锅炉汽包水位的原理分析

锅炉汽包水位的原理分析

0 引言

汽包水位计是现代火电厂最重要的监视仪表之一，其测量准确与否对生产过程影响很大。汽包水位过高，降低了汽包内汽水分离器的分离效果，使供出的饱和蒸汽携带水分过多，含盐量也增多。由于蒸汽湿度大，过热蒸汽过热度降低，这不但降低了机组出力，而且容易造成汽机末几级叶片的水冲击，造成轴向推力过大使推力轴承磨损；含盐量过多，使过热器和汽机流通部分结垢，使机组出力不足且易使受热面过热而造成爆管。汽包水位过低，则破坏了锅炉的汽水自然循环，致使水冷壁管被烧坏，严重缺水时还会发生爆管等事故。所以准确测出汽包内水位，以提高机组的安全性是技术人员重点关注的问题[1]。

1 几种水位测量仪表的应用介绍

1.1 双色水位计

双色水位计采用连通器原理制成，通过光学原理中水汽两种介质的折射率不同而显示出锅炉水汽颜色的不同，汽红水绿。这种水位计属于锅炉的附属设备，就地安置。直接观测水位，汽满呈现红色，水满呈现绿色。随水位变化自动而连续。在锅炉启、停时用以监视汽包水位和正常运行时定期校对其他型式的水位计。

1.2 电接点式水位计

利用饱和蒸汽与蒸汽凝结水的电导率的差异，将非电量的锅炉水位转换为电信号，并由二次仪表远距离地显示水位。电接点式水

位计基本上克服了汽包压力变化的影响，可用于锅炉启停及参数运行中。电接点式水位计离汽包很近，电极至二次仪表全部是电气信号传递，所以这种仪表延迟小，误差小，不需要进行误差计算和调整，使得仪表的检修与校验大为简化[3]。

1.3 差压式水位计

差压式水位计的工作原理是在汽包水位取样管上安装平衡容器，利用液体静力学原理使水位转换成差压，用引压管将差压信号送至差压计，由差压计显示汽包水位。经过发展现在采用智能式差压变送器来测量汽包水位，特别计算机控制技术的引入，从技术性能、安全性、可靠性都有了极大的提高，现在亚临界锅炉均采用差压式水位计作为汽包水位测量的主要手段，并作为汽包水位控制、保护信号用。

平衡容器又叫“凝结球”，根据测量准确性的要求不同，有以下几种平衡容器：单室平衡容器、双室平衡容器、带蒸汽罩补偿式平衡容器等。下面就简单介绍单、双平衡容器的原理。

（1）单室平衡容器的测量原理

1-正压一次门 2-单室平衡容器 3-负压一次门 4-汽包

图1 单室平衡容器的测量示意图

如图1所示，单室平衡容器结构简单，安装方便，但测量误差较大。当锅炉在额定气压运行，水位为正常水位时，其输出的差压△p比较稳定，测量较准确；当气压下降时（即使此时的水位保持不变，正压侧压力p+变化不大），负压侧的压力p-将显著增大，致

使平衡容器输出差压减小，水位表指示偏高。

由图可以得到水位测量关系式：

△p=p+-p-=l（ρc-ρs）g-h（ρw-ρs）g （1）由（1）式可得h=[l（ρc —ρs）g-△p]/（ρw-ρs）g （2）式中：ρc：平衡容器内水密度，单位：kg/m3；

ρw：汽包内饱和水密度，单位：kg/m3；

ρs：汽包内饱和汽密度，单位：kg/m3；

g：重力加速度，单位：m/s2；

h：汽包水位，单位：m；

△p：平衡容器输出差压，单位：kpa；

l：水位计量程，单位：m。

由图1和上式可以看出，正压侧压力p+由恒定的水柱高度维持，负压侧压力p-则随汽包水位变化而变化，所以△p即随汽包水位而变化。但是，由于汽包内的饱和水与平衡容器内的冷凝水温度不同（即密度不同），会导致测量误差。单室平衡器一般用于测量低温、低压容器的水位，在用于测量锅炉汽包水位时，要运用水位测量的汽压自动校正系统才能实现较准确的测量。

（2）双室平衡容器的测量原理

1-正压一次门 2-双室平衡容器 3-负压一次门 4-汽包

图2 双室平衡容器的测量示意图

由图2所示，负压侧置于平衡容器内，下部与汽包的水室相连通，内外2根管内水的温度比较接近，减少了采用单室平衡容器因

正负压取样管内水的密度不同所引起的测量误差，但是，由于平衡容器内的温度还是低于汽包内的温度，故负压管内的水位比汽包实际水位偏低，因而产生测量误差，而且也没有完全消除由密度引起的误差。因此，必须要采取一定的措施，进一步消除上述因素对汽包水位测量的影响。这种被用来消除密度或温度变化带来的影响的措施就叫做补偿[4]。通过补偿以准确地测定汽包中的水位。我们可以通过以下步骤建立补偿系统：①确定双室平衡容器的0水位位置；②确定差压变送器的量程，它的量程是由汽包水位的测量范围、容器的0水位位置及补偿系统的补偿起始点3方面因素决定的；③确定数学模型、通过函数的计算和查阅《饱和水与饱和水蒸汽密度表》确定函数。

采用补偿双室平衡容器是因为其在工作过程中，饱和蒸汽在室中凝结释放热量，对其中正压补偿管和负压补偿管加热，并且平衡容器外层加以足够的保护层。减少了热量损失，使平衡容器的温度接近于汽包内的温度。从而使正压补偿管及负压管内水的密度在任何工况下都近似等于汽包内水的密度；又由于正确的选择正压（下转第206页）（上接第203页）补偿管的高度，在汽包水位一定时，使汽包内的压力无论如何变化，正压补偿管的压力与负压管的压力变化值均相等，因此双室平衡容器输出的差压不变，即低置水位表指示的水位不变。一旦汽包内水位发生变化，则平衡容器输出的差压也随之线性变化，所以低置水位指示可以适时显示汽包内的水位。

（3）蒸汽罩补偿式平衡容器的测量原理

鉴于当汽压变化时，单室平衡容器和蒸汽罩双室平衡容器的输出差压变化方向恰好是相反的，于是提出了蒸汽罩补偿式平衡容器（即带中间抽头的双室平衡容器）[5]，其结构如图3所示。

1-正压一次门 2-蒸汽罩式双室平衡容器 3-负压一次门 4-汽包 5-至下降管

图3 蒸汽罩式双室平衡容器的测量示意图

蒸汽罩补偿式平衡容器正压侧取样管的水柱改由2段组成，ι

段保持饱和温度，l—ι段保持室温。适当选择2段的比例，即可获得在某一特定水位（如正常水位）下平衡容器输出的差压值不受汽压变动的影响。

目前，测量中小型锅炉汽包水位时，广泛采用蒸汽罩补偿式平衡容器，用蒸汽罩对正压恒位水槽加热，使槽内的水在任何情况下都与汽包压力下饱和水的密度相同，不受环境温度的影响。蒸汽罩的加热蒸汽取自汽包的蒸汽室，凝结水经疏水管“5”流至锅炉下降管。

为了使平衡容器能迅速达到正常的工作状态，在汽包与平衡容器的连接管之间加装汽侧一次门，当锅炉开始升压时，要关闭该阀门，使较高压力的炉水由疏水管注入平衡容器，并迅速充满正压恒位水槽。这样，待仪表管路冲洗后，打开该阀门，水位表即可正常投入[6]。

2 结语