关于汽包水位测量问题

汽包水位测量。

就地水位计

有：玻璃板式水位计、就地双色水位计、电接点式水位计几种。原理都是通过连通器原理，即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。见下图。只不过看的方式不同而已

对于就地水位计来讲，存在着散热误差，导致读数不准。

汽包水位测量。

上面公式推导过程：（假定饱和蒸汽密度与水位计中蒸汽的密度相同） H*ρ’=H1*ρ1+(H-H1) *ρ

’’ H*ρ’=H1*ρ1+H*ρ’’-H1* ρ’’ H*ρ’- H*ρ’’=H1*ρ1 -H1*ρ’’ H*(ρ’- ρ’’)=H1*(ρ1-ρ’’) H1=[(ρ’- ρ’’)/ (ρ1-ρ’’)]*H (1)直接“散热”误差

由于测量筒及其引管向周围空间散热，其水柱温度实际上低于容器内水的温度，直接影响水位计测量筒内水的密度ρ1，即测量筒内水的密度ρ1大于容器内水的密度ρ'，由(1)式可知水位计显示的水位H，比容器内水位H低。由(2)式可以看出，水位计测量筒散热越多，ρ1也就越大，因而测量误差｜△h｜越大，这种误差我们称为直接“散热”误差。为了减少直接“散热”误差｜△h｜，一般在水位计测量筒的下部至水侧连通管应加以保温，以减少测量筒水柱温度与容器内水的温度之差：同时水位计的汽侧连通管及水位计测量筒的上部不用保温，并让汽侧连通管保持一定的倾斜度，使更多的凝结水流入测量筒，以提高水位计测量筒内水的密度ρ1。 (2)取样“散热”误差

由式(2)可以看出，水位计误差值｜△h｜与水位值H成正比，即水位值H越高(以水侧连通管作零点)，水位计误差值｜△h｜就越大，可以说存在取样“散热”误差。由图1可以看出，若容器内实际水位不变，当水位计水侧取样孔及连通管向上移时(相当于零水位线上移)，容器水位示值H减少，则由式(2)可以看出，水位计取样“散热”误差｜△h｜可减少。为了能测量到水位下限，水位计水侧取样向上移是有限的，因此图1中取样“散热”误差是无法完全消除的。 (3)工况“散热”误差

随着容器压力的增高，ρ'减少， ρ"增大，即在同样的散热条件下 (ρ1-ρ')变大，(ρ1-ρ")变小，由式(2)可以看出测量误差｜△h｜增大，这种误差我们称为工况“散热”误差。在图1的水位计中，容器的工作压力是由运行工况决定的，因此工况“散热”误差是无法消除的。

从理论上讲，当ρ1=ρ'时，(1)式可以简化为H1=H，也就是说水位计水位值等于容器内水位值(实际水位)：同时(2)式可以简化为△h=0，也就是说水位计的三种”散热”误差均为0(无“散热”误差)。

一般高压锅炉(如300MW机组)在高水位运行时，汽包水位计的“散热”误差值达100～150mm，有可能造成各种联锁及保护失效，因此对减少甚至消除“散热”误差最为关键。减少水位计的“散热”误差应注意如下：

(1)每一种水位计应单独取样(有单独的取样孔及连通管)： (2)容器与测量筒的连通管不宜长；

(3)水位计的汽侧取样管应向上向容器方向倾斜，水侧取样管应向下向容器方向倾斜，一般至少应有1:100的斜度：

(4)水位计汽侧取样管及测量筒的上部不用保温： (5)水位计水侧取样管及测量筒下部的保温应良好： 一、玻璃板式水位计

以仪表上、下端两个凸面安装法与高压容器上所对应的安装法兰相连接，组成一个高压连通器，通过该液位计可直接观察到高压容器内介质液位的实际高度。 二、就地双色水位计：

汽包水位测量。

云母水位计：双色水位计由

光源发出的红光绿光，射向水 位计本体液腔。在腔内气相部分，红光射向正前方，而绿光斜射到壁上被吸收。而在腔内液相部分，由于水的折射使绿光射向正前方，而红光斜射到壁上。因此在正前方观察，显示汽红水绿。

石英管水位计：利用自然光在液体中折射、反射原理。借助于红、绿色片，在测量时，

使液相显示绿色，汽相显示为红色。

磁翻版水位计：磁翻板液位指示器安装在桶槽外侧或上面，用以指示和控制桶槽内的液

位高度的一种控制仪表，指示器由磁性色片组成，当本体管内的磁性浮球随液位上升时色片翻转，即可显示液位高度。也可在本体管上加装磁性开关或远传变送器，输出开关信号或模拟量信号。适合用于高温、高压、耐腐蚀等场合，可就地显示和远程控制。

三、电接点式水位计

电接点水位计根据水与汽电阻率不同而设计。测量筒的电极在水中对筒体的阻抗小。在汽中对筒体的阻抗大。 随着水位的变化，电极在水中的数量产生变化。转换成电阻值的变化。传送到二次仪表，从而实现水位的显示、 报警、保护联锁等功能。

