火电厂锅炉汽包水位自动测量系统误差分析与校正

张占友

【摘要】介绍了几种火电厂锅炉汽包常见差压式水位自动测量系统平衡容器的结构和性能，分析了对水位测量带来的误差影响，给出了几种平衡容器的压力校正方法，提出了实际应用的选择方案。

【关键词】平衡容器 自动测量 误差校正 实际应用

锅炉汽包水位是火力发电厂机组运行的一项重要安全性指标。机组运行中的负荷、给水流量及燃烧工况等参数的变化，会引起汽包水位经常变化。正常运行中，一般锅炉汽包水位波动要求不超过±50mm，以防止汽包满水或缺水等恶性事故的发生。当汽包满水或缺水时，轻则造成机组非计划停运，重则造成汽轮机和锅炉严重损坏。因此，保持锅炉汽包水位在正常范围内非常重要，每台锅炉上往往装有几套不同型式的水位计来监视汽包水位的变化数值，并在汽包水位越限时自动报警，更为严重时动作停炉。我国将“防止锅炉汽包满水和缺水事故”作为《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》之一，可见其重要程度。

《防止电力生产重大事故的二十五项反事故措施》规定“汽包锅炉水位保护是锅炉启动的必备条件之一，水位保护不完整严禁启动。汽包水位调节和水位保护的信号应采用有压力、有温度补偿的差压式水位计的信号”，也就是说汽包水位保护的信号应来自差压式水位计，而差压式水位计能否准确测量水位，在很大程度上取决于自身所用平衡容器的结构和性能。下面介绍几种常见的差压式水位测量平衡容器的结构和性能，并对相应的压力校正方法作以分析。

1常见的水位测量平衡容器

火力发电厂锅炉汽包差压式水位计常用的平衡容器通常有：单室平衡容器、简单双室平衡容器、蒸汽罩式双室平衡容器、蒸汽罩补偿式平衡容器等几种。

1.1单室平衡容器

单室平衡容器的结构如图1所示，其结构简单，安装方便，但测量误差较大。当锅炉在额定汽压运行，水位为正常水位时，其输出的差压△p比较稳定，测量较准确；当汽压下降时（即使此时的水位保持不变，正压侧压力（P+）变化不大，负压侧的压力（P-）将显著增大，致使平衡容器输出差压减小，水位表指示偏高。

图1和式（1）中：ρc为平衡容器内水密度，ρw为汽包内饱和水密度，ρs为汽包内饱和汽密度，g为重力加速度，H为汽包水位，△p为平衡容器输出差压，L为上下连通管距离。

由图1可以看出，正压侧压力（P+）由恒定的水柱高度维持，即汽包内的蒸汽经过正压侧一次门注入平衡容器内并凝结成水，负压侧压力（P-）则随汽包水位变化而变化，所以△p即随汽包水位而变化。

但是，由于汽包内的饱和水与平衡容器内的冷凝水温度不同而导致两种水密度不同，从而产生测量误差。为了减少此误差，通常是使平衡容器的安装标高（正负压取样管的垂直距离L）与二次显示仪表的刻度全量程一致，并在二次表校验时，按运行额定参数和环境平均温度来考虑密度影响的修正值。因此单室平衡容器在用于测量锅炉汽包水位时，要运用水位测量的汽压自动校正系统才能实现比较准确的测量。

1.2双室平衡容器

双室平衡容器的结构如图2所示。双室平衡容器的正压侧与单室平衡容器一样，维持恒定水柱高度；负压侧置于平衡容器内，顶部比正压连通管下缘稍高10mm左右，下部与汽包的水室相连通，其水柱高度随着汽包水位的变化而变化。双室平衡容器的优点是内外两根取样管内水的温度比较接近，减少了采用单室平衡容器因正负压取样管内水的密度不同所引起的测量误差。但是，由于平衡容器内的温度仍旧远远低于汽包内的温度，故负压管内的水位比汽包实际水位还是偏低，因而测量误差依然存在。

双室平衡容器的水位测量关系式与单室平衡容器相同，即△p=P+-P-=L（ρc-ρs）g-H（ρw-ρs）g。

1.3蒸汽罩式双室平衡容器

蒸汽罩式双室平衡容器的结构如图3所示。是采用汽包内饱和蒸汽来加热正、负压侧取样管内的水，使之处于饱和温度，即ρc＝ρw，从而消除了简单双室平衡容器内水温度与汽包内水温度不同带来的测量误差。由于ρc＝ρw，蒸汽罩式双室平衡容器的水柱与差压关系式为：

