汽包水位出現“虛假”測量的探討

呂植訓，劉軍，王世新，李名慧

（中石化股份有限公司天津分公司煉油部，天津300271）

工業鍋爐種類繁多，廣泛用于發電、石油化工、冶金、輕工等諸多工業領域，其生產過程基本相似，即在汽包內將水加熱產生蒸汽，為工業生產過程提供能源。一般工業鍋爐的主要控制參數包括汽包水位、給水質量流量、蒸汽質量流量、汽包壓力、蒸汽壓力、蒸汽溫度和爐膛溫度等，其中關系到鍋爐生產運行安全的重要參數是汽包水位。

以往自控教科書中對鍋爐汽包水位測量出現“虛假”檢測結果原因的描述存在誤區。在蒸汽負荷出現突發性上升時，水位測量信號也會隨之突然上升，這個現象被解釋為氣泡堆積造成。其實該現象是汽包的動特性所致，并非“虛假”，它真實地反映了汽包這個特殊工業對象在常規運行中汽包水位與水汽系統的動特性。筆者根據工作中積累的經驗就此問題做如下討論。

1 鍋爐水位測量原理

現代工業鍋爐的水位測量一般都采用靜壓檢測方式。在不同的液柱高度下會產生不同的壓強，壓強大小與液柱高度成正比，此壓強被稱之為液體靜壓力。

由圖1可知，當液位發生變化時，由于p大氣是一個相對恒定的值，當遷移p大氣后，則液位Δh與液體靜壓力Δp的變化呈線性關系，則：

圖1 水位測量原理

由式（3）可知，水位高度的變化量Δh與Δp之間呈線性關系，即通過測量Δp可計算出水位的確切高度。

利用差壓變送器測量密封容器內的水位的原理如圖2所示，以下分析差壓變送器的測量原理。

圖2 利用差壓變送器測量水位示意

差壓變送器正壓側受力：

差壓變送器負壓側受力：

則差壓變送器受力應為p＋與p－之差，則：

式（6）為利用靜壓法測量密閉容器內液位的基本公式，也就是利用物質的密度來進行測量。液體靜壓力的傳遞是依靠正負導壓管的連接來實現的。

2 “虛假水位”產生機理及影響

2.1 人眼觀察到的現象

鍋爐汽包產生的“虛假水位”現象，一般都是由于蒸汽系統的負荷突然增大，造成汽包內壓力突然減小、蒸發突然加劇，此時水位會驟然下降。與此同時，飽和蒸汽與溶解于水中的其他氣體也因水面壓力的減小很快地從水中逃逸出來。一部分蒸汽和其他微量氣體，克服了水表面的張力，離開水面直接進入蒸汽系統；而另一部分飽和蒸汽和其他氣體在逃逸時，由于逃逸時間不足（克服水表面的張力需要時間），在水表面形成了氣泡堆積的現象，如圖3所示。這種現象即人們通常說的“虛假水位”，類似給啤酒瓶或汽水瓶突然開蓋減壓時發生的現象，此時看到的液面要比真實的液面“高”出一些。

圖3 鍋爐汽包“虛假水位”現象示意

2.2 氣泡堆積對液體靜壓的影響

a）只有輸出沒有輸入的有限空間。在圖3中，當視圓A為一個只有輸出沒有輸入的有限空間時，從物料平衡的角度來分析在A空間內存在的主要變量。很明顯，在A空間內存在著一個影響液位的主要變量，即蒸汽質量流量qm2。利用質量平衡方程，即汽包中介質質量變化＝原有介質質量－流出汽包的介質質量。圖中進入A空間的介質為零，隨著時間t的延續，負荷增大所導致的qm2的增大會導致汽包蒸發空間增加，汽包壓力降低，汽包內出現了水位上升的“虛假”現象，且空間內的介質會發生體積膨脹。此時介質的密度也會下降，由于沒有新鮮水的及時補充，空間內的介質被不斷蒸發，液位高度h將持續下降。由此得出結論，在只有輸出沒有輸入的有限空間，由于介質的減少，液體靜壓只會下降，不可能上升。

b）有輸出和輸入的有限空間。蒸發器的實際流程如圖4所示，圓B為一個有輸出、輸入環節的有限空間，從物料平衡的角度來分析在B空間內存在的主要變量。很明顯，在B空間內存在著兩個影響液位高度h變化的主要變量：蒸汽出口質量流量qm2和給水質量流量qm1。

