冶金鍋爐常用汽包液位計類型及應用

李艷利 杜華偉 何瑞鳳

作者通聯(lián)：河南豫光金鉛股份有限公司動力設備部 河南濟源市荊梁南街1號 454650

E-mail：lyl06@126.com

鍋爐汽包液位計是鍋爐的重要附屬設備，汽包液位過高會直接影響汽水分離效果，容易造成過熱器和汽輪機通流部分結垢，引起過熱器爆管，機組熱效率降低。因鍋爐里的水在高溫時汽化，水和汽損耗較大，要不斷地補充水，才能使鍋爐的水位保持一定高度，當水位高到一定程度，蒸汽就會帶水，可能引起破壞性事故。水位過低，鍋爐有爆炸的危險。汽包液位計在實際運行中存在諸多因素，屬于儀表中比較難處理的一類。

1.雙室平衡容器

（1）簡介。雙室平衡容器是中、高壓鍋爐常用的差壓式液位計，一般資料均有簡要介紹及分析，但由于雙室平衡容器對應用技術要求相對較高，很多人仍無法正常使用雙室平衡容器，甚至將雙室改單室使用，造成資源浪費。

目前雙室平衡容器仍以其無法比擬的準確性和良好的適應性，在中、高壓鍋爐水位控制中，仍作為首選的水位輸入信號。對此，在《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》第8.3條中就明確規(guī)定：對于過熱器出口壓力為13.5MPa及以上的鍋爐，其汽包水位計應以差壓式(帶壓力修正回路)水位計為基準。汽包水位信號應采用三選中值的方式進行優(yōu)選。

（2）雙室平衡容器特性。雙室平衡容器是內(nèi)部結構復雜、具有一定自我補償能力的汽包水位測量裝置，結構見圖1所示。在基準杯上方的圓環(huán)形漏斗結構，將整個雙室平衡容器分隔成上下兩個部分，故稱為雙室平衡容器。

參照圖1，在理想狀態(tài)下，來自汽包的飽和水蒸汽經(jīng)過凝汽室時釋放掉汽化潛熱，形成飽和的凝結水供給基準杯及后續(xù)環(huán)節(jié)使用。基準杯的作用是收集來自凝汽室的凝結水，并將凝結水產(chǎn)生的壓力導出容器，傳向差壓測量儀表（差壓變送器，簡稱變送器）的正壓側。基準杯的容積有限，當凝結水充滿后則溢出流向溢流室。由于基準杯的杯口高度固定，故而稱為基準杯。

圖1

溢流室占據(jù)了容器的大部分空間，主要功能是收集基準杯溢出的凝結水，并將凝結水排入鍋爐下降管，在流動過程中為整個容器進行加熱和蓄熱，確保與汽包中的溫度達到一致。正常情況下，由于鍋爐下降管中流體的動力作用，溢流室中基本上沒有積水或只有少量積水。

倒T字形連通器，其水平部分一端接汽包，另一端接入變送器的負壓側，作用是將汽包中動態(tài)水位產(chǎn)生的壓力，傳遞給變送器的負壓側，與正壓側的（基準）壓力比較，以得知汽包中的水位。之所以被做成倒T字形，是因為可以保證連通器中的介質具有一定的流動性，防止其延伸到汽包之間的管線冬季凍結。連通器內(nèi)部介質溫度與汽包中的溫度很可能不一致，致使其中的液位與汽包中不同，但由于流體的自平衡作用，對汽包水位測量沒有任何影響。

（3）雙室平衡容器的補償特性。汽包水位測量補償方法通常有兩種，一種是壓力補償，另一種是溫度補償。兩種方法但略有區(qū)別，溫度補償可以從0℃開始（也可以從100℃開始），而壓力補償只能從100℃開始。這是因為溫度可以一一對應飽和密度以及100℃以下時的非飽和密度，而壓力卻只能一一對應飽和密度，即最低壓力0時，只能對應100℃時的飽和密度，故兩種方法構成的補償系統(tǒng)，各自對應的補償起始點不同，即差壓變送器量程有所不同。

