1、提高汽包水位测量精度的一种有效方法卫恩泽 田小果(中冶集团重庆钢铁设计研究总院重庆，400013) 摘 要：介绍了利用计算机的软件功能，对介质的密度进行补偿计算，从而提高汽包水位测量精度的原理和方法。关键词：汽包水位测量 双室平衡容器0 概述汽包作为一个高温高压设备无论是在电站或是在热力设施上，一直都受到人们的高度重视，汽包水位不仅关系到蒸汽的质量，同时对汽包的安全运行也是十分重要的。由于汽包中的高温高压，在蒸汽和水的交界面上形成许多气泡，给汽包水位测量带来困难，造成人们常说的“虚假水位”。因此，为了提高汽包水位的测量精度人们想了许多办法，本文就笔者最近在某钢热轧 2 号加热炉汽化冷却装置汽包
2、水位测量上采用计算机技术提高了汽包水位测量精度的方法作简要介绍。1 通常测量方法的缺陷传统的测量方法一般采用双室平衡容器，通过汽包水位和平衡容器差压成线性比例反算出汽包水位(如图 1)， 、 2、 3分别为汽包内饱和蒸气、汽包内饱和水和平衡容器内参考冷凝水的密度，可通过查有关设计手册获得，计算得到平衡容器输出差压为：当汽包水位达到最高水位时，差压变送器输出最大差压；当汽包水位达到最低水位时，差压变送器输出最小差压，变送器量程：P maxP min；变送器迁移量：P max；汽包水位和差压变送器输出关系如图 2 所示：大多数场合，汽包水位都采用这种方法测量。其特点是结构简单，设备维护量小，在工况
3、稳定的情况下，使用效果还是不错的。但当汽包内的工作点偏离设定点时，使用这种测量方法得到的汽包水位和汽包的实际水位存在着较大的偏差。下面是本项目调试出现的实际情况：该项目汽包设计工作压力为 1.27MPa，工作温度为 190，变送器采用川仪横河 EJA 差压变送器，双室平衡容器高度为 1100mm，查相关设计手册可得 1=6.5kg/m3， 2=875kg/m3， 3=972kg/m3，当汽包水位达到最高时，即 h=H时，差压值最大；当汽包水位最低时，即 h=0 时，差压值最小；根据公式(1)计算得到差压变送器量程为 9362Pa.，差压变送器迁移量为-1046 Pa：由于加热炉刚开始运行的时候
4、或者当蒸汽管网不需要汽包产生的蒸汽时，蒸汽通过冷凝器变成冷凝水返回汽包或除氧器，这时，汽包没有工作在设计工况下，汽包压力是 0.17MPa。由于 1、 2、 3偏离设计值，导致汽包水位现场为 242mm(现场玻璃管显示)，而操作站 CRT 显示的汽包水位却是 337mm(左边)和 321mm(右边)，实际值和计算值偏差较大，见图 7。2 理论分析从公式(1)可以看出：间接反映汽包水位的平衡容器的差压P 与汽包内饱和蒸汽密度、汽包内饱和水密度和平衡容器内参考冷凝水的密度 1、 2、 3有直接的联系，当汽包内的工作点偏离设定点时， 1、 2、 3都偏离计算值，从而产生测量误差。从公式(1)可求得式
5、(4)，该公式描述了汽包水位和变送器差压值的函数关系。其中：h 为操作站 CRT 显示的汽包水位值，P 是差压变送器输出的差压值。假设汽包工作在设计工况下，水位高度为 h0，差压变送器输出的差压值为P 0，得：这时在操作站 CRT 显示的汽包水位应为 h0，没有偏差产生。当汽包工作点偏离于设计点时，汽包内的温度、压力将低于或高于设计值，从表 1 可以明显看出随着汽包内压力的变化，汽包内饱和水密度、饱和蒸汽密度以及双室平衡容器内冷凝水密度发生了变化，如当压力从 0.5MPa 变到 0.8MPa 时，汽包内饱和蒸汽密度、饱和水密度以及双室平衡容器内冷凝水密度分别变化了1.464kg/m3、18.1
6、kg/m 3和 0.2kg/m3。设变化后的各密度为： 1a、 2a、 3a。 1a、 2a、 3a、和 1、 2、 3函数关系如下： 3ag从上式可以看出由于 1a 1 1， 2a 2 2和 3a 3 3，所以，PP 0。设变送器输出差压值产生的偏差值为Pm，则有：根据式(4)，新工况下操作站显示的汽包水位值为：从式(6)和(7)分析可得：当汽包工作点和设计工作点相同时，即 1a 1； 2a 2； 3a 3， 1、 2、 3为零，公式(7)中第二项等于零，h mh 0。操作站显示的汽包水位和实际汽包水位相同；当汽包工作点和设计工作点偏差不大时， 1、 2、 3 比较小，式(7)中第二项比较小
