鍋爐汽包水位測量方法研究

鳳建剛

（神華寧夏煤業集團煤炭化學品分公司烯烴公司 寧夏 靈武 750411）

0 引言

保持鍋爐汽包水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要的安全性指標。 由于負荷、燃燒工況及給水流量的變化，汽包水位會經常變化。 汽包水位過高會造成蒸汽帶水，受熱面結鹽，嚴重時會導致汽輪機水沖擊振動；水位過低會引起排污失效，影響水循環工況，嚴重時會導致爐管大面積爆破。 因此，鍋爐汽包水位測量系統是機組安全運行的極其重要的系統。

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

1 聯通管式水位計

聯通管式水位計結構簡單，顯示直觀。 它可以做成僅僅在就地顯示的云母水位計（包括便于觀察的雙色水位計），也可以采取一些遠傳措施，如在水位計中加電接點或用攝像頭等構成電極式水位計或工業電視水位計等。 但就原理來說，都屬于聯通管式測量原理。

1.1 雙色水位計

雙色水位計是基于聯通管式原理的水位計，輔以光學系統，利用光從空氣進入蒸汽或水產生不同的折射，使汽水界面顯示紅、綠兩色的分界面，顯示清晰，并可利用工業攝像系統的方式遠程顯示。 缺點是雙色水位計受光線干擾較大，太陽光、燈光都會使汽水界面不明晰，需要重新調校水位計控制電壓。

1.2 電極式測量

電極式測量也是基于連通管式原理的測量裝置，與普通雙色水位計不同之處在于筒內有一系列組成測量標尺的電極。 由于汽水電導率的很大差別，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。 利用多個電極即可判斷當前的水面位置。 階躍式顯示是電極式水位計的固有特性， 為了滿足運行監視要求，在常用監視段（±100mm）內電極設置密集些。 超出該范圍時，分辨力可適當降低些。 缺點是電極易受污染，可靠性不高，維護量大，需經常排污。

1.3 聯通管式測量原理和誤差

圖1 聯通管式水位計原理圖

聯通管式水位計是利用水位計中的水柱與汽包中的水柱在聯通管處有相等的靜壓力，從而可以用水位計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，其水位稱為重力水位。

聯通管式水位計的顯示水柱高度H′可按下式計算：

（1-1）式中，H——汽包實際水位高度

H′——水位計的顯示值

ρs——汽包內飽和蒸汽密度

ρw——汽包內飽和水密度

ρa——水位計測量管內水柱的平均密度

由于水位計管內的水柱溫度總是低于汽包內飽和水的溫度，因此，ρa總是大于ρw，水位計中的顯示值總是低于汽包內實際水位高度，它的示值偏差：

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

1.4 消除聯通管式水位計測量偏差的方法

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

目前，有一些水位計采用了汽包內飽和蒸汽給水位計測量管內的水加熱，并阻止其內的飽和水向外散熱，正是這個目的。

2 差壓式水位計

差壓式水位計是通過把水位的高度變化轉換成差壓的變化來測量水位的。因此，其測量儀表就是差壓計。差壓式水位計準確測量汽包水位的關鍵是水位與差壓之間的準確轉換，這種轉換是通過平衡容器形成參比水柱來實現的。 目前，國內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量汽包水位。 如圖2 所示。

圖2 水位-差壓轉換原理圖

正、負壓管輸出的壓差值ΔP 按下式計算：

或改寫成

式中，ρa——參比水柱（P+側水柱）的密度

ρw——汽包內飽和水密度

ρs——汽包內飽和蒸汽密度

H——汽包內實際水位

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，通過測量汽包壓力可以得到，而參比水柱中水的平均密度ρa通常是按50℃時水的密度來計算的，而實際的ρa具有很大的不確定性與50℃時水的密度相差很大是造成測量誤差的主要原因之一。

根據計算， 參比水柱平均溫度對水位測量的影響如表1所示。

表1 參比水柱平均溫度對水位測量的影響表（40℃為基準）

從表1 可知，如果參比水柱的設定溫度值為40℃，當其達到80℃時，其水位測量附加正誤差33.2mm；當參比水柱溫度達到130℃時，其水位測量附加正誤差高達108mm。

2.1 差壓式水位計誤差消除方法

采用單室平衡容器的差壓水位計測量誤差的補償

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

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

帶入（1-5）式，可得水位與汽包壓力及差壓之間的關系為：

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

根據（1-8）式設計的帶有汽包壓力校正的差壓式汽包水位測量系統方框圖，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量系統方框圖

汽包水位測量經汽包壓力校正后， 測量精度已得到提高，但是，上述補償計算的前提是假定正壓側參比水柱溫度恒定，而實際上由于上部受飽和蒸汽凝結水的加熱，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測量誤差

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

圖4

圖5

按照靜力學原理，對于雙室平衡容器（如圖4 所示）,當汽包水位在零水位H0時，差壓輸出ΔP0為：

當汽包偏離正常水位變化ΔH0時，平衡容器的差壓輸出ΔP 為：

如果通過改變雙室平衡容器結構，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）式設計的帶汽包壓力校正的差壓式汽包水位測量系統框圖如圖6 所示。

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

3 汽包水位的測量方法

目前，鍋爐汽包水位的測量主要采用基于聯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確判別汽包發生“假水位”時的真實水位位置的水位計，更沒有一種可以作為標準的基準鍋爐汽包水位計，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的準確性：

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

3.2 停爐后進入汽包內部觀察長期運行的汽水分界線水垢線，核對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，正常運行時運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采用，局限性很大。

4 結束語

隨著人們對水位計測量的深入研究，新的方式方法也隨之出現。 直接測量汽包水位的內置式電極水位計也已獲得國家專利，有望成為汽包水位測量的基準儀表在線校驗其它水位計。S

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