅燈亮。2、數(shù)字電接點顯示儀表DYS—19數(shù)字式水位計原理方框圖水面下最近電接點輸出“1”，水面上最近電接點輸出“0”；全部電接點中，僅水面上下相鄰兩電接點的輸出組合具有（1，0）特性；將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量度。①顯示三位數(shù)字和＋、－號（顯示器件為輝光數(shù)字管）；②報警50mm水位報警顯示并有接點信號輸出；③保護200mm水位保護接點信號輸出；④輸出模擬信號：0~10mA（對應(yīng)-300~+300mm）。

3.汽包水位內(nèi)置式電極傳感器圖

汽包水位內(nèi)置式電極測量裝置示意圖1—固定支架；2—電極傳感器；3—傳感器的延長電纜；4—水側(cè)取樣管；5—汽側(cè)取樣管；6—顯示儀表；7—電纜；8—引出箱；9—固定座；10—密封墊（環(huán)）11—壓蓋秦皇島華電測控設(shè)備有限公司研發(fā)（專利號ZL200420073417.2）5.5其它水位計磁翻板水位計屬于浮力式水位計。薄導磁金屬片制成翻版片，兩面涂上不同顏色，如紅、綠色；翻版片排列組成翻版列，安裝在浮子旁；浮子上裝有磁鋼；浮子位置隨液位變化而變化；磁性浮子升降時，帶動翻版片繞軸翻轉(zhuǎn)；浮子以上翻版片是同一面顏色；浮子以下翻版片是另一面顏色；特點：顯示與介質(zhì)分開。利用通電金屬絲與液、氣之間傳熱系數(shù)差異，及其電阻值隨溫度變化的特點進行液位測量。液體傳熱系數(shù)比其蒸氣傳熱系數(shù)大1~2個數(shù)量級。通過恒定電流的熱絲，其在液體和蒸氣環(huán)境中受冷卻效果不同，浸沒于液體時的溫度比暴露于蒸氣的溫度低。液面的變動，引起熱絲電阻的變化，通過測量電阻值來判斷液面的位置。一、熱電阻液位計5.6低溫液體液面的測量測量過程中應(yīng)盡量減少傳向低溫液體的熱量。工作原理：在低溫容器多個不同位置處(如底部、中部和下部等)，分別安裝液面?zhèn)鞲衅?，通過測量電阻值大小，大概判斷出液面的位置。（1）定點式液面計電阻（碳）47Ω，22Ω加熱絲（錳銅絲）0.05mm,200Ω工作電流:40mA

處于低溫液面下的電阻，液體導熱性好，電阻溫度低，電阻值大；處于低溫液面上的電阻，蒸氣導熱性差，電阻溫度高，電阻值小。特點：結(jié)構(gòu)簡單，測量電路要求不高，適用范圍廣，靈敏度較高。廣泛用于各種低溫液體液面的測量。（2）連續(xù)式液面計顯示液面高度工作原理：在低溫容器中插入液面?zhèn)鞲衅?，傳感器位于液面上、下兩部分長度，隨液面的變動而改變，故傳感器的平均電阻隨液面的變化而變化，通過測量傳感器的平均電阻值來測量出液面的位置。調(diào)整加熱絲(錳銅絲)工作電流傳感器鉑電阻二、超導式低溫液面計工作原理：某些金屬或合金在低溫下具有超導性能，浸入液體時呈現(xiàn)超導態(tài)，電阻為零；未浸入液體時呈現(xiàn)正常狀態(tài)，電阻為某一值。（1）定點式液面計探頭電阻：鈮鈦線繞制，直徑<0.1mm，長度<300mm，正常態(tài)阻值>40Ω加熱絲：康銅絲繞制，直徑0.08mm，長度50mm探頭浸沒在液體中，指示燈亮；探頭處于液面之上，指示燈變暗甚至熄滅。調(diào)整指示燈亮度（2）連續(xù)式液面計工作原理：液面高度變化，導致總電阻變化，進而導致電路兩端電壓變化(電流不變時)。超導式低溫液面計標定：在帶有觀察縫的玻璃杜瓦中，直接觀察液面的高度，來標定電壓表的刻度(連續(xù)式)，或指示燈顯示正常與否(定點式)。標定結(jié)果：

定點式準確度達到：±1mm連續(xù)式準確度達到：±5mm