鳳建剛

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)品分公司烯烴公司 寧夏 靈武 750411）

0 引言

保持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要的安全性指標(biāo)。 由于負(fù)荷、燃燒工況及給水流量的變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常變化。 汽包水位過高會(huì)造成蒸汽帶水，受熱面結(jié)鹽，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)水沖擊振動(dòng)；水位過低會(huì)引起排污失效，影響水循環(huán)工況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致爐管大面積爆破。 因此，鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)是機(jī)組安全運(yùn)行的極其重要的系統(tǒng)。

目前，從鍋爐汽包水位測(cè)量的基本原理來看，廣泛應(yīng)用的主要是基于聯(lián)通管式（重力式）和差壓式兩種原理的鍋爐汽包水位計(jì)。 由于鍋爐汽包水位對(duì)象的復(fù)雜性以及實(shí)際運(yùn)行中存在著許多不確定因素和較大的測(cè)量誤差，以致多個(gè)汽包水位計(jì)間常常有很大偏差，本文將對(duì)常用鍋爐水位測(cè)量方法的原理及其誤差進(jìn)行分析，并給出減少誤差的的方法。

1 聯(lián)通管式水位計(jì)

聯(lián)通管式水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，顯示直觀。 它可以做成僅僅在就地顯示的云母水位計(jì)（包括便于觀察的雙色水位計(jì)），也可以采取一些遠(yuǎn)傳措施，如在水位計(jì)中加電接點(diǎn)或用攝像頭等構(gòu)成電極式水位計(jì)或工業(yè)電視水位計(jì)等。 但就原理來說，都屬于聯(lián)通管式測(cè)量原理。

1.1 雙色水位計(jì)

雙色水位計(jì)是基于聯(lián)通管式原理的水位計(jì)，輔以光學(xué)系統(tǒng)，利用光從空氣進(jìn)入蒸汽或水產(chǎn)生不同的折射，使汽水界面顯示紅、綠兩色的分界面，顯示清晰，并可利用工業(yè)攝像系統(tǒng)的方式遠(yuǎn)程顯示。 缺點(diǎn)是雙色水位計(jì)受光線干擾較大，太陽光、燈光都會(huì)使汽水界面不明晰，需要重新調(diào)校水位計(jì)控制電壓。

1.2 電極式測(cè)量

電極式測(cè)量也是基于連通管式原理的測(cè)量裝置，與普通雙色水位計(jì)不同之處在于筒內(nèi)有一系列組成測(cè)量標(biāo)尺的電極。 由于汽水電導(dǎo)率的很大差別，造成處于汽和水中的電極電阻值有很大差別，以此來判斷電極是處于水空間還是處于汽空間。 利用多個(gè)電極即可判斷當(dāng)前的水面位置。 階躍式顯示是電極式水位計(jì)的固有特性， 為了滿足運(yùn)行監(jiān)視要求，在常用監(jiān)視段（±100mm）內(nèi)電極設(shè)置密集些。 超出該范圍時(shí)，分辨力可適當(dāng)降低些。 缺點(diǎn)是電極易受污染，可靠性不高，維護(hù)量大，需經(jīng)常排污。

1.3 聯(lián)通管式測(cè)量原理和誤差

圖1 聯(lián)通管式水位計(jì)原理圖

聯(lián)通管式水位計(jì)是利用水位計(jì)中的水柱與汽包中的水柱在聯(lián)通管處有相等的靜壓力，從而可以用水位計(jì)中的水柱高度來間接反映汽包中的水位，因此，也稱為重力式水位計(jì)，其水位稱為重力水位。

聯(lián)通管式水位計(jì)的顯示水柱高度H′可按下式計(jì)算：

（1-1）式中，H——汽包實(shí)際水位高度

H′——水位計(jì)的顯示值

ρs——汽包內(nèi)飽和蒸汽密度

ρw——汽包內(nèi)飽和水密度

ρa(bǔ)——水位計(jì)測(cè)量管內(nèi)水柱的平均密度

由于水位計(jì)管內(nèi)的水柱溫度總是低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，因此，ρa(bǔ)總是大于ρw，水位計(jì)中的顯示值總是低于汽包內(nèi)實(shí)際水位高度，它的示值偏差：