從容器的特性中可以看到，雙室平衡容器不能完全滿足生產(chǎn)的需要，原因是由于介質密度的變化所造成的。因此必須采取措施，進一步消除密度變化對汽包水位測量的影響，這種用來消除密度變化帶來影響的措施就叫做補償。

（4）雙室容器保溫問題。為了使容器達到理想工作狀態(tài)，容器的外部必須做適當保溫。關于容器的凝汽室及頂部的保溫問題目前有些爭議，部分用戶認為這里的保溫可有可無，還有可能造成冷凝效果不好。但通過多年觀察發(fā)現(xiàn)，一般汽包均處于最頂層，特別是北方，冬季極容易上凍并出現(xiàn)假水位，即使不凍，由儀表顯示的汽包水位，冬季會比夏季低8～12mm。分析原因，是因為一般情況下凝汽室的溫度都要比環(huán)境高280～320℃，甚至更高，因此其熱輻射能力很強。當凝汽室外部沒有保溫或保溫條件比較差時，盡管凝結水的速度會加快并導致更多的飽和水蒸汽流到凝汽室并補充凝汽室的熱量，但由于凝汽室里的介質處于自然對流狀態(tài)且受到管路阻力的制約，使補充的熱量難以維持凝汽室的溫度，進而影響了測量的準確性。

對于額定工作壓力為16MPa的鍋爐而言，如果儀表冬季顯示的汽包水位比真實水位低8～12mm，將意味著容器內(nèi)部的溫度比飽和溫度低7℃。所以，為確保汽包水位測量的準確性，凝汽室必須加以適當保溫。但夏天務必將保溫取消，否則極易造成汽室冷凝水不夠，引起誤差。

（5）雙室平衡容器差壓式液位測量方式的缺陷。①不能實施全工況測量，存在假水位測量，在鍋爐啟停、排空、連排、事故等不穩(wěn)定運行工況下，建立穩(wěn)定差壓條件時間較長、恢復時間較長或干脆不能建立正常差壓，需要人工干預。②在穩(wěn)定工況條件下，由于結構限制，不能徹底解決因水側絕溫造成的系統(tǒng)測量誤差的補償問題。在鍋爐缺、滿水等事故工況條件下，系統(tǒng)測量誤差過大可能帶來嚴重后果。③結構復雜，靜密封點多，施工規(guī)模大并存在冬季保溫問題。④測量時滯較長，不能即時反應鍋爐水位變化，測量信號調(diào)節(jié)質量差。⑤儀表需要定期排污，且排污后恢復時間較長。由于儀表工作在高靜壓、小量程的條件下，所以負壓管的微小不平衡壓差均會對測量結果產(chǎn)生較大的誤差。⑥由于存在冷凝筒放熱，使用成本極高。

2.雙色液位計

（1）雙色液位計，主要用于鍋爐設備現(xiàn)場液位測量與控制。選用優(yōu)質不銹鋼及進口電子元件制造，顯示部位采用高亮度LED雙色發(fā)光管，組成柱狀顯示屏，通過LED光柱的紅綠變化來檢測所測液位的高低；顯示亮度高，可視距離遠，標尺清晰，顯示角度大，產(chǎn)品更具系列化，智能化。全過程測量防雨防雷，防腐防爆，可耐高溫、高壓，高密封、防泄漏、無盲區(qū)，顯示醒目，讀數(shù)直觀，且測量范圍磊，適用于各種塔、罐、槽球形容器及鍋爐等設備的介質液位測量。選配限位開關，可實現(xiàn)液位上、下限報警和控制；選 配液位變送器，可將液位信號轉換成直流4～20mA模擬未準信號，實現(xiàn)遠距離檢測、指示、記錄與控制，亦可與計算機系統(tǒng)直接通信。