由圖4可以看出：（在沒有任何人為及自動調節的干擾下）當qm2突然增加時，汽包內的壓力會突然減小。由于qm1在泵出口壓力基本保持恒定，從而導致給水壓力與汽包壓力的壓力差會突然增大，這時會有大量的新鮮除氧水涌入汽包內（由于液體是不可壓縮的），同時由于汽包壓力下降導致飽和溫度降低，液面下的水發生汽化，使液面下的汽水混合體體積增大，造成了水位的上升。隨時間t的延續，汽包內的汽體蒸發空間會減小，在蒸汽流出阻力相對恒定的情況下，汽包內的蒸發空間減小，壓力將較快回升，涌入汽包內的新鮮除氧水也隨之減少。由于進水量的逐漸減少，蒸汽輸出卻沒有改變，于是水位高度便出現了回落的現象。在沒有人為擾動（或自動調節的情況下）汽包內的水位總體將呈現短時間內上升，然后持續下降的現象，這就是人們通常測量到的結果。

因為汽包內液體的靜壓力與液位的高低成正比，所以得出結論：在圓B內的液體靜壓會出現短時間內突然增大，然后持續減小的現象。

c）鍋爐汽包水位動態特性。鍋爐汽包的假水位現象主要涉及汽包實際水位、qm2和qm1這三個主要變量，根據目前國內對鍋爐汽包水位動態特性和模型的研究［1－3］，建立蒸汽鍋爐的質量平衡方程，即：進汽包的介質質量－出汽包的介質質量＝汽包中介質質量的變化，并由此建立汽包水位的動態特性方程：

式中：h—汽包水位高度；qm1—進入汽包的給水質量流量；qm2—流出汽包的蒸汽質量流量；A—汽水分界面的面積；ρ1—汽包內飽和水的密度；ρ2—汽包內飽和蒸汽的密度；p—汽包內壓力；V1—汽包液面下飽和水的體積；V2—汽包內液面上的飽和蒸汽的體積（VS）與汽包液面下的蒸汽體積（VX）之和，即汽包中蒸汽的總體積V2＝VS＋VX。

圖4 蒸發器的實際流程示意

該模型假設汽包體積由VS和VX組成，且液面下只有飽和水和蒸汽（即暫不考慮或忽略高溫狀態下飽和水中含有極微量其他氣體對汽包水位的影響），即汽包系統總體積V＝V1＋V2＝V1＋（VS＋VX），密度ρ1和ρ2隨汽包內壓力的變化而變化。

綜上分析，式（7）中第一項反映了由于進出汽包介質質量（物料）不平衡所導致的汽包液位變化；第二項反映了由于壓力變化引起的飽和水與飽和蒸汽體積變化所導致的汽包液位變化；第三項反映了汽包液位下蒸汽體積變化所導致的汽包內液體體積變化。通過該模型可以判斷出汽包液位的變化與進出介質質量差為同向變化，與汽包壓力變化為反向。

由于蒸汽系統（如汽輪機）負荷增大，引起鍋爐流出蒸汽量增大，此時汽液平衡狀態被打破，導致汽包壓力下降，鍋爐給水量未進行調整，如式（7）中第一項qm1－qm2＜0，進出介質質量差由零減小為負值，這時將導致汽包液位下降。同時，由于汽包壓力下降會導致飽和溫度降低，液面下的水發生激烈汽化，使液面下的汽水混合體體積增大（即一定質量的水汽化后變成相同質量的蒸汽后體積變大），如式（7）中第三項dVX／Adt引起水位上升，并形成液面氣泡堆積的現象，正是兩種相反力量的共同作用決定了汽包液位的實際變化方向是先上升后下降（如對圖3的分析）。

由于蒸汽系統（如汽輪機）負荷增大，引起鍋爐流出蒸汽量增大，此時汽液平衡狀態被打破，導致汽包壓力下降。由于鍋爐給水壓力基本恒定，在一段時間內進出介質質量差由零增加為正值，如式（7）中qm1－qm2＞0，在這段時間內將有大量的新鮮水涌入汽包；同時，由于汽包壓力下降會導致飽和溫度降低，液面下的水發生激烈汽化，使液面下的汽水混合體體積增大（即一定質量的水，汽化后變成相同質量的蒸汽后體積變大，體積增大的量為式（7）中第二項與第三項的和），引起水位上升；同時形成液面氣泡堆積的現象。正是三種力量的共同作用決定了汽包液位的實際變化方向是先上升后下降（如對圖4的分析）。

由此，可以得出以下結論：汽包液位的變化是由以上三種力量共同作用導致的結果，水位變化有真實的質量變化，即涌入汽包內的新鮮水，也有虛假的非質量變化，即水的膨脹及氣泡堆積。