由（1-2）式可以看出，水位測(cè)量偏差與水位計(jì)管內(nèi)水柱溫度、 汽包工作壓力以及汽包內(nèi)的實(shí)際水位等多種因素有關(guān)。

1.4 消除聯(lián)通管式水位計(jì)測(cè)量偏差的方法

傳統(tǒng)聯(lián)通管式水位測(cè)量的偏差和不確定性的根本原因在于水位計(jì)測(cè)量管內(nèi)水的密度和汽包內(nèi)飽和水密度不一致，如果能確保水位計(jì)測(cè)量管內(nèi)的密度始終保持接近或等于汽包內(nèi)飽和水的密度，那么（1-1）式中ρa(bǔ)=ρw，H′=H，于是上述一系列偏差全消除了。

目前，有一些水位計(jì)采用了汽包內(nèi)飽和蒸汽給水位計(jì)測(cè)量管內(nèi)的水加熱，并阻止其內(nèi)的飽和水向外散熱，正是這個(gè)目的。

2 差壓式水位計(jì)

差壓式水位計(jì)是通過把水位的高度變化轉(zhuǎn)換成差壓的變化來測(cè)量水位的。因此，其測(cè)量?jī)x表就是差壓計(jì)。差壓式水位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量汽包水位的關(guān)鍵是水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器形成參比水柱來實(shí)現(xiàn)的。 目前，國(guó)內(nèi)外最常用的是通過單室平衡容器下的參比水柱形成差壓來測(cè)量汽包水位。 如圖2 所示。

圖2 水位-差壓轉(zhuǎn)換原理圖

正、負(fù)壓管輸出的壓差值ΔP 按下式計(jì)算：

或改寫成

式中，ρa(bǔ)——參比水柱（P+側(cè)水柱）的密度

ρw——汽包內(nèi)飽和水密度

ρs——汽包內(nèi)飽和蒸汽密度

H——汽包內(nèi)實(shí)際水位

g——重力加速度

這里飽和蒸汽和飽和水的密度（ρw、ρs）是汽包壓力P 的單值非線性函數(shù)，通過測(cè)量汽包壓力可以得到，而參比水柱中水的平均密度ρa(bǔ)通常是按50℃時(shí)水的密度來計(jì)算的，而實(shí)際的ρa(bǔ)具有很大的不確定性與50℃時(shí)水的密度相差很大是造成測(cè)量誤差的主要原因之一。

根據(jù)計(jì)算， 參比水柱平均溫度對(duì)水位測(cè)量的影響如表1所示。

表1 參比水柱平均溫度對(duì)水位測(cè)量的影響表（40℃為基準(zhǔn)）

從表1 可知，如果參比水柱的設(shè)定溫度值為40℃，當(dāng)其達(dá)到80℃時(shí)，其水位測(cè)量附加正誤差33.2mm；當(dāng)參比水柱溫度達(dá)到130℃時(shí)，其水位測(cè)量附加正誤差高達(dá)108mm。

2.1 差壓式水位計(jì)誤差消除方法

采用單室平衡容器的差壓水位計(jì)測(cè)量誤差的補(bǔ)償

由于汽包水位顯示值是以汽包零水位為基準(zhǔn)表示的，因此，有H=H0+ΔH，H0為零水位，ΔH 為水位計(jì)顯示值。則（1-3）式可以寫成

若將參比水柱溫度近似看作等于室溫，將汽包壓力與這個(gè)密度差的關(guān)系近似用線性關(guān)系式來表達(dá)：

帶入（1-5）式，可得水位與汽包壓力及差壓之間的關(guān)系為：

（1-8）式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6皆為常數(shù)。 為了保證在將汽包壓力與密度差關(guān)系近似線性化時(shí)有足夠的精度，一般按分段進(jìn)行線性化逼真，也就是說，汽包壓力在不同變化范圍內(nèi)時(shí)，這些常數(shù)取值也不同。