7、，h m和 h0就比较接近，使用传统测量方法的测量精度也是可以接受的。当汽包工作点和设计工作点偏差较大时，汽包内饱和蒸汽密度、饱和水密度以及双室平衡容器内冷凝水密度偏差值较大， 1、 2、 3比较大，公式(7)中第二项比较大，h m和 h0偏差值较大。3 解决方法查设计手册和表 1 可以看到：汽包内饱和蒸汽、饱和水的密度 1、 2对压力(温度)变化很敏感；而双室平衡容器内冷凝水的密度 3在压力变化时变化较小，温度变化时变化较大。由于平衡容器的温度通常没有测量，但从现场测量知道该冷凝水温度在 80的时候最多且汽包工作点变化对其影响较小。将冷凝水温度固定在 80再考虑 3随压力变化产生的变化量，从
8、而得到三个函数 1f 1(P)， 2f 2(P)， 3f 3(P，80)。我们用图 3、图 4 和图 5 来得到这三个函数，并在软件中用当前的压力值随时去查询 1、 2、 3，就得到准确的密度，这样就能保证汽包水位的准确测量。 利用公式(1)求得变送器输出差压值如下：在该公式中，H、g 为一常量，分别是双室平衡容器的高度和重力加速度，P 是汽包压力， 1f 1(P)， 2f 2(P)， 3f 3(P，T)为一图表函数，P 是差压变送器的差压值，根据公式(8)即可计算出汽包水位 h。4 软件实施控制系统选用的是美国 Honeywe11 公司的 Plantscape 小型 DCS 系统。该部分控制
9、软件主要使用以下主要模块： 汽包压力、变送器差压等信号的采集和处理模块； 取 12 个点构成折线表的 f1(P)、f 2(P)线性化模块； 冷凝水温度取 80冷凝水，f 3(P，80)的线性化模块； 公式(8)的计算模块。软件框图见图 6：5 结束语在图 7 中，汽包压力为 0.17MPa，现场水位计显示值为 242mm。使用传统的测量方法在操作站得到的显示汽包水位分别是 337mm(左边)和 321mm(右边)。经压力修正后的汽包水位分别是 225mm(左边)和 230mm(右边)。结果和现场水位计显示值 242mm 相当接近，结果令人满意。如果能够准确测量平衡容器内冷凝水的温度，根据公式(
10、8)便可以准确地测量汽包的水位。参考文献1 王森主编.仪表常用数据手册.北京：化学工业出版社，1998 年 9 月第 1 版，2000 年 4 月第 2 版2 中国冶金建设协会编.钢铁企业过程检测控制自动化设计手册.北京：冶金工业出版社，2000 年 7 月第 1 版自动化与仪器仪表文章内容：?58?西北电建 2007 年第 2 期亚临界锅炉汽包水位的几种测量方法分析张润军(西北电力建设调试施工研究所西安市 710032)【摘要】对目前投产的亚临界机组锅炉汽包水位的测量原理进行介绍分析及计算,对其误差的产生原因进行分析,结合测量技术的发展方向及规范的要求,给出正确的测量方法.【关键词】亚临界锅
11、炉汽包水位测量方法 1 锅炉汽包水位测量的基本要求 1.1 准确性好大家都知道,锅炉汽包水位相对主蒸汽压力,蒸汽温度这类参数而言,并不是需要精确控制的,一般情况下,两种汽包水位计的测量值偏差在 30 以内是比较正常的,但实际情况是要达到这样的精确度是很难的.由于汽包水位测量对象比较复杂,而汽包水位测量采用联通管式或差压式测量原理,使得汽包压力和测量参比的条件在变化时会造成非常大的误差.所以,汽包水位测量的准确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题.1.2 可靠性高汽包水位测量系统应该从取样开始,到信号转换,控制和保护回路以及供电回路,都应该十分可靠.此外,除了提高装置本身的可靠性外,还应提高
12、系统的可靠性,包括对汽包水位测量,控制和保护系统的配置应采取严格的冗余要求,应采取两种或以上工作原理共存的配置原则;锅炉汽包水位控制和保护用的水位测量信号应采取三重冗余等.1_3 易维护汽包水位测量系统的维护应简单,维护工作量应尽可能少,且应便于进行在线实际水位信号的保护联动试验等.2 锅炉汽包水位的特点 2.1 汽包正常水位汽包正常水位指的是锅炉正常运行过程中汽包中的水位应该保持的高度,一般称为汽包零水位.随着汽包内部各个部件和汽水分离装置等的结构和布置方式的差异,不同锅炉厂生产的各种汽包锅炉汽包正常水位的高度有相当大的差别.表 1 列出了国内外主要锅炉厂生产的亚临界锅炉汽包水位的特性.表中
