高压锅炉汽包水位精确测量探讨

李明玉

摘 要：文章针对高压锅炉汽包水位测量方面的虚假水位、误差产生的原因进行分析，阐述精确测量汽包水位的思路和方法，重点论述水位测量补偿系统建立的方法和过程，以实现精确测量高压锅炉汽包水位的目标。

关键词：汽包水位测量；压差；误差；精确；补偿

中图分类号：TK229.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）15-0111-02

Abstract： In this paper， the causes of false water level and errors in high pressure boiler drum water level measurement are analyzed， the ideas and methods of accurately measuring steam drum water level are expounded， and the method and process of establishing water level measurement compensation system are emphatically discussed， in order to achieve the goal of accurately measuring the water level of high pressure boiler drum.

Keywords： drum water level measurement； pressure difference； error； accuracy； compensation

1 概述

高压锅炉汽包通常温度高、压力高，采用浮力式液位计的寿命较短，且工作较不稳定、故障较多，大多采用压差法进行测量。采用双室平衡容器取压装置对高压锅炉汽包水位测量是较为常用的测量方式。本文主要以双室平衡容器压差法测量高压汽包水位的方法进行论述。

2 系统组成

我公司汽包水位测量装置由唐山信德锅炉集团有限公司的H/H0=600/300双室平衡容器，其结构和安装图如图1，与HONEYWELL的STD924智能差压变送器一起组成现场检测装置。其转换显示部分由DCS系统完成。DCS对来自现场变送器的信号进行折线、压力补偿运算处理，最终实现汽包水位的精确测量。

3 双室平衡容器差壓的计算

在此，近似认为：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（γ′w为平衡容器内介质水的密度，γ′s为平衡容器内介质蒸汽的密度）。

这个公式（1）是用来计算差压变送器测量范围的基本公式。通常，我们在计算液体液位与差压的关系时也是这样进行推导，也用来反算某一特定工况下差压变送器所受实际差压值与变送器检测的差压是否一致的计算方法。但对于高压锅炉汽包水位测量不能进行简单套用。

4 误差分析

现以汽包正常工况来计算差压变送器的参数设置范围。我公司高压锅炉汽包设计工况工作压力10.96MPa，温度290℃左右，在此工况下的蒸汽为饱和蒸汽。

锅炉汽包内的水、饱和蒸汽在不同工况压力下与其密度间存在固有特性，其数据有规律可循，具体数据均可从相关工艺手册中查到。

在此，以锅炉在11MPa压力下的工况来计算差压变送器的压差范围。γs取63.77kg/m3，γw取671.99kg/m3，γc取常温常压下的近似值1000kg/m3。分别把空液位hw取0mm和满液位hw取600mm下的数据代入公式（1），计算得出变送器的测量范围为：374.5～-9.5mmH2O。

再以100℃，0.1MPa下的工况数值，γs取0.6kg/m3，γw取958.6kg/m3，γc取常温常压下的近似值1000kg/m3。分别把空液位和满液位下的数据代入公式（1），计算得出变送器的测量范围为：479～-96mmH2O。

一般差压变送器的量程范围设置常以正常工况下的参数进行设置，这里以11MPa压力下的工况来设置。假设现在的工况是处在刚开车过程中，汽包处在100℃，0.1MPa下工况，现在的汽包水位实际液位为300mm，理论上应该显示50%的液位，这时差压变送器实际输入压差值为191.67mm H2O，而变送器输出的百分数由下式可得实际显示值：

（191.67-374.5）/（-9.5-374.5）*100%=47.6%

再以以上工况下实际液位为0和600mm（即0和100%）的情况，计算得到变送器输出的信号百分数为：-27.2%和122.4%。

由以上所举的工况条件下计算的变送器测量值与汽包实际液位值偏差很大，这主要是不同工况下水、饱和蒸汽的密度不同造成的。这是用常规方法无法精确测量工况变化较大汽包水位的主要原因。

5 补偿系统

从以上的误差分析不难看出：采用简单的压差测量水位，汽包冷态下的空液位与正常工况下的空液位测量偏差近30%，其冷态下的满液位与正常工况下的满水位偏差在20%以上。产生较大误差的主要原因是把整个生产过程中的密度看成不变。公式（1）是建立在工况稳定，介质密度不变的前提之下的。实际上，汽包的压力、温度是在不断变化，公式（1）中的γs、γw都成了变量，即造成蒸汽以及水的密度也不断变化。致使不同压力、温度下，在同一液位下差压变送器受到的压差值是不同的。

双室平衡容器补偿系统建立的基础是根据双室平衡容器的工作特性。得出双室平衡容器工作特性的方法，查《饱和水与饱和水蒸汽密度表》获得各种工况压力下水与饱和水蒸汽的密度。分别把0、100、200、300、400、500、600mm汽包水位值代入（1）式，得到容器输出的一系列压差值，计算得到表1：双室平衡容器固有补偿特性参数表。建立补偿系统时将表1的数据输入DCS系统。

从表1可以得出以下结论：（1）水位为300mm左右时，在不同工况下，它所对应的差压只在一个较小的范围内波动。（2）在同一压力下，双室平衡容器输出差压与液位成线性关系。（3）不同工况压力下，同一液位，双室平衡容器输出的差压不同。工况差异较大时，双室平衡容器输出的差压值变化很大，即变送器检测到的差压信号偏差也较大。

首先计算差压变送器的输出信号对应的双室平衡容器输出的差压信号。计算差压变送器的测量范围主要依据厂家提供的双室平衡容器图纸，从《饱和水与饱和水蒸汽密度表》中查出100℃时的饱和水与饱和水蒸汽的密度代入（1）式，再分别将600mm和0mm代入（1）式，得出差压变送器的测量范围，在此不做细算。

特别说明，这里建立的数学模型公式（1）是基于如图1的配管方式，如果配管方式不一样建立的数学模型中涉及的数据就不一样，它的模型就有所不同。

6 结束语

高压锅炉汽包水位的测量要达到及时、精确，必须首先对检测的对象特性要深入了解、分析，找出规律、主要矛盾。再对所采用的测量仪器、设备的原理、特性、用途进行分析，最后综合相关信息，建立数学模型，灵活应用计算机技术、DCS功能实现对所需要测量参数的精确测量。

参考文献：

[1]刘相宏，卢为秀.双室平衡容器汽包水位测量及其补偿系统的应用[J].新疆电力技术，2010（02）.

[2]朱炳兴，王森.仪表工试题集（现场仪表分册）（2版）[M].北京：化学工业出版社，2005，5.

[3]《平衡容器H/H0=600/300使用说明书》及图纸资料[Z].唐山信德锅炉集团有限公司.

[4]热电装置工艺手册[Z].呼伦贝尔金新化工有限公司，2010，03.