仇廣金,張鑫,李勝利

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 266071)

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新型雙室平衡容器在汽包水位測量中的應用

仇廣金,張鑫,李勝利

(中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 266071)

摘要：雙室平衡容器是測量汽包水位的主要方法,針對傳統(tǒng)雙室平衡容器測量結果易受環(huán)境溫度的影響且配管困難的缺陷，深入分析了傳統(tǒng)雙室平衡容器的結構及工作原理，并從工程實際出發(fā)，介紹了一種結構改進型雙室平衡容器。改進后容器的正負壓測同時輸出平衡容器，使容器正負引壓管路在全量程范圍內溫度保持一致，從而能夠克服環(huán)境溫度對測量結果的影響，在工程實踐中有很高的實用價值。

關鍵詞：新型雙室平衡容器汽包水位溫度補償測量誤差

鍋爐汽包水位不僅關系到所產生蒸汽的質量，同時也是確保生產安全的重要參數(shù)。在工作過程中，采用雙室平衡容器測量汽包液位，是因為飽和蒸汽在凝汽室中凝結釋放熱量，對其中正壓補償管和負壓管溫度進行補償，并且平衡容器充分保溫，減少了熱量損失，使平衡容器的溫度接近于汽包內的溫度，從而使正壓補償管及負壓管內水的密度在任何工況下都近似等于汽包內水的密度；由于正確地選擇了正壓補償管的高度，在汽包水位一定時,無論汽包內的壓力如何變化，正壓補償管的壓力與負壓管的壓力變化值均相等，因而雙室平衡容器輸出的差壓不變。但是傳統(tǒng)雙室平衡容器的正壓側先于負壓側引出平衡容器，造成正負引壓管路在全量程測量范圍內溫度不一致，從而產生一定的測量誤差。

1傳統(tǒng)雙室平衡容器的結構及工作原理

傳統(tǒng)雙室平衡容器結構如圖1所示，平衡容器由上部的凝汽室和下部的溢流室組成上下雙室，其中包括基準杯和T型連通器。

圖1　傳統(tǒng)雙室平衡容器結構示意

凝汽室用來凝結汽包中的飽和蒸汽使其變成飽和凝結水。飽和凝結水經過1個圓環(huán)型漏斗結構流入基準杯，其壓力導出平衡容器，傳向差壓變送器的正壓側。T型連通器一邊通向汽包下側，一邊通向差壓變送器的負壓側，保持與汽包水位的平衡。溢流室收集基準杯中溢出的飽和凝結水，并將凝結水排入汽包下降管，在流動過程中為整個容器進行保溫和蓄熱，保持溫度的一致性。

由圖1可知，差壓變送器正壓側輸出的壓力等于基準杯口所在水平面以上總靜壓力、補償管中凝結水壓力與補償管水平軸線至連通器水平軸線之間位于容器的外部垂直管段中介質產生的壓力之和。其中最后部分壓力，由于介質為靜止的且距容器較遠，因而其中的介質密度應為環(huán)境溫度下水的密度。

p+=pj+ρwgh1+ρcg(h2-h1)

(1)

式中：p+——差壓變送器正壓側輸出的壓力，Pa；pj——基準杯口以上總的靜壓力，Pa；ρw——容器中凝結水的密度，kg/m3；ρc——環(huán)境溫度下水的密度，kg/m3；h1——補償管的高度,mm；h2——基準杯口至連通器水平軸線之間的高度，mm。

負壓側的壓力等于基準杯口所在水平面以上總靜壓力、基準杯口水平面至汽包中汽水分界面之間飽和水蒸氣產生的壓力、汽包中汽水分界面至連通器水平軸線之間飽和水產生的壓力之和：

p-=pj+ρsg(h2-hw)+ρwghw

(2)

式中：p-——差壓變送器負壓側輸出的壓力，Pa；ρs——汽包中飽和水蒸氣的密度,kg/m3；hw——汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度,mm。

因而差壓變送器輸入差壓為

Δp=p+-p-=ρwgh1+ρcg(h2-h1)-

ρsg(h2-hw)-ρwghw

(3)

汽包水的液位為

(4)

相對于規(guī)定的汽包零水位的汽包液位

h=hw-h0

所以

(5)

