单室平衡容器原理

锅炉汽包水位测量误差分析

汽包水位是电厂的主要监控参数之一，正确测量汽包水位是锅炉安全运行的保证。传统的测量方式有：就地双色水位计、电接点水位计、差压式水位计(单室或双室平衡容器补偿式)。就地水位计、电接点水位计的测量误差受锅炉压力、散热情况、安装形式、实际水位的影响，很难准确计算。因此高参数、大容量机组多以各种补偿差压水位计作为汽包水位测量的主要仪表，但这种水位计测量误差也同样受到诸多因素的影响。本文通过分析汽包水位计的测量方式和水位测量误差的原因，并对特定工况下汽包水位的测量进行定量计算分析，提出减少水位测量误差的方法和措施。

一、就地水位计：

就地水位计是安装在锅炉本位上的直读式仪表，是锅炉厂必配的基本设备，大容量机组均采用工业电视远传到集控室监视，一般都配有两套，分别安装在汽包的两端。

就地水位计有玻璃、云母和牛眼之分，工作原理都是连通管原理，连通管原理是：在液体密度相同的条件下，连通管中各个支管的液位均处于同一高度。就地水位计如图1所示。

式中：

h——汽包正常水位距水侧取样的距离，mm

△h——水位计中的水位与汽包中水位的差值，mm

Ps——饱和蒸汽密度，kg/m3

Pw——饱和水密度，kg/m3

Pa——水位计中水的平均密度，kg/m3

Ps'——水位计中蒸汽的密度，kg/m3

对就地水位计来说，汽包内的水温是对应压力下的饱和温度，饱和蒸汽通过汽侧取样孔进入水位计，水位计的环境温度远低于蒸汽温度，使蒸汽不断凝结成水，并迫使水位计中多余的水通过水侧取样管流回汽包。

从水和蒸汽的特性表可看出：在常温常压下，汽包和水位计中的水密度是相等的，从式(1)可见，水位计中的水位与汽包内的水位也是相同的，且与h值无关；随着汽压的升高，汽包中的水密度变小，蒸汽密度变大；而就地水位计因散热的影响，水位计中的水密度也变小，但变化幅度不如汽包内水的大；蒸汽密度虽也有增大，但变化幅度没汽包内的大，即Ps是不应等于Ps'的，但其影响只要保温处理的好，可忽略不计，下面的计算均是按Ps=Ps，来进行的；致使水位计中水位和汽包内水位的差值也随之增大，这一差值始终是就地水位计中水位低于汽包水位的主要因素；并且当h值改变时，水位差值也会改变。

为了给电厂提供参考，有的锅炉厂给出了就地水位计和汽包正常水位差值的参考数据见表1。

从表1所列数据，对于亚临界锅炉来说，在额定汽压下，就地水位计的水位比汽包内的水位要低100～150mm。下面以我厂(东方锅炉厂)在汽包额定压力18.2MPa下时汽包水位偏离正常水位的情况进行分析，根据式(1)，取汽包水位为零时h=400mm，计算水位变化±1OOmm时水位计显示情况。Pw、Ps为定值，假设Pa也为定值，取平均温度为300℃时的值。h'=h—△h，为就地水位计中的水柱高度，计算结果如表2所示。

从表中计算结果来看，汽包水位变化±100mm时，就地水位计的显示值只变化±68mm，还是假定水位计中水的温度不变，即Pa是定值的情况下计算的。实际上，当汽包内水位变化时，水位计中水的平均温度和密度均会随着变化的，汽包水位升高时，由于水的散热面增加，平均温度会下降，密度增大，水位计的指示也比表中计算的要低；而当汽包水位降低时，水的散热面减小，其平均温度升高，密度减小，水位计的指示应比表中计算的要高。当汽包水位变化±100mm时，就地水位计的变化还达不到±68mm，只是±50mm左右，并且就地水位计的误差并非是恒定值，在不同条件下有所变化，同一锅炉，在不同工况下，在不同的季节里，误差的变化还相当显著。所以依靠就地水位计来监视汽包水位是不安全、不准确的。必须改变运行中认为就地水位计的指示是准确的，并要求其它水位计的指示要与其一致。就地水位计可作为额定压力下核对其它水位计正常水位值(零位)的参考。

