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(shù)，液位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水進入過熱器，并在過熱管內(nèi)結(jié)垢影響傳熱效率; 液位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)引起水冷壁局部過熱而爆管。設(shè)計上，通常采用差壓式液位計和導(dǎo)波雷達液位計相結(jié)合來采集汽包液位遠傳信號。在開車調(diào)試及正常生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)差壓液位變送器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，檢查取壓管也沒發(fā)現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。對于導(dǎo)致差壓液位計不準(zhǔn)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(shù)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(zhì)的復(fù)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(shè)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(yīng)該只是環(huán)境溫度。則豎直引壓管里水的密度，應(yīng)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(shè)差壓變送器設(shè)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(chǎn)生的差壓為 P = 800 × 2 × 9． 8，但由于豎直引壓管暴露在環(huán)境中，因此水溫接近環(huán)境溫度，則水的密度為 1000 kg·m － 3，那么，當(dāng)實際水位達到 0． 8 ×2 = 1． 6 m時，差壓變送器已經(jīng)輸出 20 mA。所以從分析得出，引壓管內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力的變化是導(dǎo)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(xué)原理使水位轉(zhuǎn)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。現(xiàn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn) 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(jié)構(gòu)簡單，如圖 1 所示，平衡容器水平管接汽包汽側(cè)取樣孔，底部垂直管接差壓液位計正壓端; 由汽包水側(cè)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(cè)連通。運行中蒸汽不斷進入平衡容器并被冷卻，容器內(nèi)液位高度保持恒定，多余凝結(jié)水經(jīng)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(zhǔn)杯始終滿盈，也使得基準(zhǔn)杯下面這根豎直向下的引壓管管內(nèi)水的溫度和密度，和鍋爐內(nèi)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(nèi)的冷凝水由此不斷回流到鍋爐內(nèi)。

 

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(fā)布的《電站鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)配置、安裝和使用若干規(guī)定》中對差壓式水位測量裝置的安裝有如下規(guī)定:

 

1) 差壓式水位測量裝置的平衡容器應(yīng)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(cè)取樣管可有連通管。

2) 安裝汽水側(cè)取樣管時，應(yīng)保證管道的傾斜度不小于 100 ∶ 1，對于汽側(cè)取樣管應(yīng)使取樣孔側(cè)低，對于水側(cè)取樣管應(yīng)使取樣孔側(cè)高( 見圖 1) 。

 

3) 汽水側(cè)取樣管、取樣閥門和連通管均應(yīng)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(yīng)平行敷設(shè)共同保溫，并根據(jù)需要采取防凍措施。

 

guojia電力公司在組織專家對國內(nèi)電站鍋爐汽包水位測量和水位保護運行調(diào)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(nèi)又不斷的有蒸汽冷凝釋放出潛熱，這就導(dǎo)致基準(zhǔn)杯和基準(zhǔn)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(dāng)鍋爐的蒸汽負荷加大時，蒸汽被抽走，鍋爐內(nèi)的壓力下降，基準(zhǔn)杯和豎直取壓管內(nèi)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(chǎn)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(tǒng)汽包液位測量偏差應(yīng)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(tǒng)組態(tài)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(yīng)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(cè)取壓管的距離，ρ0為變送器引壓管內(nèi)的冷凝水密度，ρw為汽包內(nèi)飽和水密度，ρs為汽包內(nèi)飽和蒸汽的密度，g 為常數(shù)。

 

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

 

根據(jù)《飽和水和飽和蒸汽的熱力學(xué)基本參數(shù)表》，DCS 組態(tài)中利用多段折線函數(shù)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(xiàn)平衡容器轉(zhuǎn)換的差壓 Δp 與水位H 的單位函數(shù)關(guān)系，從而準(zhǔn)確地測量汽包液位。

 

4 結(jié)語

明確了在今后的電站鍋爐建設(shè)中差壓式液位計的平衡容器應(yīng)選擇單室平衡容器，將汽包內(nèi)不同壓力下的飽和水密度和飽和蒸汽密度引入 DCS 系統(tǒng)內(nèi)，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(fā)生嚴(yán)重的汽包缺水、滿水事故。