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1、雙室平衡容器汽包水位測量及其補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用雙室平衡容器汽包水位測量及其補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用摘要：本文以實(shí)踐為基礎(chǔ)，剖析了雙室平衡容器的工作原理與特性。重點(diǎn)論述了補(bǔ)償系統(tǒng)的建立方法與步驟，同時(shí)指出了應(yīng)用中的常見錯(cuò)誤并提出了解決方案。1.摘要摘要本文以實(shí)踐為基礎(chǔ)，剖析了雙室平衡容器的工作原理與特性。重點(diǎn)論述了補(bǔ)償系統(tǒng)的建立方法與步驟，同時(shí)指出了應(yīng)用中的常見錯(cuò)誤并提出了解決方案。2.前言前言汽包水位是鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，雙室平衡容器在其中充當(dāng)著不可或缺的重要角色。但是由于一些用戶對于雙室平衡容器及其測量補(bǔ)等方面缺少全面的必要的了解或者疏漏，致使應(yīng)用中時(shí)有錯(cuò)誤發(fā)生，甚至形成安全隱患。例如勝利

2、油田勝利發(fā)電廠一期工程，該工程投入運(yùn)行早期其汽包水位測量系統(tǒng)的誤差竟達(dá) 7090mm，特殊情況下誤差將會更大（曾因此造成汽包滿水停機(jī)事故）。迄今為止，據(jù)不完全了解，目前仍有個(gè)別用戶存在一些類似的問題或者其它問題。汽包水位是涉及機(jī)組安全與和運(yùn)行的重要參數(shù)和指標(biāo)，因此不允許任何人為的誤差。為使用戶能夠更好地掌握雙室平衡容器在汽包水位測量中的應(yīng)用，謹(jǐn)撰此文。不足之處，請不吝指正。3 雙室平衡容器的工作原理雙室平衡容器的工作原理3.1.簡介簡介雙室平衡容器是一種結(jié)構(gòu)巧妙，具有一定自我補(bǔ)償能力的汽包水位測量裝置。它的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。在基準(zhǔn)杯的上方有一個(gè)圓環(huán)形漏斗結(jié)構(gòu)將整個(gè)雙室平衡容器分隔成上下兩個(gè)部

3、分，為了區(qū)別于單室平衡容器，故稱為雙室平衡容器。為便于介紹，這里結(jié)合各主要部分的功能特點(diǎn)，將它們分別命名為凝汽室、基準(zhǔn)杯、溢流室和連通器，另外文中把雙室平衡容器汽包水位測量裝置簡稱為容器。3.2.凝汽室凝汽室 理想狀態(tài)下，來自汽包的飽和水蒸汽經(jīng)過這里時(shí)釋放掉汽化潛熱，形成飽和的凝結(jié)水供給基準(zhǔn)杯及后續(xù)環(huán)節(jié)使用。3.3.基準(zhǔn)杯基準(zhǔn)杯 它的作用是收集來自凝汽室的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水產(chǎn)生的壓力導(dǎo)出容器，傳向差壓測量儀表差壓變送器（后文簡稱變送器）的正壓側(cè)。基準(zhǔn)杯的容積是有限的，當(dāng)凝結(jié)水充滿后則溢出流向溢流室。由于基準(zhǔn)杯的杯口高度是固定的，故而稱為基準(zhǔn)杯。3.4.溢流室溢流室 溢流室占據(jù)了容器的大部分空間

4、，它的主要功能是收集基準(zhǔn)杯溢出的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水排入鍋爐下降管，在流動(dòng)過程中為整個(gè)容器進(jìn)行加熱和蓄熱，確保與汽包中的溫度達(dá)到一致。正常情況下，由于鍋爐下降管中流體的動(dòng)力作用，溢流室中基本上沒有積水或少量的積水。3.5.連通器連通器 倒 T 字形連通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入變送器的負(fù)壓側(cè)。毋庸置疑，它的主要作用是將汽包中動(dòng)態(tài)的水位產(chǎn)生的壓力傳遞給變送器的負(fù)壓側(cè)，與正壓側(cè)的（基準(zhǔn)）壓力比較以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒 T 字形，是因?yàn)榭梢员ＷC連通器中的介質(zhì)具有一定的流動(dòng)性，防止其延伸到汽包之間的管線冬季發(fā)生凍結(jié)。連通器內(nèi)部介質(zhì)的溫度與汽包中的溫度很可能不一致，致使其中的液位