二、电接点水位计

电接点水位计的工作原理与就地水位计的完全相同，属于连通管式，利用与受压容器相连通的测量筒上的电接点浸没在水中与裸露在蒸汽中的导电率的差

异，通过显示仪表显示水位。一般只配有一套，安装在汽包的一端，通过信号线传到集控室监视，也有的将接点信号引入停炉保护系统。

电接点水位计的工作原理与就地水位计相同，所以就地水位计存在的问题，它同样存在，即电接点水位计显示的水位与汽包实际水位存在偏差，且不是固定的，汽包水位波动时其显示不能与之对应。电接点水位计与就地水位计因结构、材料、形状、安装、散热情况的不同，它们之间的显示值也必然存在偏差；电接点水位计还存在电接点因挂水而误发信号的问题。所以在亚临界的锅炉上采用电接点水位计测量水位是不安全的、不准确的，作为保护用信号是更不可取的。

三、差压式水位计

差压式水位计的工作原理是在汽包水位取样管上安装平衡容器，利用液体静力学原理使水位转换成差压，用引压管将差压信号送至差压计，由差压计显示汽包不位。经过发展现在采用智能式差压变送器来测量汽包水位，特别计算机控制技术的引入，从技术性能、安全性、可靠性都有了极大的提高，现在亚临界锅炉均采用差压式水位计作为汽包水位测量的主要手段，并作为汽包水位控制、保护信号用。

平衡容器又叫凝结球，根据测量准确性的要求不同，有以下几种平衡容器：单室平衡容器、双室平衡容器、带蒸汽罩补偿式平衡容器。随着计算机控制技术的引入，智能变送器的采用，其运算环节得出的结果远比通过补偿修正的结果准确，所以亚临界锅炉均采用了结构简单的平衡容器测量水位。下面就介绍单室平衡容器测量水位的方式。

单室平衡容器测量水位的原理如图2所示：

从汽包汽侧取样孔引一管至平衡容器，进入平衡容器的饱和蒸汽不断凝结成水，多余的水由于溢流原理自取样管流回汽包，使平衡容器内的水位保持恒定。因此，差压变送器的正压头由于平衡容器有恒定的水柱而维持不变，负压头则随着汽包水位的变化而变化。为了避免汽包水位变化时，影响平衡容器内水位变化，而影响汽包水位测量的准确性，容器的面积应足够大。

由图2可得差压变送器差压和汽包水位之间的关系如下式所示：

式中：

H——汽水侧取样孔距离，mm

L——汽侧取样孔与汽包零水位的距离，mm

h——汽包水位偏差零水位的值，mm

△P——汽包水位对应的差压值，mmH2O

Ps——饱和蒸汽密度，kg/m3

Pw——饱和水密度，kg/m3

Pa——平衡容器参考水柱密度，kg/m3

式(2)中，H、L均是定值，Ps、Pw是汽包压力的函数，Pa除了受汽包压力的影响，还和平衡容器的散热情况、环境温度等有关。饱和蒸汽进入平衡容器不断凝结为水，容器内表面的水温接近于汽包内的饱和温度，平衡容器及其下部取样管受环境的冷却，温度不断下降，随着高度的下降，取样管内的温度将接近环境温度。参比水柱的水温高于环境温度，但远低于汽包内的饱和温度。参比水柱的水温一般采用取平均值的方法，按照常数考虑，一般取50℃或60℃；现在一些电厂也采用直接测量参比水柱温度的方法进行修正。

由于汽水密度都是随压力改变的，因此同一汽包水位在不同的压力工况下所产生的压差是不同的。以我厂自然循环汽包炉为例，已知汽包内径1792mm，零水位在汽包机械中心线以下50mm，水侧取样孔距零水位以下400mm，汽侧距零水位以上360mm，H=400+360＝760mm，取参比水柱水的平均温度为60℃，计算得出表3所示结果。

