火電廠汽包水位測量的分析研究

摘要：本文作者結合實踐使用，對較為常見的幾種平衡容器進行了分析并結合項目中水位補償計算過程，并提出了各類平衡容器的選擇方法。

關鍵詞：汽包；平衡容器；密度；補償

1 概述

保持汽包水位的穩定是十分關鍵的，在火電廠，水位控制一直受到重視。汽包工況是經常變化，啟動到滿負荷或減負荷等負荷波動中，影響測量的準確性，危及機組的安全。針對汽包水位的特性，研究出了許多測量方案。

2 常見的水位測量方式

2.1 單室平衡容器

單室平衡容器是結構最簡單。通過與汽包聯通管，引出汽側、水側壓力，代入密度計算公式得水位值：

△p=p+-p-=L（ρc-ρs）g-H（ρw-ρs）g （1）

或 H≤ L（ρc-ρs）g-△p≥（ρw-ρs）g （2）

正壓側的壓力是由恒定的冷凝水高度來維持的，而負壓側的壓力則隨著汽包水位的變化而改變，由此測得的差壓值就隨著汽包水位發生變化。

單室平衡容器安裝簡單，但誤差較大，通過以上公式，影響結果的幾個參數有容器內水密度、汽包內飽和水密度、汽包內飽和汽密度。

2.2雙室平衡容器

雙室平衡容器的正壓側與單室平衡容器相同，而區別在于雙室平衡容器的負壓側是由平衡容器引出的。

計算方法與單室平衡容器是一樣的。

雙室平衡容器的正負壓側水溫度接近，準確度高一些，但因容器內溫度低于汽包內溫度，仍然有測量誤差。

2.3蒸汽罩補償式平衡容器

蒸汽罩補償式平衡容器結合了單室、雙室的優缺點，能消除環境溫度對測量的影響，也可補償汽壓變化對測量的影響。

對正壓側基準杯加熱，使基準杯內的水與汽包壓力下的飽和水相同。該平衡容器正壓側水柱改由2段組成，l段保持飽和溫度，II段保持室溫。適當選擇比例，可獲得某特定水位（如正常水位下）平衡容器的差壓值不受壓力影響。

3 選擇檢測元件

單室平衡容器可避免汽壓下降，飽和水汽化的危險，運行穩定情況下較適用。

工況變化較大，需較快的適應變化的影響時，考慮帶補償的雙室平衡容器，選擇了雙室平衡容器就要考慮飽和水汽化的風險，因蒸汽罩帶補償雙室平衡容器，當汽包壓力因增負荷而突降時，正壓側壓力也會降低，原正壓側內的飽和水就會汽化，影響水位的測量。

4 水位計算

要得到準確的水位值都要進行計算和補償，是由于密度不同造成的。雖然雙室平衡容器和帶補償的雙室平衡容器采取了不同的結構，削弱了對差壓的影響，但仍需采取措施。

汽包水位補償的方法有兩種，壓力補償和溫度補償。溫度補償從0℃開始，而壓力補償從100℃開始。因為溫度可以對應飽和密度以及100℃以下時的非飽和密度，壓力卻只能對應飽和密度。最終通過經驗公式或查表求得工況下的汽水密度，代入公式，或通過近似函數，得到與密度同趨勢的曲線，代入計算。

以某煤氣發電工程為例，采用170t/h的煤氣鍋爐，這個項目設計帶蒸汽罩的雙室平衡容器測量汽包水位，可知凝汽室、基準杯及其底部位于容器內部的導壓管中的溫度與汽包介質溫度是相等的，即ρw=ρ`w，ρs=ρ`s

P+= PJ +320ρw+（580-320） ρ c

P+ — 容器正壓側壓力

ρw — 容器中的密度（ρ w= ρ`w）

ρ c — 環境溫度下水密度

PJ — 基準杯口以上靜壓力

P-= PJ+（580-hw） ρ s + hwρw

P-—容器負壓側壓力

hw —汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度

ρ s —— 汽包中飽和水密度

因此差壓

ΔP=P+-P-=320 ρw+260 ρ c-（580-hw） ρ s-hwρw

即 ΔP=260 ρ c + 320 ρw-580 ρ s-（ρw-ρs）hw （5）

在計算中需認識到平衡容器有不同的特性，以本工程為例，查《飽和水與飽和水蒸汽密度表》可得各種壓力下飽和密度。把0、±50、±100mm等分別代入（5）式，可得到輸出的差壓，通過《雙室平衡容器固有補償特性參照表》可以得知雙室平衡容器的工作特性。

從《特性參照表》中可看到，各水位對應的差壓隨著壓力變化而變化。可看出0水位所對應的差壓變化規律較其它不同，只在較小范圍內波動。該平衡容器的設計壓力為13.73MPa，因此14.5MPa以下它的波動在±5mm水柱以內。當汽包中的水位為0水位時，壓力變化，對0水位測量影響極小。則當汽包水位越接近于0水位，其差壓受影響越小，反之則大。因此在進行補償時可對不同區域分別建立補償公式。

在進行補償時有以下步驟：

1、確定0水位，通過查鍋爐廠圖紙資料，可獲得0水位。本項目中0水位位于連通器水平管軸線以上365mm處，即基準杯口水位下方215mm處。

2、確定變送器量程，變送器量程由測量范圍、0水位以及補償起始點等因素決定的。

本項目0水位位于連通器水平管軸線以上365mm處。該平衡容器的量程為±300，因此（5）式中的hw的最大值和最小值分別為665和65。若采用壓力補償，從《飽和水與飽和水蒸汽密度表》中查100℃時的飽和密度代入（5）式，再將665和65代入（5）式，即得最小差壓ΔPmin=-70.5和最大差壓ΔPmax=504，即變送器量程-70.5～504。若采用溫度補償，從0℃開始補償，用同樣方法可得量程為-85～515mm水柱。

3、確定數學模型

由（5）式得

hw=（260ρc-ΔP+320ρw-580ρs） / （ρw-ρs） （6）

由于相對于規定的0水位的汽包水位 h= hw-365，所以

h=[（260ρc-ΔP+320ρw-580ρs） / （ρw-ρs） ]-365 （7）

式中h —相對于規定的0水位的汽包水位

（7）式即為補償系統的數學模型。式中ρc為常數，令環境溫度為30℃，則ρc =0.9956mg/mm3，所以

h=[（258.9-ΔP+320ρw-580ρs） / （ρw-ρs） ]-365 （8）

（8）式為最終的數學模型。顯然，它與（7）式的作用完全一樣。可任選其一。

4、確定函數。在（8）式和（7）式中都有“320ρw-580ρs ”和“ρw-ρs”關于飽和密度的子式。查《飽和水與飽和水蒸汽密度表》，可得這兩個子式的曲線。將所得的曲線及（7）或者（8）式輸入DCS系統，即能計算出對應的測量值。

5 結論

汽包水位的測量涉及選型和補償，針對常用的方法，有單室平衡容器，雙室平衡容器以及帶補償的平衡容器多種選擇，需結合情況來進行選擇，檢測元件確定后來確定合適的補償公式，修正工況變化引起的密度變化，達到準確測目的。

參考文獻

[1]葉江明，等.電廠鍋爐原理及設備[M].北京：中國電力出版社.2004年.

[2] 李遵基.熱工自動控制系統[M].北京：中國電力出版社，2001年02期.