Analysis on the Measurement Deviation of Magnetic Floats Commonly

Used in Power Plant under Different Temperature Deviation

梅宗川　謝宏志　韓　順　李曉峰

(中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，深圳　518124)

電站常用磁浮球在不同溫差下的測(cè)量偏差分析

Analysis on the Measurement Deviation of Magnetic Floats Commonly

Used in Power Plant under Different Temperature Deviation

梅宗川謝宏志韓順李曉峰

(中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，深圳518124)

摘要：電站的加熱器系統(tǒng)常使用磁翻板液位計(jì)。由于保溫措施的限制，磁翻板液位計(jì)測(cè)量側(cè)的水溫會(huì)低于加熱器的實(shí)際水溫，從而導(dǎo)致測(cè)量側(cè)水位低于加熱器的實(shí)際水位，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)電站常用磁浮球的測(cè)量偏差進(jìn)行了研究。其結(jié)果表明，在大多數(shù)情況下，磁翻板液位計(jì)的測(cè)量值要低于加熱器的實(shí)際值。分析結(jié)果對(duì)于工業(yè)場(chǎng)合磁翻板液位計(jì)的首次安裝使用、新磁浮球的引入具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：磁翻板液位計(jì)磁浮球液位測(cè)量測(cè)量偏差加熱器

Abstract：Very often, magnetic flap liquid level meters are used in the heaters system of power stations. Due to the limitation of insulation measures, the temperature measured by the magnetic flap level meter is lower than the real temperature in heater, thus the water level measured is lower than the real level, decreasing the accuracy. The measurement deviation of the magnetic floats that commonly used in power stations are researched, the result shows that in most instances, the measurement values of magnetic flap level meters are lower than the real level values of the heaters. The result of analysis possesses certain guiding significance for initial installation and operation of magnetic flap liquid level meters in industrial fields, or the introduction of new magnetic floats.

Keywords：Magnetic flap liquid level meterMagnetic floatLevel measurementMeasurement deviationHeater

0引言

磁翻板液位計(jì)廣泛應(yīng)用于電站的液位測(cè)量，它是一種浮球式金屬管現(xiàn)場(chǎng)指示液位計(jì)，其關(guān)鍵部件是磁浮球、測(cè)量筒和磁翻板柱顯示部件[1-3]。該液位計(jì)的結(jié)構(gòu)是在被測(cè)容器上接測(cè)量筒，筒內(nèi)磁浮球中鑲嵌磁性體，筒外設(shè)置一排輕而薄的翻板。當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，測(cè)量管內(nèi)磁性體隨浮球上下移動(dòng)，外部的磁翻板柱指示部件感應(yīng)到磁體的移動(dòng)，從而指示出液位的變化[1,4-7]。

在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在加熱器液位測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量筒中介質(zhì)溫度低于加熱器中介質(zhì)溫度，因此會(huì)導(dǎo)致磁翻板液位計(jì)測(cè)量筒側(cè)液位測(cè)量值與加熱器的真實(shí)液位不一致。本文對(duì)不同溫差下磁翻板液位計(jì)的測(cè)量偏差進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)磁翻板液位計(jì)的使用具有一定的指導(dǎo)意義。

1溫度對(duì)液位測(cè)量的影響

假設(shè)一個(gè)加熱器的液位測(cè)量裝置如圖1所示，由于磁翻板液位計(jì)中的水溫低于加熱器中的水溫，水溫下降會(huì)導(dǎo)致水的密度上升，水的密度上升會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相反的作用：①測(cè)量通道中水位下降，測(cè)量筒中的水位低于加熱器中的水位，造成測(cè)量值偏低；②測(cè)量筒中的浮球有更多部分浮在水面上，造成測(cè)量值偏高。本文對(duì)不同溫差下的測(cè)量偏差進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了電站常用的兩類(lèi)磁浮球的測(cè)量偏差。