△p=（L–H）（ρw-ρs）g （2）

或H=L–△p/（ρw-ρs）g （3）

蒸汽罩式双室平衡容器虽然消除了环境温度对水位测量的影响，但当汽压P降低时，即使实际水位不变，但由于饱和水密度增加，正压管压力P+增大，平衡容器输出差压也将显著增大，导致水位指示偏低。

1.4蒸汽罩补偿式平衡容器

从以上看出，当汽压变化时，单室平衡容器和蒸汽罩双室平衡容器的输出差压变化方向恰好是相反的，于是提出了蒸汽罩补偿式平衡容器（即带中间抽头的双室平衡容器），其结构如图4所示。

蒸汽罩补偿式平衡容器正压侧取样管的水柱改由两段组成，ι段保持饱和温度，L—ι段保持室温。适当选择两段的比例，即可获得在某一特定水位（如0水位）下平衡容器输出的差压值不受汽压变动的影响。

用蒸汽罩对正压恒位水槽加热，使槽内的水在任何情况下都与汽包压力下饱和水的密度相同，不受环境温度的影响。蒸汽罩的加热蒸汽取自汽包的蒸汽室，凝结水经疏水管“4”流至锅炉下降管。

为了使平衡容器能迅速达到正常的工作状态，在汽包与平衡容器的连接管之间加装汽侧一次门，当锅炉开始升压时，关闭该阀门，使较高压力的炉水由疏水管注入平衡容器，并迅速充满正压恒位水槽。这样，待仪表管路冲洗后，打开该阀门，水位计即可正常投入。

在锅炉参数变化时，为了保证汽包水位一定，差压与水位成单值函数，密度补偿长度ι必须选择合适，ι值的确定是在水位为正常水位（即0水位）时获取的。因此，只有当汽包水位为H0时，才能进行良好的密度补偿。

2汽包水位测量的压力校正

2.1单室平衡容器、简单双室平衡容器的压力校正

由式（1）可知，如果将差压信号△p与反映密度变化的信号（ρc-ρs）gL代数相减，再除以密度变化信号（ρw-ρs）g，则测量系统的输出为水位H。平衡容器的汽包压力自动校正系统如图5所示。

图中f（x1）和f（x2）为函数转换器，其输出分别为（ρc-ρs）gL和（ρw-ρs）g，二者能自动跟随汽包压力变化而变化，达到自动校正汽包压力的目的。由于采用单室平衡容器时ρc仍随环境温度变化，因此，测量上仍有一定的测量误差，该误差的大小取决于ρc随环境温度变化的大小。

2.2蒸汽罩双室平衡容器的压力校正

由于蒸汽罩的作用，蒸汽罩双室平衡容器内凝结水的密度与汽包饱和水的密度相同，不受环境温度的影响。由式（3）可得到其压力校正系统图6。

函数转换器f（x2）接受汽包压力信号，输出为（ρw-ρs）g，经除法器与差压信号相除，再送入减法器与L相减，便得到汽包水位H。

综上所述，在汽包压力校正系统中f（x1）用来描述（ρc－ρs）与汽压的关系，f（x2）用来描述（ρw－ρs）与汽压的关系。这些关系在实际应用中可采用多折线函数发生器来实现；在采用微处理器或计算机控制系统的情况下，可采用较复杂的计算式，亦可采用按汽压分段的多段计算式以提高计算精度。此外，还可利用计算机控制系统强大的存储功能，采用查表的方法实现汽包水位的压力自动校正（补偿）。但由于汽包水位测量涉及的因素较多，压力校正的精度要求适可而止。

以上平衡容器的压力校正系统框图仅为简捷易懂的示意图，各参数的正负关系以及函数表达式需在理论计算中认真核实并正确应用。

3水位测量平衡容器的选用

以上几种常见的差压式水位平衡容器在监视汽包水位中消除测量误差方面各有优缺点，但都存在着小量的误差。

（1）锅炉汽包水位平衡容器的选型应根据实际情况选择。对于采用汽压校正的水位测量系统，当平衡容器安装现场环境温度较稳定时，以采用单室平衡容器为宜，因为其结构简单、安装方便，同时还可避免在采用双室平衡容器时因汽压骤然下降，造成饱和水汽化而丧失正压头的危险。当平衡容器安装现场环境温度变化较大时，以采用蒸汽罩式双室平衡容器为宜。

（2）平衡容器有多种压力校正方式，其校正精度可酌情而定。而且，以上分析都是在假定平衡容器内凝结水温度恒定的情况下给出的。在火电厂运行现场，凝结水温度是随环境温度和运行状况而变化的，因此，既要提高压力补偿精度，又要考虑到环境温度的影响。

（3）通过对电厂差压式水位计的具体应用分析可看出，除汽包压力影响水位的测量外，保温、取样管路的敷设、各种渗漏等对汽包水位测量也具有一定的影响。