（2）雙色液位計原理該類型的儀表都有一個容納浮球的腔體（稱為主體管或外殼），腔體通過法蘭或其他接口與容器組成一個連通器。儀表腔體內(nèi)的液面與容器內(nèi)的液面是相同的高度，所以腔體內(nèi)的浮球會隨著容器內(nèi)液面的升降而升降，此時并不能看到液位，所以在腔體外面裝一個翻柱顯示器，因為制造浮球時，在浮球沉入液體與浮出部分的交界處安裝了磁鋼，與浮球隨液面升降時，其磁性透過外殼傳遞給翻柱顯示器，推動磁翻柱翻轉180°。由于磁翻柱是由紅、白兩個半圓柱合成的圓柱體，所以翻轉180°后，朝向翻柱顯示器外的會改變顏色（液面以下紅色、以上白色），兩色交界處即是液面的高度。

（3）為擴大使用范圍，可根據(jù)相關標準及要求增加液位變送裝置，以輸出多種電信號（如電阻信號、電壓信號或電流信號）。其中4～20mA電流信號是比較常用的一種。比如在監(jiān)測液位的同時，磁控開關信號可用于對液位進行控制或報警；在翻柱液位計的基礎上增加 4～20mA變送傳感器，在現(xiàn)場監(jiān)測液位的同時，將液位的變化通過變送傳感器、線纜及儀表傳到控制室，實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。

（4）安裝方式。垂直安裝，跟隨速度≤0.08m/s，浮子材料可選304、PTFE/304外村PTFE、鋁、鈦LED顯示器，可選低亮型，高亮型，霧狀散光型三種，主導管材料可選304、1Cr18Ni9Ti、316L、304內(nèi)襯 PTFE、鈦、PP 或 PTFE（聚四氟乙烯），可根據(jù)不同使用地點斟酌。

（5）雙色液位計可結合工業(yè)電視輔助。設計簡單、緊湊、堅固可靠壽命長。無維護工作量，能長年在戶內(nèi)外安裝使用。遠傳一體化結構，使工業(yè)自動化管理變得輕松方便。電子發(fā)光雙色顯示，適宜在光線暗的場所中應用，夜間觀察更醒目。目前有廠家采用獨特的進口霧狀散光型LED發(fā)光管，顯示效果穿透性強、清晰不刺眼，供工業(yè)攝像頭遠程清晰監(jiān)控。還可選配直流4～20mA液位變送器，實現(xiàn)遠距離集中測量與控制。

（6）缺點。工業(yè)電視輔助測量系統(tǒng)是由石英管液位計、攝像頭和顯示器組成，其本身就需要人工參與及受現(xiàn)場環(huán)境影響（如反吹）等。鍋爐運行時看不見真實液位，所見的液位一定是假液位。這是為防止石英體受氣蝕而采取的降溫措施造成的內(nèi)外容器液體密度差形成的，誤差達可視結果的25%。

3.彩色石英管液位計（以下簡稱彩色液位計）

彩色液位計是利用自然光在液體中的折、反射原理，測量時借助紅、綠片，使液相顯示綠色，氣相顯示為紅色。由于液氣相顯示反差大，指示鮮明清晰，所以對遠距離操作和夜巡視更為有利。如果帶LED光源則顯示會更清晰，因此廣泛用于石油、化工、電力、冶金等行業(yè)的各種透明液體容器和鍋爐上，如水、汽油、液化氣、液氨、丙烷、丙烯、芳烴、酸等油品和化工原料的液位測量。

對于兩種不同介質密度的界面測量，可選用三色界面石英管液位計。三色界面石英管液位計是利用浮力與比重差的原理而設計的，石英管中的小浮子懸浮于兩種介質的分界部分，由于浮子呈黑色，上下部分液體顏色有異，所以顯示醒目，從而解決了一直困擾在石油化工生產(chǎn)過程中兩種混合介質界面分辨不清的難題，是目前國內(nèi)外最理想的直讀式液位計。

根據(jù)《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》第156條規(guī)定，鍋爐遠程控制水位計必須有兩個獨立的同時運行中必須保證一個直讀水位計正常工作。可見直讀式水位計在汽包液位中占據(jù)相當重要的位置。

