汽包水位测量原理

1 前言

汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数，但由于水位取样系统内工质温度低于汽包内的工质温度，因此水位测量的指示与汽包内水位的实际高度总是存在着一个高度差，该差值称为冷缩量，且由于不同水位计测量原理不同和水位取样系统内工质温度不同，该冷缩量也不尽相同。导致各水位计显示值间偏差不一，有的甚至达到100mm以上，这就使得汽包水位测量的准确性与汽包水位偏差问题的解决，成为火电机组汽包炉安全经济运行的难题。笔者根据在探讨解决方案的过程中的实践与体会，着重对汽包水位计因测量公式产生的误差进行了分析，探讨了提高差压式水位测量精度的一些技术措施，供同行在运行维护检修中参考。

2 汽包水位计算公式误差分析

图2为舟山电厂汽包水位测量单室平衡容取样管的安装示意图。正压侧仪表取样管从单室平衡容器引出，负压侧从下侧取样孔引出，引出后都按1:100向下倾斜延伸1m以上。取样管延伸的目的是让平衡容器内的热量沿取样管传递，使取样管垂直段（参比水柱）接近环境温度。当正、负压侧取样管内的水温度均为环境温度时，它的密度则是环境温度与汽包压力的函数，这样可以减少环境温度变化对汽包水位测量精度的影响因数。

2.1差压式水位计算公式的推导

根据图2推导水位的计算公式如下：

在实际应用中为参比水柱值小，故常省略，则公式（1）可简化为：

式中：为参比水柱（侧水柱）冷水密度；为参比水柱（侧水柱）平衡容器内热水平均密度；为汽包内饱和水密度；为汽包内饱和蒸汽密度；g为重力加速度；为0水位线到负压侧取样管的长度；为在CRT上显示的汽包水位。

2.2 汽包水位计算公式误差分析

由于冷水密度大于平衡容器内热水平均密度，值大于0，故由公式（2）计算的水位比实际水位要高一些，其误差为：

根据图2，平衡容器安装尺寸L＝1083mm，＝400mm，l=220mm。当汽包

额定压力为15.4Mpa时：

饱和水密度＝594.0kg/m3

饱和蒸汽密度=101.9kg/m3

冷水为40℃时密度＝998.9kg/m3

平衡容器内热水平均密度，热水温度为200℃时，＝875.0kg/m3，热水温度为140℃时，＝933.5.0kg/m3。

现计算热水温度分别为200℃、140℃时的误差对CRT上显示的影响。

平衡容器内热水温度为200℃时,

平衡容器内热水温度为140℃时，

从计算公式（5）、（6）可知平衡容器内热水温度为200℃时，CRT显示偏高55.4mm，平衡容器内热水温度为140℃时CRT显示偏高29.2mm，显然这些误差是不可忽略的。为了提高测量精度应对L进行修正。L的修正值为：

在实际应用中，L参数设置的值应采用修正后的L修正。

参比水柱密度对水位也有影响，表1计算了不同的参比水柱温度对显示水位的影响（假设差压值不变），见表1。

表1 参比水柱平均温度对水位测量的影响

（40℃为基准，汽包压力15.4Mpa）

由表1可见参比水柱平均温度的不同对计算的水位是有影响的，若计算公式中固定为40℃时的密度，当实际参比水柱平均温度为60℃时，显示的值偏高20mm。为了提高计算精度，可引入参比水柱温度的测量，因为是汽包压力与参比水柱温度的函数。但在DCS实际应用中，较少采用的经验公式，一般都设为固定值。为了提高计算精度，要保证安装的环境温度变化不大，并使参比水柱的温度与环境温度一致，因此必要时应根据季节调整值。

2.3云母双色水位计、电接点水位计误差分析

云母双色水位计、电接点水位是联通管式水位计，联通管式水位计利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在联通管处有相等的静压力，从而可用水位计中的水柱高度间接反映汽包中的水位。如图3所示，联通管式水位计的显示水柱高度

可按下式计算：

式中，H为汽包实际水位高度；为水位计的显示值；为汽包内饱和蒸汽密度；为汽包内饱和水密度；为水位计测量管内水柱的平均密度。

由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内饱和水的温度，因此，总是大于，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度，它的示值偏差：

由（9）式可以看出，基于联通管式原理的汽包水位计显示的水柱值不仅低于锅炉汽包内的实际水位，而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响，水位计显示值和汽包内实际水位间不是一个确定的、一一对应的关系，而这一偏差在汽包零水位时可达50~200mm，水位越高测量筒

散热越多水位误差就越大，水位越低测量筒散热小水位误差就越小。这一误差只是一个环境温度和结构不同而造成的，在汽包不同位置取样，不同结构的连通式水位计在汽包0水位时，其相差要控制在30 mm之内是困难的。由于这一原因，无论云母水位计、电接点水位计如何好，其测量结果也是误差很大而不真实的。因此，即使按额定工况、某一环境条件将水位计下移而使汽包正常水位时，水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时、环境变化时仍将产生不可忽略的偏差。