谈谈高压锅炉汽包水位测量的补偿

0.838
4.0
0.778
6.0
0.728
8.0
0.681
10.0
0.653
12.0
0.571
14.0
0.538
16.0
0.484
（2） AFWC04（F（P），八段折线）
F(P)- ΔP
F(P)- ΔP
H = L + ———————— - H0 = 593 + —————— - 335 = 258 - —————— （5）
γW-γS
f(P)
f(P)
在 CENTUM-CS 系统中，F（P）和 f（P）可以用多段折线函数来实现。根据表 1 可求得以
下折线函数。
IN（%）
1005.34 588.64 105.108 483.53
416.70
132.51
3． 计算确定差压变送器的量程及水位测量范围
差压变送器的量程应按仪表工作时可能的最大差压进行设定，即按压力 P=0Mpa、温度
T=100℃时的计算值进行调校。
在锅炉汽包水位测量中，通常以正常水位 H0 作为汽包的零水位，故对于汽包水位来说：
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谈谈高压锅炉汽包水位测量的补偿
2001 年第 2 期
谈谈高压锅炉汽包水位测量的补偿问题
强天驰 （南京化学工业集团有限公司氮肥厂，江苏，南京，210035） 摘要：本文针对高压锅炉汽包水位测量中普遍存在的问题，介绍了采用 DCS 系统进行补偿，大大改善测量 精度的方法。 关键词：汽包水位；补偿运算；DCS
H=L 时，ΔP=318×0.03953≈12.6mmH2O
因此，应将变送器的量程调校为 12.6～580.8mmH2O。
4． 水位计算公式
根据公式（4），并考虑到以正常水位 H0 作为汽包的零水位，汽包水位的测量范围为-335～ 258mm，故在 DCS 上使用的计算公式应为：
l（γα-γW）-ΔP
进行处理后，送三取中模块（SS—M）AFWC02。在此模块中选择具有中值的信号作为其输出。
该模块的输出信号送指示模块（PVI）AFWC01 作为未经补偿的水位测量信号显示；同时送函
数模块（FUNC）A01LE02R 进行处理，这是为了满足水位运算公式要求而设置的量程转换模
块。处理后的输出数据送运算模块（CALC）AFWC05。
在设计平衡容器时，通过确定适当的 l 和 L 值，可使运行时的正常水位 H0 受汽包压力变
化的影响大大减小。但在水位偏离正常水位时，水位计的指示仍然会受到汽包压力的影响。
由此可见，蒸汽罩式平衡容器较好地解决了汽包中饱和水与平衡容器中凝结水温度差的
问题。但即使这样，要想准确地测量汽包的水位，也必须对由于汽包压力变化而产生的影响
压力（MPa）
F（P）
f（P）
0.0
0.0
12.57
0.958
12.5
2.0
48.05
0.838
25.0
4.0
64.20
0.778
37.5
6.0
77.05
0.728
50.0
8.0
88.56
0.681
62.5
10.0
99.43
0/653
75.0
12.0
115.62
0.571
87.5
14.0
121.03
以进行高选、低选或由操作人员根据实际情况人工选择。处理后的压力信号作为折线函数
（FUNC）AFWC03 和 AFWC04（分别对应于 f（P）和 F（P））的输入。折线函数 AFWC03 和 AFWC04
的输出送水位计算模块（CALC）AFWC05。
三台测量汽包水位的差压变送器 LT03、LT04 和 LT05（为便于处理，在此将其量程定义
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谈谈高压锅炉汽包水位测量的补偿
2001 年第 2 期
1． 双室平衡容器的补偿
由公式（1）可得汽包水位：
ΔP
ΔP
H = L - ————— = L - ————
（3）
γW-γS
f(P)
式中， f（P）——压力补偿函数。
根据不同汽包压力 P 下的饱和水重度γW 和饱和蒸汽重度γS ，求出函数 f（P），即可通
为 0～100%）提供的输入信号分别通过函数模块（FUNC）A01LE03R、A01LE04R 和 A01LE05R
进行量程转换处理，将 0-100%转换成 mm，其中 0%对应于最高水位 258mm，100%对应于最低