根據(jù)（1-8）式設(shè)計(jì)的帶有汽包壓力校正的差壓式汽包水位測(cè)量系統(tǒng)方框圖，如圖3 所示。

圖3 普通單室平衡容器的帶壓力校正的汽包水位測(cè)量系統(tǒng)方框圖

汽包水位測(cè)量經(jīng)汽包壓力校正后， 測(cè)量精度已得到提高，但是，上述補(bǔ)償計(jì)算的前提是假定正壓側(cè)參比水柱溫度恒定，而實(shí)際上由于上部受飽和蒸汽凝結(jié)水的加熱，參比水柱的溫度總是高于室溫。 汽包壓力愈高，飽和蒸汽凝結(jié)水溫度愈高，參比水柱平均溫度也愈高。 為了消除汽包壓力對(duì)參比水柱溫度的影響，一般可將平衡容器后參比水柱引出管線水平延長(zhǎng)一段后再垂直向下接至差壓變送器，這樣參比水柱溫度就不再受飽和壓力影響了。

2.2 采用參比水柱接近飽和溫度的平衡容器消除差壓式水位計(jì)測(cè)量誤差

參比水柱溫度接近飽和溫度的平衡容器種類很多，從結(jié)構(gòu)原理上看，常見的有雙室平衡容器（如圖4 所示）和內(nèi)置式單室平衡容器（如圖5 所示）。

圖4

圖5

按照靜力學(xué)原理，對(duì)于雙室平衡容器（如圖4 所示）,當(dāng)汽包水位在零水位H0時(shí)，差壓輸出ΔP0為：

當(dāng)汽包偏離正常水位變化ΔH0時(shí)，平衡容器的差壓輸出ΔP 為：

如果通過改變雙室平衡容器結(jié)構(gòu)，用蒸汽套保溫使ρ1和ρ2等于或接近于飽和水密度ρw，則（1-10）式就變成：

按式（1-11）式設(shè)計(jì)的帶汽包壓力校正的差壓式汽包水位測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖6 所示。

由此可知， 汽包水位測(cè)量誤差僅僅與汽包壓力有關(guān)，而不再存在普通單室平衡容器參比水柱密度ρa(bǔ)受環(huán)境條件等因素影響造成的附加誤差了。

3 汽包水位的測(cè)量方法

目前，鍋爐汽包水位的測(cè)量主要采用基于聯(lián)通管式和差壓原理的兩種方法。 令人遺憾的是至今沒有一種可以準(zhǔn)確判別汽包發(fā)生“假水位”時(shí)的真實(shí)水位位置的水位計(jì)，更沒有一種可以作為標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)鍋爐汽包水位計(jì)，大多只能采用下列兩種方法來檢查汽包正常水位附近汽包水位計(jì)的準(zhǔn)確性：

3.1 在鍋爐汽包正常水位上下焊接排汽（水）管的方法。校驗(yàn)時(shí)，運(yùn)行人員將汽包水位保持在正常水位附近，此時(shí)即可觀察到汽包水位表在汽包正常水位點(diǎn)出的誤差了。 這種方法可以在線校對(duì)，但操作特別復(fù)雜，也不是所有鍋爐上都焊接有這種排汽（水）管。

3.2 停爐后進(jìn)入汽包內(nèi)部觀察長(zhǎng)期運(yùn)行的汽水分界線水垢線，核對(duì)與汽包水位表的正常水位（零水位）是否一致。 這種方法的前提是，正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)行人員總是按照儀表指示將汽包水位保持在正常水位（零水位）附近。 這種方法只有在大修停爐時(shí)采用，局限性很大。

4 結(jié)束語

隨著人們對(duì)水位計(jì)測(cè)量的深入研究，新的方式方法也隨之出現(xiàn)。 直接測(cè)量汽包水位的內(nèi)置式電極水位計(jì)也已獲得國(guó)家專利，有望成為汽包水位測(cè)量的基準(zhǔn)儀表在線校驗(yàn)其它水位計(jì)。S

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