5、與汽包中不同，但是由于流體的自平衡作用，對使汽包水位測量沒有任何影響。3.6.差壓的差壓的計(jì)算計(jì)算通過前面的介紹可以知道，凝汽室、基準(zhǔn)杯及其底部位于容器內(nèi)部的導(dǎo)壓管中的介質(zhì)溫度與汽包中的介質(zhì)溫度是相等的，即 w=w，s=s。故而不難得到容器所輸出的差壓。本文以東方鍋爐廠 DG670-13.73-8A 型鍋爐所采用的測量范圍為300mm 雙室平衡容器為例加以介紹（如圖1所示）。通過圖1可知，容器正壓側(cè)輸出的壓力等于基準(zhǔn)杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準(zhǔn)杯口至 L 形導(dǎo)壓管的水平軸線之間這段垂直區(qū)間的凝結(jié)水壓力，再加上 L 形導(dǎo)壓管的水平軸線至連通器水平軸線之間，位于容器的外部的這段垂直管段中

6、的介質(zhì)產(chǎn)生的壓力。顯而易見，其中的最后部分壓力，由于其中的介質(zhì)為靜止的且距容器較遠(yuǎn)，因此其中的介質(zhì)密度應(yīng)為環(huán)境溫度下的密度。因此P+=PJ+320 w+(580320)c式中 P+容器正壓側(cè)輸出的壓力 w 容器中的介質(zhì)密度（w=w）c 環(huán)境溫度下水的密度PJ 基準(zhǔn)杯口以上總的靜壓力負(fù)壓側(cè)的壓力等于基準(zhǔn)杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準(zhǔn)杯口水平面至汽包中汽水分界面之間的飽和水蒸汽產(chǎn)生的壓力，再加上汽包中汽水分界面至連通器水平軸線之間飽和水產(chǎn)生的壓力，即P=PJ+(580hw)s+hww式中 P 容器負(fù)壓側(cè)輸出的壓力hw 汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度 s 汽包中飽和水蒸汽的密度

7、因此差壓P=P+P=320 w+260 c(580hw)shww即 P=260 c+320 w580 s(w s)hw （1）這里有一點(diǎn)需要說明，(1)式中環(huán)境溫度下水的密度 c，通常情況下它會隨著季節(jié)的變化而變化，它的變化將會影響汽包水位測量的準(zhǔn)確性。就本例中的容器而言，當(dāng)環(huán)境溫度由25升高到50時(shí)，由于密度的變化對于差壓產(chǎn)生的影響為2.3mm 水柱，經(jīng)過補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償后對最終得到的汽包水位的影響將為+2.35.5mm 之間。通常情況下這樣的誤差是可以忽略的，也就是說可以認(rèn)為這里的溫度是恒定的。但是為了盡量減小誤差，必須恰當(dāng)?shù)卮_定這里的溫度。確定溫度可以遵循這樣一條原則，就高不就低，視當(dāng)?shù)貧夂?/p>

8、及冬季伴熱等因素確定。比如此處的環(huán)境溫度一年當(dāng)中通常在050之間變化，平均溫度為25，則可以令這里的溫度為35。這是因?yàn)樗拿芏入S著溫度升高它的變化梯度越來越大，確定的溫度高些，將會使環(huán)境溫度變化對整個(gè)系統(tǒng)的影響更小。就本例中的容器而言，當(dāng)溫度從0升高到25時(shí)，溫度的變化對測量系統(tǒng)的最終結(jié)果影響只有1mm 左右，而環(huán)境溫度從25升高到50所帶來的影響卻為+2.35.5mm 之間。故而，確定溫度應(yīng)就高不就低。4.雙室平衡容器的工作特性雙室平衡容器的工作特性容器的工作特性對于汽包水位測量和補(bǔ)償系統(tǒng)來說非常重要，了解這種特性利于用戶的應(yīng)用和掌握應(yīng)用中的技巧。查飽和水與飽和水蒸汽密度表可以獲得各種壓力

9、下飽和水與飽和水蒸汽的密度。把0、50、100mm 等汽包水位分別代入（1）式，可得到容器輸出的一系列差壓，見下表1雙室平衡容器固有補(bǔ)償特性參照表。通過表1可以得知雙室平衡容器的工作特性。從表1中可以看到，各水位所對應(yīng)的由容器所輸出的差壓隨著壓力的變化（相關(guān)飽和汽、水密度）各自發(fā)生著不同的變化。這里首先注意0水位所對應(yīng)的差壓，它的變化規(guī)律較其它水位有明顯不同，只在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。由于該容器的設(shè)計(jì)壓力為13.73MPa，因此14.5MPa 以下它的波動(dòng)范圍更小，僅在5mm 水柱以內(nèi)。也就是說當(dāng)汽包中的水位為0水位時(shí)，無論壓力如何變化，即使在沒有補(bǔ)償系統(tǒng)的情況下，對0水位測量影響都極小或者基

