本文以东方锅炉厂 DG670-13.73-8A 型锅炉所采用的测量范 围为±300mm 双室平衡容器为例加以介绍(如图 1 所示)。 通过图 1 可知,容器正压侧输出的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压 力, 加上基准杯口至 L 形导压管的水平轴线之间这段垂直区间的凝结水压力,再 加上 L 形导压管的水平轴线至连通器水平轴线之间, 位于容器的外部的这段垂直 管段中的介质产生的压力。显而易见,其中的最后部分压力,由于其中的介质为 静止的且距容器较远,因此其中的介质密度应为环境温度下的密度。因此 P+= PJ +320 γ w +(580-320) γ c 式中 P+ —— 容器正压侧输出的压力 γ w —— 容器中的介质密度(γ w= γ ` w ) γ c —— 环境温度下水的密度 PJ —— 基准杯口以上总的静压力 负压侧的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压力, 加上基准杯口水平面至 汽包中汽水分界面之间的饱和水蒸汽产生的压力, 再加上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,即P-= PJ+(580-hw) γ s + hwγ w 式中 P-—— 容器负压侧输出的压力 hw —— 汽水分界线至连通器水平管中心线之间的垂直高度 γ s —— 汽包中饱和水蒸汽的密度 因此差压 Δ P=P+-P-=320 即γsγw+260 γ c γ c -(580-hw) γ w γ s -hwγ w s Δ P=260 )hw + 320 -580 γ -(γ w- (1) 这里有一点需要说明,(1)式中环境温度下水的密度 γ c,通常情况下它会随 着季节的变化而变化, 它的变化将会影响汽包水位测量的准确性。就本例中的容 器而言,当环境温度由 25℃升高到 50℃时,由于密度的变化对于差压产生的影 响为-2.3mm 水柱,经过补偿系统补偿后对最终得到的汽包水位的影响将为 +2.3~5.5mm 之间。通常情况下这样的误差是可以忽略的,也就是说可以认为这 里的温度是恒定的。但是为了尽量减小误差,必须恰当地确定这里的温度。确定 温度可以遵循这样一条原则,就高不就低,视当地气候及冬季伴热等因素确定。 比如此处的环境温度一年当中通常在 0~50℃之间变化,平均温度为 25℃,则可 以令这里的温度为 35℃。这是因为水的密度随着温度升高它的变化梯度越来越 大,确定的温度高些,将会使环境温度变化对整个系统的影响更小。就本例中的 容器而言, 当温度从 0℃升高到 25℃时,温度的变化对测量系统的最终结果影响 只有 1mm 左右,而环境温度从 25℃升高到 50℃所带来的影响却为+2.3~5.5mm 之间。故而,确定温度应就高不就低。 4.双室平衡容器的工作特性 容器的工作特性对于汽包水位测量和补偿系统来说非常重要, 了解这种特性利于 用户的应用和掌握应用中的技巧。查《饱和水与饱和水蒸汽密度表》可以获得各 种压力下饱和水与饱和水蒸汽的密度。把0、±50、±100mm 等汽包水位分别代 入(1)式,可得到容器输出的一系列差压,见下表 1《双室平衡容器固有补偿 特性参照表》。通过表 1 可以得知双室平衡容器的工作特性。 从表 1 中可以看到, 各水位所对应的由容器所输出的差压随着压力的变化(相关 饱和汽、水密度)各自发生着不同的变化。这里首先注意 0 水位所对应的差压, 它的变化规律较其它水位有明显不同,只在一个较小的范围内波动。由于该容器 的设计压力为 13.73MPa, 因此 14.5MPa 以下它的波动范围更小,仅在±5mm 水柱 以内。也就是说当汽包中的水位为 0 水位时,无论压力如何变化,即使在没有补 偿系统的情况下,对0水位测量影响都极小或者基本没有影响。关于其它水位, 则当汽包水位越接近于 0 水位, 其对应的差压受压力的变化影响越小, 反之则大。 因此, 双室平衡容器是一种具有一定的自我补偿能力的汽包水位测量装置。它的 这种能力主要体现在, 当汽包中的水位越接近于 0 水位,其输出的差压受压力变 化的影响越小,即对汽包水位测量的影响越小。