差壓液位計測量汽包液位誤差的原因及安裝要求

 

引言

火電項目中，鍋爐汽包液位是全廠非常重要的控制參數，液位過高會導致蒸汽帶水進入過熱器，并在過熱管內結垢影響傳熱效率; 液位過低又將破壞部分水冷壁的水循環引起水冷壁局部過熱而爆管。設計上，通常采用差壓式液位計和導波雷達液位計相結合來采集汽包液位遠傳信號。在開車調試及正常生產過程中，經常發現差壓液位變送器數據不準確，檢查取壓管也沒發現堵塞的現象。對于導致差壓液位計不準的原因，該文從測量原理和安裝方式上分析和探討差壓變送器誤讀數的原因，給出合理化的安裝建議。

 

1 液位計誤差的根本原因

由于水物理性質的復雜性，鍋爐汽包里水的密度是隨著溫度和汽包頂部蒸汽壓力的變化而不斷變化的。

以圖 1 為例，假設差壓變送器的安裝位置是在下管嘴附近，那么上管嘴引出來的這根引壓管，其豎直向下的豎管 L 里，水的溫度應該只是環境溫度。則豎直引壓管里水的密度，應該會比汽包里水的密度更 大。如果正常工況下鍋爐里水的密度是800 kg·m － 3，并且假設差壓變送器設置 2 m 高度時液位為 100% 輸出，則 2 m 高度 800 kg·m － 3的鍋爐水產生的差壓為 P = 800 × 2 × 9． 8，但由于豎直引壓管暴露在環境中，因此水溫接近環境溫度，則水的密度為 1000 kg·m － 3，那么，當實際水位達到 0． 8 ×2 = 1． 6 m時，差壓變送器已經輸出 20 mA。所以從分析得出，引壓管內介質溫度、壓力的變化是導致測得液位總是偏高的原因。

 

2 安裝要求

差壓式液位計的工作原理是在汽包水位取樣管上安裝平衡容器，利用液體靜力學原理使水位轉換成差壓，用引壓管將差壓信號送至差壓計，由差壓計顯示汽包液位?，F在常見的平衡容器有單室平衡容器、雙室平衡容器和帶蒸汽罩補償式平衡容器。中華人民共和國化工行業標準 HG /T 21581—2010 中tuijian使用單室平衡容器和雙室平衡容器兩種安裝方式。

 

2． 1 單室平衡容器原理

單室平衡容器結構簡單，如圖 1 所示，平衡容器水平管接汽包汽側取樣孔，底部垂直管接差壓液位計正壓端; 由汽包水側取樣孔引出的水平取樣管一端接差壓變送器負壓端，一端與汽包水側連通。運行中蒸汽不斷進入平衡容器并被冷卻，容器內液位高度保持恒定，多余凝結水經連通管回到汽包。

 

2． 2 雙室平衡容器原理

雙室平衡容器原理如圖 2 所示。

蒸汽在雙室平衡容器里冷凝，釋放出潛熱，使得雙室平衡容器里的溫度始終跟鍋爐汽包相差無幾，這樣不但使得基準杯始終滿盈，也使得基準杯下面這根豎直向下的引壓管管內水的溫度和密度，和鍋爐內水的溫度密度非常接近。雙室平衡容器底部有一根不保溫的管子接到鍋爐底部的下降管，平衡容器內的冷凝水由此不斷回流到鍋爐內。

 

2． 3 電站鍋爐汽包水位安裝要求

guojia電力公司在 2001 年的第 795 號文發布的《電站鍋爐汽包水位測量系統配置、安裝和使用若干規定》中對差壓式水位測量裝置的安裝有如下規定:

 

1) 差壓式水位測量裝置的平衡容器應為單室平衡容器，即直徑約 100 mm 的球體或球頭圓柱體( 容積為 300 ～ 800 ml) ，容器前汽水側取樣管可有連通管。

2) 安裝汽水側取樣管時，應保證管道的傾斜度不小于 100 ∶ 1，對于汽側取樣管應使取樣孔側低，對于水側取樣管應使取樣孔側高( 見圖 1) 。

 

3) 汽水側取樣管、取樣閥門和連通管均應良好保溫。平衡容器及容器下部形成參比水柱的管道不得保溫。引到差壓變送器的兩根管道應平行敷設共同保溫，并根據需要采取防凍措施。

 

guojia電力公司在組織專家對國內電站鍋爐汽包水位測量和水位保護運行調研后，明確汽包液位安裝使用單室平衡容器，分析原因主要是由于雙室平衡容器是保溫的，容器內又不斷的有蒸汽冷凝釋放出潛熱，這就導致基準杯和基準杯下面的那根豎直的取壓管里面的水溫度較高，非常接近即將汽化的溫度。當鍋爐的蒸汽負荷加大時，蒸汽被抽走，鍋爐內的壓力下降，基準杯和豎直取壓管內的水，有可能沸騰，變成蒸汽，這就給取壓測量帶來明顯的誤差。

 

3 液位測量的密度補償

通過上述對汽包液位產生誤差的原因分析及guojia電力公司具體的安裝要求，解決傳統汽包液位測量偏差應主要通過對汽包液位進行密度補償來達到。目前成熟的 DCS 系統組態過程中，利用折線表，在不同的飽和水密度和飽和蒸汽密度對應不同壓力條件下，對壓力進行自動補償。

 

Δ p = p + － p － = ( H – L + L1 ) ρw g + ( L –H) ρsg – L1 ρ0 g ( 1)

式中: H 為汽包液位，L 為平衡容器的測量量程，L1為平衡容器負壓管接口至水側取壓管的距離，ρ0為變送器引壓管內的冷凝水密度，ρw為汽包內飽和水密度，ρs為汽包內飽和蒸汽的密度，g 為常數。

 

可以看出，平衡容器內轉換的壓差不僅與 H 有關，還與 ρ0，ρw和 ρs有關。汽包內壓力的變化，會引起飽和水和飽和蒸汽密度的變化從而產生測量誤差。

 

根據《飽和水和飽和蒸汽的熱力學基本參數表》，DCS 組態中利用多段折線函數模塊，擬合不同壓力下飽和水和飽和蒸汽的密度變化曲線，代入式( 1)中，就能很好地實現平衡容器轉換的差壓 Δp 與水位H 的單位函數關系，從而準確地測量汽包液位。

 

4 結語

明確了在今后的電站鍋爐建設中差壓式液位計的平衡容器應選擇單室平衡容器，將汽包內不同壓力下的飽和水密度和飽和蒸汽密度引入 DCS 系統內，對差壓式液位計進行密度補償，就能精que得出實際的汽包液位，以避免發生嚴重的汽包缺水、滿水事故。