13、项所列数字为汽包正常水位与汽包机械中心线之间的距离,负值表示汽包正常水位在汽包机械中心线以下.表 1 亚临界锅炉汽包水位特征制造厂&;.哈锅哈锅上锅上锅东锅炉型强制自然自然强制自然强制自然自然汽包直径 70“72“727787787781792 距汽包中心线 .9“0.3“.229.50.229.50.100 高跳闸值+10+8“+8“+254+254+250+250 高报警值+5“+6“+4“+27+25+27+125+50 值 00000000 低报警值.7“.7“.4“.17850.178.200.150 低跳闸值.15“.9“.1“.38.300.38 一 350.2502007 年第
14、 2 期西北电建?59?为了保证锅炉运行的安全性和经济性,在锅炉运行过程中汽包水位必须保持在正常水位(),它的波动范围一般控制在_+50 之间.当锅炉运行不稳定 ,负荷变动较大或自动控制系统失灵时,汽包水位有时会超出上述范围,但只要没有上升到影响汽水分离装置正常工作的程度,或者下降到破坏锅炉水循环的程度,还是允许锅炉继续运行的.然而,水位变动范围过大,就应该引起运行人员的重视,采取相应措施恢复水位正常,如果水位继续变动,达到不能允许的范围时,就应该立即停止锅炉的运行,以保证设备安全.为此,各个锅炉厂还规定了汽包水位的高,低报警值和跳闸值.如表 1 所示,表中所列报警值和跳闸值都是以正常水位(,
15、)为基准的,即从为零考虑的.因此,锅炉所配置水位表的测量范围必须涵盖表中所列跳闸值,并留有一定的裕度.2.2 质量水位锅炉运行时,汽包水容积中不可避免地存在汽泡,汽包中的水在运行工况下实际上是汽水混合物,使得汽包内的汽水分界面变得不十分明显.在这种情况下,汽包内的实际水位是无法直接准确测量的.为了测量汽包内的水位,引入了质量水位的概念.质量水位是指汽包中的饱和水密度所对应的水位,而质量水位是可以用各种方法准确测量的.在中低压锅炉中,蒸汽是直接从汽包的水中分离出来的,使得水中含有较多的汽泡,这时汽包的实际水位会远大于质量水位.而对于现代化大容量高压锅炉,由于汽包中都设计有汽水分离设备,上升管来的
16、汽水混合物直接送入汽水分离设备,分离后的水再回到汽包的水容积中.正常情况下,汽包水容积中的汽泡不多,汽包的实际水位比较接近质量水位.当锅炉的负荷快速增加时,汽包内的压力下降:由于水的饱和温度降低 ,比容增大.这种情况下,汽包水容积中会出现汽泡,造成实际水位的上升,这种现象称为虚假水位.2.3 影响汽包水位测量准确性的因素从理论上讲,汽包内的水位是处于同一个水平面上的.随着锅炉负荷的变化和进入汽包给水量的变化,汽包内的水位会上升或下降.这时,可以利用自动控制系统调节进入汽包的给水量,以维持汽包水位的稳定.但是,事实上汽包内的水位并非处于同一个水平面,而存在着高低不等的情况,造成这一现象的原因是多
17、方面的.2_3.1 下降管的影响锅炉正常运行过程中,汽包内的水是以很高的速度连续不断地进入下降管的,对于亚临界锅炉而言,下降管内的水流速度可以达到 3/以上.这就使得汽包内的水面不再是一个理想的水平面,而会随下降管的布置位置出现高低不一的差别,即位于下降管正上方的水面必然会较低,而其他部分则会较高.在自然循环锅炉上,汽包内水面高低分布的情况基本上是固定不变的,而在强制循环锅炉上情况就不同了.由于在下降管中增加了炉水循环泵,当泵的运行方式改变时,汽包内水面高低分布的情况也会跟着改变.根据在韩二机组 600 亚临界强制循环锅炉上的试验,其结果是:当两台循环泵运行(泵停运)时,甲侧水位比乙侧水位高 100 左右,由于就地水位表固有的误差,实际上汽包两侧水位差值还会更大.至于汽包内水面高低的分布情况,则必然会随着循环泵运行方式的不同而改变.2.3.2 汽包安装条件的影响按照锅炉制造厂的要求,亚临界锅炉汽包安装时的水平度应&;5, 也就是说汽包两侧中心线的高度差应&;5.锅炉投入运行后,随着时间的推移 ,会受到各种因素的影响,如锅炉支架的不平衡下沉等,使得汽包的水平度变差,也就是汽包两侧中心线的高度差变大.有的锅炉运行两年后,水平度已达到 15.20,如果站在汽包中心线的位置来看,汽包内的水面是个斜面.锅炉水位表安装时都要求以汽包中心线为基准,而汽包两侧的水位表安装时又都分别是以汽包