表3的结果显示：在大气压下，汽包水位到汽侧取样孔时，压差最小，等于零；降至水侧取样孔时，压差最大，等于760mmH2O。因此，测量汽包水位的变送器量程为760～0mmH2O，即是汽水侧取样孔之间的距离。随着汽压的升高，同样的汽包水位变化量所对应的压差变化量减小。汽包水位变化土250mm，大气压下压差变化500mmH2O，压力升到9Mpa时压差变化为329mmH2O，升高到18Mpa 时，压差变化仅为205mmH2O，而且水位越高，受压力的影响越大，水位越低受的影响相对较小。因此，压力的变化会给水位的测量带来相当大的误差，但该误差只是因为压力的变化而产生的，所以，在差压式水位计的测量回路中加入压力修正，可以将压力引起的测量误差消除。

压力修正原理如下：

由(2)式可得

根据(3)式，可得出图3所示的修正回路，修正汽包水位测量受汽包压力影响造成的误差。修正回路中的F1(x)、F2(x)两函数，通过计算机控制系统能很方便的实现和完成。修正回路如图三所示。

平衡容器参比水柱因受环境的影响，温度分配不均，平衡容器上部温度接近饱和温度，向下逐渐减小直到接近环境温度，按平均温度来计算，也必然存在误差；且参比水柱的高度受汽包压力、工况、安装等的影响，也会产生误差。

当参比注柱平均密度变化△pa时，汽包水位测量误差将为：

参比水柱平均温度变化时，相对于20℃时产生的误差如表4所示。

从表4看出，参比水柱平均温度变化时对汽包水位测量误差的影响，随着汽包压力的升高而增大，并且随着平均温度的增大而增大，50℃及以下影响相对小些；因此，参比水柱平均温度应尽量小，并且分布应均匀。

参比水柱高度变化时，设高度误差为△H汽包水位测量产生的误差为：

四、影响汽包水位测量的原因

根据对几种水位测量方式的分析，影响水位测量的原因主要有以下几个方面：

4.1 汽包水位计安装条件、位置、环境的影响，水位计定位偏差一般在10～50mm，各水位计所处的环境存在着差别，影响散热；

4.2 汽包安装条件的影响，汽包安装时的水平度要求应≤5mm，但在锅炉运行几年后，均会发生变化，达到15～20mm，水位计安装时是依据汽包中心线为标准，致使水位计安装时产生误差；

4.3 从给水、水冷壁进入汽包内的水的影响，给水温度因受各加热环境的影响，不可能恒定不变，且水温低于相应压力下的饱和温度；水冷壁进入的水含大量的汽泡，并不断蒸发，其密度将小于相应温度、压力下水的密度；

4.4 下降管的影响，锅炉运行中，汽包内的水不断地高速进入下降管，使得汽包内的水位不是一个理想的水平面，会随着下降管的布置位置产生高低不同的差别，差别可达40～60mm；

4.5 测量仪表本身固有的误差，虽然仪表的精度已很高，但仍存在着测量、安装误差。

五、减小汽包水位测量误差的方法和措施

5.1 合理的取样位置，应高于水位保护定值的高度，并有一定的余量；

5.2 合适的取样管路管径，以减小流通阻力，防止水位显示滞后；5.3 尽量缩短连接管路的长度，减小流通阻力，提高连通管内的介质温度，平衡容器前的水平段应有足够的长度，以利于汽的凝结；

5.4 在汽水取样管之间加一连通管作为阻尼，缓冲汽包水位波动大时对水位测量的影响；

5.5 每个水位计应采用独立的取样孔、取样管路、平衡容器，以免相互产生干扰；

5.6 汽侧取样管向汽包倾斜，以利于凝结的水回流，保证平衡容器内的水面恒定；

5.7 合理的管路保温，既能保证介质的温度，又能充分散热。