固有误差：由于电极以一定间距安装在测量筒上，由此决定其输出信号是阶梯式，无法反映两电极间的水位和I水位变化趋势，造成电接点水位计的固有误差。减少电接点的间距，可以减少电接点水位计的固有误差；但减少电接点的间距，也就是说增加测量筒开孔的个

汽包水位测量。

数，会影响测量筒的强度，增大风险。所以，减少电接点的间距是有限的，即电接点水位计的固有误差是无法消除的。

电极挂水产生的读数误差。因化学腐蚀等造成水测电极开路等误差。可通过逻辑关系避免。

不连续的缺点，取样点离散。

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。 一、单室平衡容器

单室平衡容器测量水位的原理如图所示： 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。

汽包水位测量。

由图可得差压变送器差压和汽包水位之间的关系如下式所示：

ΔP=P+－P- 注意正压取压管连在参比水柱端，负压取压管连在汽包水测取压端 =Lρcg－(Hρwg＋(L－H)ρsg) =Lρcg－Hρwg－Lρsg＋Hρsg =L(ρc－ρs)g－H(ρw－ρs)g

H(ρw－ρs)g= L(ρc－ρs)g－ΔP 式1 L：参比水柱高度，单位m；

H：汽包水位，单位m；此高度是相对与水测取样管的高度！ ρc：参比水柱平均密度，单位kg／m3； ρw：汽包饱和水密度，单位kg／m3； ρs：汽包饱和蒸汽密度，单位kg／m3； ΔP：测量的差压，单位Pa；

现将H、L单位m换成H1、L1单位mm(1mm=1/1000m)，则式1变为

(H1/1000)(ρw－ρs)g= (L1/1000)(ρc－ρs)g－ΔP 式2 现将ΔP单位Pa换成ΔP1单位mmH2O(1mmH2O=9.8Pa)，则式2变为

(H1/1000)(ρw－ρs)g= (L1/1000)(ρc－ρs)g－9.8*ΔP1 式3 整理后

H1=[(ρc－ρs) L1－9.8*ΔP1*1000/g]/ (ρw－ρs)

=[(ρc－ρs) L1－ΔP1*1000]/ (ρw－ρs) 式4 差压越大水位越低

如果H1变为参比汽包零水位H0，则

H’=[(ρc－ρs) L1－ΔP1*1000]/ (ρw－ρs)－H0此时我们来对照一下我们ACTION中的公式 A7:=(I0*(I2/10000-A3)/100-A0*1000)/A2-I1/100; 由此我们得出： I0为L1 I1为H0 I2为ρc A0为ΔP1

A2为ρw－ρs A3为ρs

A2与A3是汽包压力A1的曲线，由ACTION中的拟和曲线得出

汽包水位测量。

A6:=A1+0.09806;换算成绝对压力

if A6<0.5 then A2:=974.46+(132.17*A6-188.70)*A6; else if A6<3 then A2:=943.10+(7.2506*A6-66.643)*A6; else if A6<12 then A2:=887.26+(0.240249*A6-27.902)*A6; else if A6<18 then A2:=751.73-(4.075+0.81958*A6)*A6; end_if; end_if; end_if; end_if;

if A6<0.5 then A3:=0.047198+(5.5138-0.54988*A6)*A6;

else if A6<2.5 then A3:=0.2155+(4.9288-0.0059406*A6)*A6; else if A6<12 then A3:=1.0431+(4.3345+0.105589*A6)*A6; else if A6<18 then A3:=-20.788+(10.922-(0.57244-0.024438*A6)*A6)*A6; end_if; end_if; end_if; end_if; A0 A1 I0 I1 I2 -0A7

具体曲线

X100 X100

4

2O

3

AI模块连入 AI模块连入

994.155kg/m

3

汽包水位测量。

粉红色为计算得到的曲线，蓝色为实际查表算得的曲线

粉红色为计算得到的曲线，蓝色为实际查表算得的曲线 二、双室平衡容器

双室平衡容器测量水位的原理如图所示： 正压头是从宽容器中引出，负压头是从置于宽容器中的汽包水侧连通管中取得。宽容器中的水面高度是一定的。当水面要增高时，水便通过汽侧连通管溢流入汽包；要降低时，由蒸汽冷凝水来补充。因此当宽容器中水密度一定时，正压头为定值。负压管与汽包是连通的，因此，负压管中输出压头的变化反映了汽包水位变化。推导公式同单室平衡容器：

ΔP= Lρ1 g －Hρ2 g－(L－H)ρs g

双室平衡容器的优点是内外2根管内水的温度比较接近，减少了采用单室平衡容器因正负压取样管内水的密度不同所引起的测量误差，但是，由于平衡容器内的温度远远低于汽包内的温度，故负压管内的水位比汽包实际水位偏低，因而产生测量误差。当汽压和平衡容器环境温度变化时，此误差是个变数。

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三、蒸汽罩式双室平衡容器

蒸汽罩式双室平衡容器测量水位的原理如图所示：

蒸汽罩式双室平衡容器是采用汽包内饱和蒸汽来加热正、负压侧取样管内的水，使之处于饱和温度，即ρc＝ρw，从而消除了简单双室平衡容器内水温度与汽包内水温度不同带来的测量误差。