圖1　加熱器液位測(cè)量裝置示意圖

2測(cè)量筒側(cè)的液位偏差

在實(shí)際過(guò)程中，加熱器中不同位置的水溫是不一致的，它和加熱器的形狀、體積等條件有關(guān)，同理在測(cè)量通道中不同位置的水溫也是不一致的。這會(huì)對(duì)理論計(jì)算造成較大的困難，在此對(duì)容器中水的溫度分布做了簡(jiǎn)化。如圖1所示，在閥門(mén)V的左端為加熱器的水溫，假設(shè)水溫一致，且都為T(mén)1，在閥門(mén)V的右端為測(cè)量通道的水溫，設(shè)水溫一致，且都為T(mén)2。在加熱器額定工作壓力P的情形下，T1溫度和T2溫度下對(duì)應(yīng)的水的密度分別為ρ1和ρ2。在閥門(mén)V處，左端的壓力等于右端的壓力，由此可得:

(1)

式中：h1為加熱器內(nèi)水位；h2為測(cè)量通道中的水位；ρ1為加熱器中水的密度；ρ2為測(cè)量通道中水的密度；Δh為實(shí)際水位與測(cè)量通道水位之差。

由式(1)可知，當(dāng)加熱器內(nèi)水位一定時(shí)，溫差越大，測(cè)量誤差越大；同理在溫差一定時(shí)，加熱器內(nèi)的水位越高，測(cè)量誤差越大。

假設(shè)加熱器正常工作時(shí)水位h1為0.77m，工作溫度為200 ℃，工作壓力為18.6bar。由公式可計(jì)算得到不同溫差下加熱器實(shí)際水位與測(cè)量通道水位之差Δh，如圖2所示。

圖2　加熱器實(shí)際水位與測(cè)量側(cè)水位之差曲線(xiàn)

由圖2可得，當(dāng)測(cè)量通道中水溫在100 ℃時(shí)，測(cè)量通道中的水位會(huì)低于實(shí)際水位,約8.4 cm,從而可以看出Δh與測(cè)量通道中水的溫度以及加熱器內(nèi)水位高度密切相關(guān)。磁浮球一旦按照額定工況制作好后，其最大補(bǔ)償值便成定值，該補(bǔ)償作用有限，無(wú)法完全補(bǔ)償因溫度差異導(dǎo)致的測(cè)量筒中水位與加熱器實(shí)際水位的偏差。

3兩類(lèi)浮球的測(cè)量偏差

3.1　A類(lèi)浮球的測(cè)量偏差

A類(lèi)浮球?yàn)椴讳P鋼3P型浮球，浮球質(zhì)量為930 g。對(duì)于這類(lèi)球的計(jì)算需分為兩步進(jìn)行，假設(shè)非線(xiàn)性部分始終浸在水下，則可以先近似計(jì)算出非線(xiàn)性部分的體積，之后可以進(jìn)一步計(jì)算總的體積。計(jì)算過(guò)程如下。

① 非線(xiàn)性部分

浮球非線(xiàn)性部分的體積等于5個(gè)半球加上2個(gè)直筒再加上5個(gè)連接環(huán)的體積，計(jì)算過(guò)程如下所示。

(2)

式中：V1、V3為半球的體積;V2為直筒的體積;V4為非線(xiàn)性部分的總體積。

② 線(xiàn)性部分

由公式可得該類(lèi)浮球非線(xiàn)性部分的體積為880.4 cm3，由于非線(xiàn)性部分始終浸在水下，因此非線(xiàn)性部分提供的浮力為F1，如下所示：

F1=ρgV4

(3)

式中:ρ為水的密度。

由于浮球在水中的浮力等于它自身的重力，因此可計(jì)算得到浮球線(xiàn)性部分浸沒(méi)水中的高度，如式(4)所示。

(4)

F2=ρgV5=ρgπr2h=ρ×9.8×3.14×3.12h

(5)

式中:F為浮球的浮力；G為浮球的重力；V5為線(xiàn)性部分浸入水中的體積；h為線(xiàn)性部分浸入水中的高度。

由式(4)和式(5)可得：

(6)

浮球中線(xiàn)性部分直筒的長(zhǎng)度為9.2 cm，磁性材料(即對(duì)磁翻板起作用的位置)在離直筒上端約1.5 cm處，由此可得浮球的補(bǔ)償值h′如下所示。

h′=9.2-1.5-h=7.7-h

(7)