水位-335mm）。然后，这三路信号分别经一阶滞后处理模块（LAG）A01LE03、A01LE04 和 A01LE05
进行补偿。
二、 水位测量的补偿
要对测量信号进行补偿，首先应根据被测参数随温度、压力变化的数学模型，然后利用
各种元件构成运算电路进行计算，实现自动补偿。按照参数变化范围和要求的校正精度不同，
可建立不同的数学模型，设计出不同的自动补偿方法。
采用 DCS 的运算功能，可以很方便地实现水位测量的自动补偿。
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谈谈高压锅炉汽包水位测量的补偿
利用函数可以很方便地解决量程转换的问题。
汽包压力变送器 （0-16MPa)
汽包水位差压变送器 （12.6-580.8mmH2O)
PT06A
PT06B
LT03
LT04
LT05
2001 年第 2 期
A01PT06A PVI
PV
A01PT06B PVI
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2001 年第 2 期
最低水位 H1=-335mm 最高水位为 H2=L-H0=258mm 由此可得汽包水位的测量范围为-335～258mm。
可由公式（2）计算出变送器的量程：
H=0 时，ΔP=593×0.95819+318×0.03953=568.2+12.57≈580.8mmH2O
常用的平衡容器有三种： 1． 单室平衡容器。它的测量原理简单，但因汽包内的饱和水、蒸汽与平衡容器内的凝结水
的温度不同，重度也不同，从而造成较大的测量误差。单室平衡容器一般在小型中、低 压锅炉上使用。 2． 双室平衡容器（图 1）。它使里外两根管内水的温度比较接近，从而减少了因正负压头水 的重度(γW1 和γW2)不同所引起的测量误差。
一、 绪言 在大型化工厂的动力装置中，高压锅炉汽包的水位是一个极其重要的热工参数，它直接
关系到生产装置能否安全稳定的运行。汽包水位过高将影响蒸汽的品质，影响用汽设备的正 常工作；过低则会破坏锅炉的水循环，引起爆管。控制好汽包水位的前提条件是对水位进行 准确地测量。
通常，采用差压式水位计来测量锅炉的水位。通过平衡容器将水位高度的变化转换成差 压的变化，用测量差压的方法来测量汽包中的水位。
Hale Waihona Puke Baidu
图 1 双室平衡容器
差压与水位的关系式如下：
ΔP=LγW1-HγW2-（L- H）γS≈L（γW-γS）-H（γW-γS）
(1)
式中： γW—汽包压力下饱和水重度，kg/m3
γS—饱和蒸汽重度，kg/m3
L—平衡容器测量长度，mm
H—汽包水位，mm
双室平衡容器较单室平衡容器好，但是它仍然存在以下问题：
求出函数 F（P）、 f（P）后，即可通过运算式对水位进行补偿。
三、 汽包水位测量补偿（蒸汽罩式平衡容器）举例
下面以我厂新建 30 万吨/年合成氨、52 万吨/年装置的自备电厂中的高压锅炉为例，介绍
汽包水位测量的补偿方法。
我厂高压锅炉的汽包水位采用了蒸汽罩式平衡容器，由三台 1151smart 变送器测量差压
运算模块 AFWC05 根据公式（5），对（来自 AFWC03、AFWC04 和 A01LE02R 的）三个输入
数据进行处理，计算得出补偿后的水位信号。
图中所用到的多个函数模块（A01LE03R、A01LE04R、A01LE05R 和 A01LE02R）是为了满
足变送器的反测量方式、仪表指示相对于零水位的非对称性以及公式计算的需要而设置的。
IN2
IN1 AFWC02 IN3 SS-M
PV
IN Q01 AFWC03 Q02
CALC
CPV
CPV AFWC02R IN FUNC
补偿后水位
IN AFWC01 PVI
补偿前水位
图 3 控制图
控制图中涉及到的折线函数和运算式如下所示：
（1） AFWC03（f（P），八段折线）
X
Y
0.0
0.958
2.0
图 2 蒸汽罩补偿式平衡容器
差压与水位的关系式如下：
ΔP= L（γW-γS）+l（γα-γW）-H（γW-γS）
(2)
式中： γW—汽包压力下饱和水的重度，kg/m3
γS—饱和蒸汽的重度，kg/m3
γα—环境温度下水的重度，kg/m3
L—平衡容器测量长度，mm
l—重度补偿长度，mm
H—汽包水位，mm