10、本沒有影響。關(guān)于其它水位，則當(dāng)汽包水位越接近于0水位，其對應(yīng)的差壓受壓力的變化影響越小，反之則大。因此，雙室平衡容器是一種具有一定的自我補(bǔ)償能力的汽包水位測量裝置。它的這種能力主要體現(xiàn)在，當(dāng)汽包中的水位越接近于0水位，其輸出的差壓受壓力變化的影響越小，即對汽包水位測量的影響越小。毫無疑問，容器特性由于容器的自身結(jié)構(gòu)決定的，故又稱為固有補(bǔ)償特性。表1中，0MPa 對應(yīng)兩行差壓值，其原因后文將會提到。之所以雙室平衡容器會有這種特性其實(shí)質(zhì)，是由于雙室平衡容器在設(shè)計(jì)制造時(shí)采取了特殊的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大限度地削弱了汽水密度變化對常規(guī)運(yùn)行水位差壓的影響。但是盡管如此，它并不能完全滿足生產(chǎn)的需要，仍然需要繼

11、續(xù)補(bǔ)償。5.補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償系統(tǒng)5.1.基礎(chǔ)知識與基本概念基礎(chǔ)知識與基本概念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。究其原因，是由于介質(zhì)密度的變化所造成的。因此，必須要采取一定的措施，進(jìn)一步消除密度變化對汽包水位測量的影響。這種被用來消除密度變化帶來的影響的措施就叫做補(bǔ)償。通過補(bǔ)償以準(zhǔn)確地測定汽包中的水位。汽包水位測量補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍǔＳ袃煞N，一種是壓力補(bǔ)償，另一種是溫度補(bǔ)償，無論采取哪種方法補(bǔ)償效果都一樣。但是它們之間略有區(qū)別，即溫度補(bǔ)償可以從0開始，而壓力補(bǔ)償只能從100開始。這是因?yàn)闇囟瓤梢砸灰粚?yīng)飽和密度以及100以下時(shí)的非飽和密度，而壓力卻只能一一對應(yīng)飽和密度，即最低壓力

12、0MPa 只能對應(yīng)100時(shí)的飽和密度。故而由這兩種方法構(gòu)成的補(bǔ)償系統(tǒng)各自對應(yīng)的補(bǔ)償起始點(diǎn)有所不同，即差壓變送器量程有所不同。表1中0MPa 對應(yīng)兩行差壓值，其原因即在于此；其中上一行對應(yīng)的是溫度補(bǔ)償，下一行對應(yīng)壓力補(bǔ)償。很顯然，溫度補(bǔ)償也可以從100開始。5.2.建立補(bǔ)償系統(tǒng)的步驟建立補(bǔ)償系統(tǒng)的步驟 第一步 確定雙室平衡容器的0水位位置容器的0水位的位置一般情況下比較容易確定，通過查閱鍋爐制造廠家有關(guān)汽包（學(xué)名鍋筒）及附件方面的圖紙和資料，進(jìn)行比較和計(jì)算即可獲得。文中例舉的容器0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm 處，即基準(zhǔn)杯口水所在的平面下方215mm 處。但是，偶爾由于圖紙的疏漏缺

13、少與確定0水位相關(guān)的數(shù)據(jù)，無法計(jì)算出0水位的位置，那么確定起來就比較復(fù)雜。如圖1中就缺少數(shù)據(jù)。這種情況下就只有根據(jù)容器的自我補(bǔ)償特性在0水位所體現(xiàn)的特點(diǎn)通過反復(fù)驗(yàn)算來獲得。由于容器本身就是用這樣的方法經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算而設(shè)計(jì)制造的，只要驗(yàn)算的方法正確通過驗(yàn)算得到的數(shù)據(jù)會很準(zhǔn)確可靠，當(dāng)然這只限于圖紙不詳?shù)那闆r下。由于限于篇幅，這里只提供思路，具體的驗(yàn)算的方法本文不予介紹。對此感興趣的讀者可以試一試。第二步 確定差壓變送器的量程差壓變送器的量程是由汽包水位的測量范圍、容器的0水位位置以及補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償起始點(diǎn)等三方面因素決定的。一些用戶一般只考慮了前兩方面因素，而忽略了補(bǔ)償起始點(diǎn)因素，甚至極個(gè)別的用戶只簡單

