双室平衡容器

双室平衡容器

汽包水位测量及其补偿系统的应用

在工业自动化生产中，我以实践为基础，剖析一下双室平衡容器的工作原理与特性。重点论述了补偿系统的建立方法与步骤，同时指出了应用中的常见错误并提出了解决方案。

一.前言

众所周知，汽包水位是锅炉及其控制系统中最重要的参数之一，双室平衡容器在其中充当着不可或缺的重要角色。但是由于一些用户对于双室平衡容器及其测量补等方面缺少全面

的必要的了解或者疏漏，致使应用中时有错误发生，甚至形成安全隐患。例如胜利油田胜利发电厂一期工程，该工程投入运行早期其汽包水位测量系统的误差竟达70～90mm，特殊情况下误差将会更大（曾因此造成汽包满水停机事故）。迄今为止，据不完全了解，目前仍有个别用户存在一些类似的问题或者其它问题。汽包水位是涉及机组安全与和运行的重要参数和指标。

二.双室平衡容器的工作原理

双室平衡容器是一种结构巧妙，具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置。它的主要结构如图1所示。在基准杯的上方有一个圆环形漏斗结构将整个双室平衡容器分隔成上下两个部分，

为了区别于单室平衡容器，故称为双室平衡容器。为便于介绍，我结合各主要部分的功能特点，将它们分别命名为凝汽室、基准杯、溢流室和连通器，另外把双室平衡容器汽包水位测量装置简称为容器。

2.1凝汽室

理想状态下，来自汽包的饱和水蒸汽经过这里时释放掉汽化潜热，形成饱和的凝结水供给基准杯及后续环节使用。

2.2.基准杯

它的作用是收集来自凝汽室的凝结水，并将凝结水产生的压力导出容器，传向差压测量仪表——差压变送器的正压侧。基准杯的容积是有限的，当凝结水充满后则溢出流向溢流室。由于基准杯的杯口高度是固定的，故而称为基准杯。

2.3.溢流室

溢流室占据了容器的大部分空间，它的主要功能是收集基准杯溢出的凝结水，并将凝结水排入锅炉下降管，在流动过程中为整个容器进行加热和蓄热，确保与汽包中的温度达到一致；在多数的平衡容器中并没有下降管，其缺点是平衡容器的温度与汽包的温度不一致，造成测量误差，因此，我建议应该使用带有下降管的平衡容器。正常情况下，由于锅炉下降管中流体的动力作用，溢流室中基本上没有积水或少量的积水。

2.4.连通器

倒T字形连通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入变送器的负压侧。毋庸置疑，它的主要作用是将汽包中动态的水位产生的压力传递给变送器的负压侧，与正压侧的（基准）压力比较以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒T字形，是因为可以保证连通器中的介质具有一定的流动性，防止其延伸到汽包之间的管线冬季发生冻结。连通器内部介质的温度与汽包中的温度很可能不一致，致使其中的液位与汽包中不同，但是由于流体的自平衡作用，对使汽包水位测量没有任何影响。

2.5.差压的计算

通过前面的介绍，我们可以知道：凝汽室、基准杯及其底部位于容器内部的导压管中的介质温度与汽包中的介质温度是相等的，即γw=γ`w，γs=γ`s。故而不难得到容器所输出的差

压。我就以东方锅炉厂的DG670-13.73-8A型锅炉所采用的测量范围为±300mm双室平衡容器为例加以介绍（如图1所示）。

通过图1可知，容器正压侧输出的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压力，加上基准杯口至L形导压管的水平轴线之间这段垂直区间的凝结水压力，再加上L形导压管的水平轴线至连通器水平轴线之间，位于容器的外部的这段垂直管段中的介质产生的压力。显而易见，其中的最后部分压力，由于其中的介质为静止的且距容器较远，因此其中的介质密度应为环境温度下的密度。因此

P+= PJ +320 γw+(580－320) γC

式中P+ ——容器正压侧输出的压力

γw——容器中的介质密度（γw=γ`w）

γC ——环境温度下水的密度

PJ ——基准杯口以上总的静压力

负压侧的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压力，加上基准杯口水平面至汽包中汽水分界面之间的饱和水蒸汽产生的压力，再加上汽包中汽水分界面至连通器水平轴线之间饱和水产生的压力，即

P－= PJ+(580－hw) γs + hwγw

式中P－——容器负压侧输出的压力

hw ——汽水分界线至连通器水平管中心线之间的垂直高度

γs ——汽包中饱和水蒸汽的密度

因此差压

ΔP=P+－P－=320 γw+260 γC－(580－hw) γs－hwγw

即

ΔP=260γC + 320γw－580γs－(γw－γs)hw （1）

这里有一点需要说明，(1)式中环境温度下水的密度γC，通常情况下它会随着季节的变化而变化，它的变化将会影响汽包水位测量的准确性。就本例中的容器而言，当环境温度由25℃升高到50℃时，由于密度的变化对于差压产生的影响为－2.3mm水柱，经过补偿系统补偿

后对最终得到的汽包水位的影响将为+2.3～5.5mm之间。通常情况下这样的误差是可以忽略的，也就是说可以认为这里的温度是恒定的。但是为了尽量减小误差，必须恰当地确定这里的温度。确定温度可以遵循这样一条原则，就高不就低，视当地气候及冬季伴热等因素确定。比如此处的环境温度一年当中通常在0～50℃之间变化，平均温度为25℃，则可以令这里的温度为35℃。这是因为水的密度随着温度升高它的变化梯度越来越大，确定的温度高些，将会使环境温度变化对整个系统的影响更小。就本例中的容器而言，当温度从0℃升高到25℃时，温度的变化对测量系统的最终结果影响只有1mm左右，而环境温度从25℃升高到50℃所带来的影响却为+2.3～5.5mm之间。故而，确定温度应就高不就低。

三.双室平衡容器的工作特性

容器的工作特性对于汽包水位测量和补偿系统来说非常重要，了解这种特性利于用户的应用和掌握应用中的技巧。查《饱和水与饱和水蒸汽密度表》可以获得各种压力下饱和水与饱和水蒸汽的密度。把0、±50、±100mm等汽包水位分别代入（1）式，可得到容器输出的一系列差压，见下表1《双室平衡容器固有补偿特性参照表》。通过表1可以得知双室平衡容器的工作特性。

从表1中可以看到，各水位所对应的由容器所输出的差压随着压力的变化（相关饱和汽、水密度）各自发生着不同的变化。这里首先注意0水位所对应的差压，它的变化规律较其它水位有明显不同，只在一个较小的范围内波动。由于该容器的设计压力为13.73MPa，因此14.5MPa以下它的波动范围更小，仅在±5mm水柱以内。也就是说当汽包中的水位为0水位时，无论压力如何变化，即使在没有补偿系统的情况下，对0水位测量影响都极小或者基本没有影响。关于其它水位，则当汽包水位越接近于0水位，其对应的差压受压力的变化影响越小，反之则大。

因此，双室平衡容器是一种具有一定的自我补偿能力的汽包水位测量装置。它的这种能力主要体现在，当汽包中的水位越接近于0水位，其输出的差压受压力变化的影响越小，即对汽包水位测量的影响越小。毫无疑问，容器特性由于容器的自身结构决定的，故又称为固有补偿特性。表1中，0MPa对应两行差压值，其原因后文将会提到。之所以双室平衡容器会有这种特性其实质，是由于双室平衡容器在设计制造时采取了特殊的结构，这种结构最大限度地削弱了汽水密度变化对常规运行水位差压的影响。但是尽管如此，它并不能完全满足生产的需要，仍然需要继续补偿。