蒸汽罩补偿式平衡容器正压侧取样管的水柱改由2段组成，ι段保持饱和温度，L—ι段保持室温。适当选择2段的比例，即可获得在某一特定水位(如正常水位)下平衡容器输出的差压值不受汽压变动的影响。

目前，测量中小型锅炉汽包水位时，广泛采用蒸汽罩补偿式平衡容器，用蒸汽罩对正压恒位水槽加热，使槽内的水在任何情况下都与汽包压力下饱和水的密度相同，不受环境温度的影响。蒸汽罩的加热蒸汽取自汽包的蒸汽室，凝结水经疏水管“4”流至锅炉下降管。

为了使平衡容器能迅速达到正常的工作状态，在汽包与平衡容器的连接管之间加装汽侧一次门，当锅炉开始升压时，要关闭该阀门，使较高压力的炉水由疏水管注入平衡容器，并迅速充满正压恒位水槽。这样，待仪表管路冲洗后，打开该阀门，水位表即可正常投入。

在锅炉参数变化时，为了保证汽包水位一定，差压与水位成单值函数，密度补偿长度ι必须选择合适，ι值的确定是在水位为正常水位H0时求取的。因此，只有当汽包水位为H 0时，才能进行良好的密度补偿。

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公式推导：

ΔP=P+－P-

=[(L－l) ρw＋lρa]g－[Hρw＋(L－H)ρsg] =L(ρw－ρs)g－l(ρw－ρa)g－H(ρw－ρs)g 变化测量单位及以H0为基点后公式变为：

H’=L－[(ρw－ρa)/ (ρw－ρs)] l－ΔP1*1000/(ρw－ρs)－H0对照我们的公式：

A7:=I5/100-(I3/100*(A2-I2/10000)/(A2-A3))-(A0*1000)/(A2-A3)-I1/100+A4; 从公式中看出最后一项A4错应去掉，或者进行认为少许的校正。 A0 A1 I1 I2 I3 I4 I5 A7

X100

X100 X100 X100

4

2O

3

AI模块连入 AI模块连入

994.155kg/m

3

从两个公式对照可以看出

I1为H0 I2为ρa I3为l I5为L

汽包水位测量。

A0为ΔP1A2为ρw A3为ρs

因此可以看出公司原有的双室平衡容器ACTION中A2的计算公式有错，见下面的公式 A6:=A1+0.09806;

if A6<0.5 then A2:=974.46+(132.17*A6-188.70)*A6; else if A6<3 then A2:=943.10+(7.2506*A6-66.643)*A6; else if A6<12 then A2:=887.26+(0.240249*A6-27.902)*A6; else if A6<18 then A2:=751.73-(4.075+0.81958*A6)*A6; end_if; end_if; end_if; end_if;

if A6<0.5 then A3:=0.047198+(5.5138-0.54988*A6)*A6;

else if A6<2.5 then A3:=0.2155+(4.9288-0.0059406*A6)*A6; else if A6<12 then A3:=1.0431+(4.3345+0.105589*A6)*A6; else if A6<18 then A3:=-20.788+(10.922-(0.57244-0.024438*A6)*A6)*A6; end_if; end_if; end_if; end_if; 应该改为

A6:=A1+0.09806;

if A6<0.5 then A2:=974.507198+(131.62012*A6-183.1862)*A6; else if A6<3 then A2:=943.3155+(7.2446594*A6-61.7142)*A6; else if A6<12 then A2:=888.3031+(0.345838*A6-23.5675)*A6; else if A6<18 then A2:=730.942+ (6.847-(1.39202-0.024438*A6)*A6)*A6; end_if; end_if; end_if; end_if;

if A6<0.5 then A3:=0.047198+(5.5138-0.54988*A6)*A6;

else if A6<2.5 then A3:=0.2155+(4.9288-0.0059406*A6)*A6; else if A6<12 then A3:=1.0431+(4.3345+0.105589*A6)*A6; else if A6<18 then A3:=-20.788+(10.922-(0.57244-0.024438*A6)*A6)*A6; end_if; end_if; end_if; end_if;

相应的曲线为

汽包水位测量。

粉红色为计算得到的曲线，蓝色为实际查表算得的曲线

粉红色为计算得到的曲线，蓝色为实际查表算得的曲线

从下表中可以看到，各水位所对应的由容器所输出的差压随着压力的变化（相关饱和汽、水密度）各自发生着不同的变化。这里首先注意0水位所对应的差压，它的变化规律较其它水位有明显不同，只在一个较小的范围内波动。由于该容器的设计压力为13.73MPa，因此14.5MPa以下它的波动范围更小，仅在±5mm水柱以内。也就是说当汽包中的水位为0水位时，无论压力如何变化，即使在没有补偿系统的情况下，对0水位测量影响都极小或者基本

汽包水位测量。

没有影响。关于其它水位，则当汽包水位越接近于0水位，其对应的差压受压力的变化影响越小，反之则大。

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汽包水位测量。

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