14、地根據(jù)汽包水位的測量范圍確定變送器的量程，造成很大的測量誤差。一般情況下，忽略容器的0水位位置所造成的誤差在7090mm 之間，忽略補(bǔ)償起始點(diǎn)所產(chǎn)生的誤差在30mm 以下，特別情況下誤差都將會更大。此外，這里特別提醒用戶，在進(jìn)行汽包水位測量工作時(shí)，關(guān)于變送器的量程，在沒有得到確認(rèn)的情況下，切不可單純依賴設(shè)計(jì)部門的圖紙。事實(shí)上，多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)部門在進(jìn)行此類設(shè)計(jì)，對變送器選型時(shí)，只確定基本量程，而不給出應(yīng)用量程。下面來確定變送器的量程。本文的例子中容器的0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm 處。由于該容器的量程為300mm，因此（1）式中的 hw 的最大值和最小值分別為665mm 和65

15、mm。如果采用壓力補(bǔ)償，從飽和水與飽和水蒸汽密度表中查出100時(shí)的飽和水與飽和水蒸汽的密度代入（1）式，再分別將665mm 和65mm 代入（1）式，即得最小差壓Pmin=70.5mm 水柱和最大差壓Pmax=504mm 水柱這兩個(gè)差壓值就是變送器的量程范圍（見表1中0MPa 對應(yīng)的下行），即70.5504mm 水柱。如果采用溫度補(bǔ)償，且從0開始補(bǔ)償，則由于水的密度極其接近1mg/mm3，誤差可以忽略，令蒸汽的密度為0。用同樣方法即可得到變送器的量程為85515mm 水柱（見表1中0MPa 對應(yīng)的上行）。實(shí)際上，從0開始補(bǔ)償是完全沒有必要的，其原因這里無需遨述。第三步 確定數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是補(bǔ)

16、償系統(tǒng)中的最重要環(huán)節(jié)。由（1）式得（4）式為最終的數(shù)學(xué)模型。顯然，它與（3）式的作用完全一樣。在補(bǔ)償系統(tǒng)中可以任選其一。第四步 確定函數(shù)、完成系統(tǒng)在（3）式和（4）式中含都有“320 w580 s”和“w s”關(guān)于飽和水與飽和水蒸汽密度的兩個(gè)子式。查飽和水與飽和水蒸汽密度表，可以獲得這兩個(gè)子式關(guān)于壓力或溫度的函數(shù)曲線。將所得到的曲線以及（3）式或者（4）式輸入用以執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)硬件設(shè)備，補(bǔ)償系統(tǒng)即告完成。從補(bǔ)償系統(tǒng)的建立過程可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償系統(tǒng)是根據(jù)某一特定構(gòu)造的容器而建立的。因此，建立補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的容器，建立不同的補(bǔ)償系統(tǒng)。建立補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)確定差壓的計(jì)算公式以后，只需重復(fù)這里的步驟即可

17、得到新的汽包水位測量補(bǔ)償系統(tǒng)。6.關(guān)于容器保溫問題的釋疑關(guān)于容器保溫問題的釋疑 眾所周知，為了使容器達(dá)到理想工作狀態(tài)，容器的外部必須作以適當(dāng)?shù)谋?。然而，關(guān)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(rèn)為這里的保溫可有可無。筆者在這里闡述一下個(gè)人的觀點(diǎn)。筆者通過多年觀察發(fā)現(xiàn),在這里沒有保溫的情況下，冬季由儀表顯示的汽包水位會比夏季低將近10mm。分析原因，是因?yàn)橐话闱闆r下凝汽室的溫度都要比環(huán)境高300左右，甚至更高，因此它的熱輻射能力很強(qiáng)。當(dāng)凝汽室外部沒有保溫或者保溫條件比較差時(shí)，盡管凝結(jié)水的速度會加快并導(dǎo)致更多的飽和水蒸汽流到這里補(bǔ)充這里的熱量，但是由于這里的介質(zhì)處于自然對流狀態(tài)且受到管路等的阻力的制約，使補(bǔ)充的熱量難以維持這里的溫度，進(jìn)而影響了測量的準(zhǔn)確性。對于額定工作壓力為13.73MPa 的鍋爐而言，如果冬季由儀表顯示的汽包水位比真實(shí)水位低10mm，將意味著容器內(nèi)部的溫度比飽和溫度低7左右。所以，為確保其包水位測量的準(zhǔn)確性，這里必須加以適當(dāng)?shù)谋?。筆者以為，這里的保溫以保溫層的外層溫度不超過120為佳。