式中：h——相對于規(guī)定的零水位的汽包液位，mm；h0——汽包零水位，mm。

由式(5)可知，傳統(tǒng)雙室平衡容器有如下缺點：

1) 盡管傳統(tǒng)雙室平衡容器具有自我補償功能，即當汽包中的水位越接近零水位時，容器輸出差壓受汽包壓力變化的影響越小，但由于傳統(tǒng)雙室平衡容器基準杯低于上法蘭取壓口，因而量程小于法蘭間距，且容器中間位置與汽包中心也不對稱，致使汽包零水位與汽包中心線不一致，導致汽包零水位的確定困難。

2) 由于傳統(tǒng)雙室平衡容器的正壓側先于負壓側路引出平衡容器，造成正負引壓管路在全量程測量范圍內溫度不一致，同時ρc取環(huán)境溫度下水的密度，通常情況下它會隨著季節(jié)的變化而變化，因而為了保證正負壓側垂直管路處于環(huán)境溫度，要求鋪設的水平管路的長度大于1000mm,增加了配管的難度。因此，傳統(tǒng)雙室平衡容器很難避免溫度對其測量結果的影響。

在環(huán)境溫度為30℃，水密度ρc為995kg/m3時，通過式(5)算出正壓側垂直管在不同溫度下汽包的液位，見表1所列。

表1　不同溫度下計算出的汽包液位

已知文中汽包的正常液位為300mm，由表1可知，正壓側溫度在60℃以上時會產生5mm以上的誤差，由于飽和水的溫度在200℃左右，因而正壓側如果不充分散熱，其溫度一般會在60℃以上，測量誤差不容忽視。

2新型雙室平衡容器

由上述可知，雖然傳統(tǒng)雙室平衡容器具有自我補償特性，但想獲得準確的測量結果，仍需要進行復雜的溫度補償運算。針對傳統(tǒng)雙室平衡容器的缺陷和弊端，介紹了一種新型雙室平衡容器，其結構如圖2所示。與傳統(tǒng)雙室平衡容器相比，改進后容器的正負壓側同時輸出平衡容器，使容器正負引壓管路在全量程測量范圍內溫度保持一致，從而消除了溫度對液位測量結果的影響。

由圖2可知，改進后的平衡容器正壓側和負壓側均由底部引出，保證了正負壓側在同一個溫度。

負壓側壓力為

p-=pj+ρsg(h2-hw)+ρwg(hw+h3)

(6)

正壓側壓力為

p+=pj+ρwg(h2+h3)

(7)

差壓為

Δp=p+-p-=g(ρw-ρs)(h2-hw)

(8)

因而相對于規(guī)定的零水位的汽包液位：

(9)

式中：h3——連通器水平軸到正負壓側引出點的距離，mm。

由雙室平衡容器的特點可知，飽和蒸汽在凝結的過程中釋放的熱量補償了容器熱量的散失，同時通過充分的保溫措施可使容器內的溫度與汽包內溫度保持一致，因而對于特定的汽包，ρw和ρs為定值，又由于h2是容器本身制造尺寸為常數(shù)，因而由式(9)可知，改造后的雙室平衡容器其測量結果與變送器的差壓成線性關系，消除了溫度對測量結果的影響。

圖2　新型雙室平衡容器結構示意

3結束語

通過對雙室平衡容器結構、工作原理的介紹，推導出容器正負壓室的差壓計算公式，并通過計算公式證明傳統(tǒng)雙室平衡容器的自身缺陷及對測量結果的影響；提出了一種新型的雙室平衡容器，并證明其測量結果只與變送器的差壓有關，且成線性關系，消除了溫度對傳統(tǒng)雙室平衡容器測量結果的影響。實踐證明，改進后的雙室平衡容器具有很高的實用價值。

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作者簡介：仇廣金(1987—)，男，2013年畢業(yè)于浙江大學檢測技術與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)工作于中國石油工程建設公司華東設計分公司電控室，從事自動化儀表及控制系統(tǒng)設計工作。

中圖分類號：TK223.7+5

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0084-03

稿件收到日期： 2015-12-03，修改稿收到日期： 2016-03-27。