不同壓力和溫度下水的密度如表1所示。將表1中不同溫度下水的密度代入式(6)和式(7)，可得A類(lèi)浮球的修正值，如圖3(a)所示。結(jié)合本文圖2所示加熱器實(shí)際水位與測(cè)量側(cè)水位之差和圖3(a)，可得磁翻板液位計(jì)中采用A類(lèi)浮球測(cè)量液位時(shí)的水位指示值與加熱器真實(shí)水位的偏差，如圖3(b)所示。A類(lèi)浮球在不同溫差下的指示值與加熱器真實(shí)水位的偏差如表2所示，其中加熱器的工作溫度為200 ℃，加熱器的工作壓力為18.6 bar。

表1　不同壓力和溫度下水的密度

圖3　A類(lèi)浮球在不同溫度下的修正值與測(cè)量偏差

測(cè)量側(cè)浮筒溫度/℃測(cè)量側(cè)水密度/(kg·m-3)測(cè)量測(cè)水位相對(duì)高度/cm浮球修正值/cm水位指示值與加熱器水位的偏差/cm200864.901.2471.2471190876.5-1.0321.7180.6858180887.5-2.0122.1540.1420170898.1-2.9552.563-0.3921160908.1-3.8452.941-0.9048150917.7-4.7013.295-1.4047140926.9-5.5193.628-1.8907130935.6-6.2943.937-2.3563120943.9-7.0334.227-2.8058110951.7-7.7274.494-3.2328100959.1-8.3864.744-3.6421

3.2　B類(lèi)浮球的測(cè)量偏差

B類(lèi)浮球?yàn)?節(jié)鈦合金圓筒型浮球，浮球質(zhì)量為480 g，浮球的總長(zhǎng)度為25.5 cm，磁性材料(即對(duì)磁翻板起作用的位置)在離直筒上端約2.8 cm處。B類(lèi)浮球的排水體積等于1個(gè)半球加上1個(gè)連接環(huán)再加上浸在水中直筒的體積，分別用V6、V7、V8表示，計(jì)算過(guò)程如下所示。

(8)

式中：h為直筒底部距離浮球浸在水中時(shí)水面的高度。

由于浮球在水中的浮力等于它自身的重力，由此可得：

(9)

(10)

式中：F為浮球在水中的浮力；G為浮球的質(zhì)量；ρ為水的密度。

由式(9)和式(10)可以得到h與ρ的關(guān)系，如下所示。

(11)

由式(11)可得浮球的補(bǔ)償值h′如下所示。

h′=19.3-2.8-h=16.5-h

(12)

將表1中不同溫度下水的密度代入式(11)和式(12)可得B類(lèi)浮球的修正值，如圖4(a)所示。結(jié)合本文圖2和圖4可得磁翻板液位計(jì)中采用B類(lèi)浮球測(cè)量液位時(shí)的水位指示值與加熱器真實(shí)水位的偏差，如圖4(b)所示。B類(lèi)浮球在不同溫差下的指示值與加熱器真實(shí)水位的偏差如表3所示，其中加熱器的工作溫度為200 ℃，加熱器的工作壓力為18.6 bar。

圖4　B類(lèi)浮球在不同溫度下的修正值與測(cè)量偏差

表3　B類(lèi)浮球的測(cè)量偏差

4結(jié)束語(yǔ)

磁翻板液位計(jì)中測(cè)量筒的介質(zhì)溫度常低于加熱器中的介質(zhì)溫度，隨著兩者溫差的增加，液位指示值與加熱器真實(shí)水位的偏差將會(huì)變大，且液位指示值在大多數(shù)情況下都小于液位真實(shí)值?，F(xiàn)場(chǎng)首次安裝使用磁翻板液位計(jì)時(shí)，可采用本文給出的計(jì)算方法，根據(jù)磁浮球的尺寸、質(zhì)量、設(shè)備介質(zhì)溫度等信息計(jì)算出磁翻板液位計(jì)的測(cè)量值與設(shè)備實(shí)際液位的偏差，依據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整顯示面板標(biāo)尺，使觀測(cè)到的測(cè)量值更加接近設(shè)備液位的真實(shí)值。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH816

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502010

修改稿收到日期：2014-08-18。

第一作者梅宗川(1984-)，男，2007年畢業(yè)于西安交通大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事核電廠(chǎng)熱工儀表設(shè)備選型的研究。