2.3 氣泡堆積對靜壓式測量儀表的影響

從表面上看，測量波動產生的原因是大量的氣泡堆積后又逐漸消失所致，時間上似乎也合理，堆積的氣泡對靜壓式測量儀表是否會產生實質性影響，通過以下分析將得出結論。

在有限空間內，液體h與qm1及qm2之間的連續方程式：

式（8）表述了在有限空間內液體儲存質量（h為液位高度）與qm1及qm2之間的關系。若t→∞，當qm1＞qm2時，h將上升，有限空間內液體儲存質量將增加；當qm1＜qm2時，h將下降，有限空間內液體儲存的質量將減少。

a）從質量上考慮，堆積在水面上的汽泡體積雖然很大，但質量很輕，其質量與汽包內水的質量相比微不足道。

b）這些汽泡的生成源于汽包中的水，而不是外來物質產生的，根據物質不滅定律，汽包中水的質量由于被大量蒸發而只會減小，不可能增加。

c）在有限空間內由于汽水混合導致液體體積膨脹，發生液位上升，一定會導致該液體的密度同時做指數下降。

結論：因為常規使用的靜壓式檢測儀表利用液體靜力學的原理進行液位檢測，所以檢測值的上升與物質體積的膨脹及氣泡堆積無關。

在非常規情況下，筆者就蒸汽負荷突增對靜壓式液位測量儀表的影響進行了數次實驗：

試驗1：在汽包水位穩定在50%時，將水位調節閥暫時關閉，將蒸汽體積流量由45%突變到50%，觀察玻璃板水位計及儀表的檢測情況。汽包壓力從3.5MPa瞬間跌至3.2MPa，汽包中的水位持續下降，經20s左右，水位從50%下降至35%左右。對照玻璃板水位計，水位測量儀表檢測準確無誤沒有發生振蕩現象。當打開上水調節閥時，水位測量出現了突然上升反彈約5%～8%，與玻璃板水位計的反應相一致。

試驗2：將水位調節閥放在手動位置，使其保持相對恒定的開度，汽包水位穩定在50%，當蒸汽體積流量由45%突變到50%，觀察玻璃板水位計及儀表的檢測情況。汽包壓力仍從3.5MPa瞬間跌至3.2MPa左右，qm1和汽包中的水位幾乎同時發生向上的波動，qm1變化6%～10%，汽包中的水位從50%突變到52%～56%，持續時間為7～15s，然后雙雙持續下降，經數秒之后qm1回到原來的數值左右，又經60s左右水位持續下降至35%左右，對照玻璃板水位計，水位測量儀表準確無誤，沒有發生檢測失誤的現象。

通過對兩種環境（圖3，圖4）實驗過程的觀察及數據的分析，汽包中出現氣泡堆積——即“虛假水位”現象后，不會導致靜壓式測量儀表出現測量失誤，檢測結果真實可靠，也與理論趨勢相吻合。

2.4 實際液位上升的原因分析

在鍋爐正常運行中，蒸汽系統負荷突增會導致汽包中的壓力突然下降。由于給水泵的出口壓力是恒定的，給水壓力與汽包壓力的差值比正常調節時大，造成單位時間內進入汽包水的質量比蒸發掉的水的質量要大得多，因而出現了短時間內實際水位不但沒有下降反而上升的現象。該現象是由給水壓力與汽包壓力的壓差增加和鍋爐蒸汽及給水系統的自衡特性所致，但持續時間較短，一般1～20s就基本結束了（視蒸汽負荷突變的幅度而定）。這個短時上升的測量趨勢，反映了汽包水位（質量）正常的變化，儀表的測量趨勢是準確無誤的，不存在“虛假”測量問題。

3 結 論

當鍋爐正常運行時，蒸汽系統負荷突然增加，汽包內的水位測量值（采用靜壓式測量）首先出現短時間內快速上升是因為短時間內涌入汽包內的大量新鮮水造成的；繼而很快持續下降（在沒有人為擾動或自動調節的情況下），是由于汽包壓力恢復后，阻礙了新鮮水的繼續涌入。這一檢測結果不是液體膨脹及氣泡堆積造成的，也不存在“虛假”測量的問題，而是真實地反映了汽包在正常運行中其水位與水汽系統的動特性，測量結果是準確無誤的。

［1］ 陳鴻偉，林阿彪，方月蘭，等.鍋爐汽包水位動態特性分析［J］.電站系統工程，2008，24（02）：21－22.

［2］ 劉鑫屏，田亮，劉吉臻.鍋爐汽包虛假水位特性研究［J］.中國電機工程學報，2009，29（32）：44－48.

［3］ 張玲芳，楊平，應啟戛.鍋爐汽包真實水位的軟測量［J］.上海電力學院學報，2009，25（01）：1－5.