新型双室平衡容器在汽包水位测量中的应用

仇广金,张鑫,李胜利

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071)



新型双室平衡容器在汽包水位测量中的应用

仇广金,张鑫,李胜利

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071)

摘要：双室平衡容器是测量汽包水位的主要方法,针对传统双室平衡容器测量结果易受环境温度的影响且配管困难的缺陷，深入分析了传统双室平衡容器的结构及工作原理，并从工程实际出发，介绍了一种结构改进型双室平衡容器。改进后容器的正负压测同时输出平衡容器，使容器正负引压管路在全量程范围内温度保持一致，从而能够克服环境温度对测量结果的影响，在工程实践中有很高的实用价值。

关键词：新型双室平衡容器汽包水位温度补偿测量误差

锅炉汽包水位不仅关系到所产生蒸汽的质量，同时也是确保生产安全的重要参数。在工作过程中，采用双室平衡容器测量汽包液位，是因为饱和蒸汽在凝汽室中凝结释放热量，对其中正压补偿管和负压管温度进行补偿，并且平衡容器充分保温，减少了热量损失，使平衡容器的温度接近于汽包内的温度，从而使正压补偿管及负压管内水的密度在任何工况下都近似等于汽包内水的密度；由于正确地选择了正压补偿管的高度，在汽包水位一定时,无论汽包内的压力如何变化，正压补偿管的压力与负压管的压力变化值均相等，因而双室平衡容器输出的差压不变。但是传统双室平衡容器的正压侧先于负压侧引出平衡容器，造成正负引压管路在全量程测量范围内温度不一致，从而产生一定的测量误差。

1传统双室平衡容器的结构及工作原理

传统双室平衡容器结构如图1所示，平衡容器由上部的凝汽室和下部的溢流室组成上下双室，其中包括基准杯和T型连通器。

图1　传统双室平衡容器结构示意

凝汽室用来凝结汽包中的饱和蒸汽使其变成饱和凝结水。饱和凝结水经过1个圆环型漏斗结构流入基准杯，其压力导出平衡容器，传向差压变送器的正压侧。T型连通器一边通向汽包下侧，一边通向差压变送器的负压侧，保持与汽包水位的平衡。溢流室收集基准杯中溢出的饱和凝结水，并将凝结水排入汽包下降管，在流动过程中为整个容器进行保温和蓄热，保持温度的一致性。

由图1可知，差压变送器正压侧输出的压力等于基准杯口所在水平面以上总静压力、补偿管中凝结水压力与补偿管水平轴线至连通器水平轴线之间位于容器的外部垂直管段中介质产生的压力之和。其中最后部分压力，由于介质为静止的且距容器较远，因而其中的介质密度应为环境温度下水的密度。

p+=pj+ρwgh1+ρcg(h2-h1)

(1)

式中：p+——差压变送器正压侧输出的压力，Pa；pj——基准杯口以上总的静压力，Pa；ρw——容器中凝结水的密度，kg/m3；ρc——环境温度下水的密度，kg/m3；h1——补偿管的高度,mm；h2——基准杯口至连通器水平轴线之间的高度，mm。

负压侧的压力等于基准杯口所在水平面以上总静压力、基准杯口水平面至汽包中汽水分界面之间饱和水蒸气产生的压力、汽包中汽水分界面至连通器水平轴线之间饱和水产生的压力之和：

p-=pj+ρsg(h2-hw)+ρwghw

(2)

式中：p-——差压变送器负压侧输出的压力，Pa；ρs——汽包中饱和水蒸气的密度,kg/m3；hw——汽水分界线至连通器水平管中心线之间的垂直高度,mm。

因而差压变送器输入差压为

Δp=p+-p-=ρwgh1+ρcg(h2-h1)-

ρsg(h2-hw)-ρwghw

(3)

汽包水的液位为

(4)

相对于规定的汽包零水位的汽包液位

h=hw-h0

所以

(5)

式中：h——相对于规定的零水位的汽包液位，mm；h0——汽包零水位，mm。

由式(5)可知，传统双室平衡容器有如下缺点：

1) 尽管传统双室平衡容器具有自我补偿功能，即当汽包中的水位越接近零水位时，容器输出差压受汽包压力变化的影响越小，但由于传统双室平衡容器基准杯低于上法兰取压口，因而量程小于法兰间距，且容器中间位置与汽包中心也不对称，致使汽包零水位与汽包中心线不一致，导致汽包零水位的确定困难。

2) 由于传统双室平衡容器的正压侧先于负压侧路引出平衡容器，造成正负引压管路在全量程测量范围内温度不一致，同时ρc取环境温度下水的密度，通常情况下它会随着季节的变化而变化，因而为了保证正负压侧垂直管路处于环境温度，要求铺设的水平管路的长度大于1000mm,增加了配管的难度。因此，传统双室平衡容器很难避免温度对其测量结果的影响。

在环境温度为30℃，水密度ρc为995kg/m3时，通过式(5)算出正压侧垂直管在不同温度下汽包的液位，见表1所列。

表1　不同温度下计算出的汽包液位

已知文中汽包的正常液位为300mm，由表1可知，正压侧温度在60℃以上时会产生5mm以上的误差，由于饱和水的温度在200℃左右，因而正压侧如果不充分散热，其温度一般会在60℃以上，测量误差不容忽视。

2新型双室平衡容器

由上述可知，虽然传统双室平衡容器具有自我补偿特性，但想获得准确的测量结果，仍需要进行复杂的温度补偿运算。针对传统双室平衡容器的缺陷和弊端，介绍了一种新型双室平衡容器，其结构如图2所示。与传统双室平衡容器相比，改进后容器的正负压侧同时输出平衡容器，使容器正负引压管路在全量程测量范围内温度保持一致，从而消除了温度对液位测量结果的影响。

由图2可知，改进后的平衡容器正压侧和负压侧均由底部引出，保证了正负压侧在同一个温度。

负压侧压力为

p-=pj+ρsg(h2-hw)+ρwg(hw+h3)

(6)

正压侧压力为

p+=pj+ρwg(h2+h3)

(7)

差压为

Δp=p+-p-=g(ρw-ρs)(h2-hw)

(8)

因而相对于规定的零水位的汽包液位：

(9)

式中：h3——连通器水平轴到正负压侧引出点的距离，mm。

由双室平衡容器的特点可知，饱和蒸汽在凝结的过程中释放的热量补偿了容器热量的散失，同时通过充分的保温措施可使容器内的温度与汽包内温度保持一致，因而对于特定的汽包，ρw和ρs为定值，又由于h2是容器本身制造尺寸为常数，因而由式(9)可知，改造后的双室平衡容器其测量结果与变送器的差压成线性关系，消除了温度对测量结果的影响。

图2　新型双室平衡容器结构示意

3结束语

通过对双室平衡容器结构、工作原理的介绍，推导出容器正负压室的差压计算公式，并通过计算公式证明传统双室平衡容器的自身缺陷及对测量结果的影响；提出了一种新型的双室平衡容器，并证明其测量结果只与变送器的差压有关，且成线性关系，消除了温度对传统双室平衡容器测量结果的影响。实践证明，改进后的双室平衡容器具有很高的实用价值。

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作者简介：仇广金(1987—)，男，2013年毕业于浙江大学检测技术与自动化装置专业，获硕士学位，现工作于中国石油工程建设公司华东设计分公司电控室，从事自动化仪表及控制系统设计工作。

中图分类号：TK223.7+5

文献标志码：B

文章编号：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。