UGS（UNS）系列彩色石英管液位計，它成功地克服了普通板式液位計笨重、密封面積大、易滲漏、顯示不清晰、近距離不易判斷的缺點。液、氣相顯示清晰、無盲區(qū)、密封性能好、耐高溫耐高壓、防黏稠、重量輕、壽命長且無泄漏。結構簡單，安裝維護方便，無需電源、防爆。材料是特制的99.99%SiO2透明石英管，變形點在1077℃，軟化點1730℃，膨脹系統(tǒng)數(shù)5.5×10-7。經(jīng)特殊工藝處理后具有耐高溫、高壓和優(yōu)良的機械特性。

因汽包壓力或水溫過高或水質問題，對石英管有一定腐蝕性，另外石英管液位計制作廠家較多，質量不一，根據(jù)多年經(jīng)驗，石英管液位計會出現(xiàn)石英管爆裂，使用一定時間后石英管模糊不清的問題。

4.云母水位計

云母水位計是玻璃水位計的一種，屬于直讀式液位計。因云母是晶體結構的，所以其受熱很均勻，不容易損壞。云母水位計直接與汽包連通，不需要媒介和傳遞，可直觀可靠地指示汽包水位。啟動初期應以云母水位計和電接點水位計為準，控制汽包水位。電接點水位計是根據(jù)汽和水導電率不同的原理測量水位，指示值不受汽包壓力變化影響。而其他水位計，如差壓型低置水位計，由“水位、差壓”轉換裝置等組成，轉換裝置包括熱套管、正壓室、漏斗傳壓管等，在啟動初期由于正壓室還未充滿飽和水時，就不能正確反應汽包內(nèi)水位。

（1）工作原理。玻璃液位的上端通過閥門與被測容器中的氣相連接，下端經(jīng)閥門與被測容器中液相連接。按照連通器液柱靜壓平衡的原理，只要被測容器內(nèi)和玻璃管內(nèi)液體的溫度相同，兩邊的液柱高度必然相等。若兩側介質溫度不同，可按式（1）進行修正。

式中 H—容器內(nèi)液位高度

h—液位計讀數(shù)

p＇—液位計中介質在溫度t＇時的密度

p—容器中介質在溫度t時的密度

（2）云母水位計的使用。玻璃管(板)一旦被打碎時，為保證上、下閥內(nèi)的小鋼球能自動密封，要求介質壓力必須＞2×105Pa。液位計投入使用時，先開啟連接液位計上端的閥門，后開啟連接液相的閥門。當設備停止運行時，要先停止液位計的使用。定期清洗玻璃管(板)內(nèi)外壁污垢.使液位顯示清晰。用根據(jù)被測介質的壓力和溫度合理選用液位計，不得把低壓產(chǎn)品用在高壓設備上。當以液位指示值來計算大容器內(nèi)的介質數(shù)量時，應考慮到介質溫度，壓力等影響及容器形狀不規(guī)則而引起的誤差。

云母水位計結構簡單、使用方便、價格便宜，可以自制，在液位測量中得到廣泛應用。缺點是玻璃強度低，液位信號不能遠傳和記錄，而且不適用于黏稠及深色介質的液位測量。

5.電接點水位計

電接點液位計由多個電極按不同高度排列構成，當水位達到（或低于）某個電極時，電極間的導電率發(fā)生改變，從而檢出水位是否達到這個電極所在的位置。多個電極組合就構成電接點液位計，特點是逐點指示液位，各點互不關聯(lián)，壞掉幾個點不影響其他點的顯示，可靠性極高。所以在顯示、報警、聯(lián)鎖保護回路中經(jīng)常用到，在大型鍋爐中是必備設備。

缺點是分段顯示，沒有精度可言，損壞率極高，由于電極在水中腐蝕或結垢，一般半年左右就必須更換。存在假水位和誤報警的現(xiàn)象，鍋爐中的水經(jīng)常處于翻滾狀態(tài)，水汽混合物對電接點式水位計形成誤顯示和誤報警現(xiàn)象。密封點多、導線多，維護工作量大。這些缺點都是其測量原理本身存在的先天不足，無法改進，不適宜做液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。