在不同压力下，饱和水重度γW、饱和蒸汽重度γS 及环境温度（t=20℃）下水的重度γα 如表 1 所示。
表 1 有关参数
压力 （MPa）
γα (kg/m3)
γW (kg/m3)
γS (kg/m3)
γW-γS (kg/m3)
γα-γW (kg/m3)
l（γα-γW） (mm×kg/m3)
0.0
998.30
信号。变送器的安装方式为反测量法，即变送器的正压室接汽侧、负压室接水侧。当水位最
低时，变送器输出信号最大；当水位最高时，输出信号为零。DCS 为横河公司的 CENTUM-CS
系统。
1． 蒸汽罩补偿式平衡容器的几何和安装尺寸
L=593mm
l =318mm
H0 =335mm (H0 为汽包几何中心线以下 180mm) 2． 有关参数
42.159
681.22
278.48
88.56
10.0
1002.74 690.07
54.773
653.30
312.67
99.43
12.0
1003.64 640.07
68.985
571.09
363.57
115.62
14.0
1004.45 623.85
85.407
538.44
380.60
121.03
16.0
过运算式对水位进行补偿。
2． 蒸汽罩式平衡容器的补偿
根据公式（2）可以推出汽包水位的计算公式为：
l（γα-γW）-ΔP
F(P)- ΔP
H = L + ———————— = L + ——————
（4）
γW-γS
f(P)
式中，F（P）、f（P）——压力补偿函数。
根据不同汽包压力 P 下的饱和水重度γW、饱和蒸汽重度γS 和环境温度下水的重度γα，
958.77
0.5797
958.19
39.53
12.57
2.0
999.20
848.10
10.339
837.76
151.10
48.05
4.0
1000.10 798.21
20.206
778.00
201.89
64.20
6.0
1000.95 758.67
30.731
727.94
242.28
77.05
8.0
1001.86 723.38
0.538
100.0
16.0
132.51
0.484
5． 控制图
在 CENTUM-CS 中，回路的组态是通过控制图（Control Drawing）来完成的。汽包水位
测量的控制图如图 3 所示。
如图中所示，汽包压力变送器 PT06A 和 PT06B 来的输入信号分别通过指示模块（PVI）
A01PT06A 和 A01PT06B 处理后，送二选一处理模块（SS-DUAL）A01PT06。在二选一模块中可
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谈谈高压锅炉汽包水位测量的补偿
2001 年第 2 期
于双室平衡容器的结构尺寸 L 总是大于 H，所以使输出ΔP 增大，差压式水位 计指示偏低。该误差的大小直接与水位 H、平衡容器的结构尺寸 L 有关。（L-H） 愈大，指示误差愈大，即低水位时比高水位时误差大。这种误差在中压锅炉可 达 40～50 毫米，在高压锅炉可达 100 毫米以上。 3． 蒸汽罩式平衡容器（图 2）。在平衡容器中，利用蒸汽加热的方法使正压恒位水槽中的水 温等于饱和温度，从而使槽内水的重度始终等于汽包压力下饱和水的重度，不受环境温 度的影响。蒸汽凝结水由泄水管流入下降管。负压管直接从汽包水侧引出，为保证压力 引出管的垂直部分中水的重度等于环境温度下水的重度，引压管的水平段距离 S 要足够 长，通常为 1 米以上。
（1） 平衡容器的温度远低于汽包的温度，故负压管的水面比汽包的水面低，从而产
生测量误差；
（2） 平衡容器向外散热，正、负压容器中的水温由上至下逐渐降低且温度分布不确
（3）
定，重度γW1 和γW2 的数值很难确定； 当汽包压力变化时，饱和水重度γw 和饱和蒸汽重度γs 随之变化，使差压式水 位计的指示产生较大的误差。随着压力的降低，重度差（γw 和γs）增大，由
PV
A01PT06 IN1 SS-DUAL IN2
PV
IN
AFWC03 FUNC
CPV
IN AFWC04
FUNC
CPV
A01LE03R FUNC CPV
IN
A01LE03 LAG CPV
A01LE04R FUNC
CPV
IN
A01LE04 LAG CPV
A01LE05R FUNC CPV
IN
A01LE05 LAG CPV