毫无疑问,容器特性由于容器的 自身结构决定的,故又称为固有补偿特性。表1中,0MPa 对应两行差压值,其 原因后文将会提到。 之所以双室平衡容器会有这种特性其实质,是由于双室平衡 容器在设计制造时采取了特殊的结构, 这种结构最大限度地削弱了汽水密度变化 对常规运行水位差压的影响。但是尽管如此,它并不能完全满足生产的需要,仍 然需要继续补偿。 5.补偿系统 5.1.基础知识与基本概念 从容器的特性中可以看到,双室平衡容器不能完全满足生产的需要。究其原因,是由于介质 密度的变化所造成的。因此,必须要采取一定的措施,进一步消除密度变化对汽包水位测量 的影响。 这种被用来消除密度变化带来的影响的措施就叫做补偿。 通过补偿以准确地测定汽 包中的水位。 汽包水位测量补偿的方法通常有两种,一种是压力补偿,另一种是温度补偿,无论采取哪种 方法补偿效果都一样。但是它们之间略有区别,即温度补偿可以从 0℃开始,而压力补偿只 能从 100℃开始。这是因为温度可以一一对应饱和密度以及 100℃以下时的非饱和密度,而 压力却只能一一对应饱和密度,即最低压力 0MPa 只能对应 100℃时的饱和密度。故而由这 两种方法构成的补偿系统各自对应的补偿起始点有所不同, 即差压变送器量程有所不同。 表1中0MPa 对应两行差压值,其原因即在于此;其中上一行对应的是温度补偿,下一行对应 压力补偿。很显然,温度补偿也可以从 100℃开始。 5.2.建立补偿系统的步骤 第一步 确定双室平衡容器的 0 水位位置 容器的 0 水位的位置一般情况下比较容易确定, 通过查阅锅炉制造厂家有关汽包 (学名锅筒) 及附件方面的图纸和资料, 进行比较和计算即可获得。 文中例举的容器 0 水位位置位于连通 器水平管轴线以上 365mm 处,即基准杯口水所在的平面下方 215mm 处。但是,偶尔由于 图纸的疏漏缺少与确定 0 水位相关的数据, 无法计算出 0 水位的位置, 那么确定起来就比较 复杂。 如图 1 中就缺少数据。 这种情况下就只有根据容器的自我补偿特性在 0 水位所体现的 特点通过反复验算来获得。 由于容器本身就是用这样的方法经反复验算而设计制造的, 只要 验算的方法正确通过验算得到的数据会很准确可靠, 当然这只限于图纸不详的情况下。 由于 限于篇幅,这里只提供思路,具体的验算的方法本文不予介绍。对此感兴趣的读者可以试一 试。 第二步 确定差压变送器的量程 差压变送器的量程是由汽包水位的测量范围、 容器的 0 水位位置以及补偿系统的补偿起始点 等三方面因素决定的。一些用户一般只考虑了前两方面因素,而忽略了补偿起始点因素,甚 至极个别的用户只简单地根据汽包水位的测量范围确定变送器的量程,造成很大的测量误 差。一般情况下,忽略容器的 0 水位位置所造成的误差在 70~90mm 之间,忽略补偿起始点 所产生的误差在 30mm 以下,特别情况下误差都将会更大。此外,这里特别提醒用户,在 进行汽包水位测量工作时,关于变送器的量程,在没有得到确认的情况下,切不可单纯依赖 设计部门的图纸。事实上,多数情况下,设计部门在进行此类设计,对变送器选型时,只确 定基本量程,而不给出应用量程。 下面来确定变送器的量程。 本文的例子中容器的 0 水位位置位于连通器水平管轴线以上 365mm 处。由于该容器的量程 为±300mm,因此(1)式中的 hw 的最大值和最小值分别为 665mm 和65mm。如果采用压 力补偿,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 665mm 和65mm 代入(1)式,即得最小 差压 Δ Pmin=-70.5mm 水柱 和最大差压 Δ Pmax=504mm 水柱 这两个差压值就是变送器的量程范围(见表 1 中0MPa 对应的下行) ,即-70.5~504mm 水柱。如果采用温度补偿,且从 0℃开始补偿,则由于水的密度极其接近 1mg/mm3,误差可 以忽略,令蒸汽的密度为 0。用同样方法即可得到变送器的量程为-85~515mm 水柱(见表1中0MPa 对应的上行) 。实际上,从0℃开始补偿是完全没有必要的,其原因这里无需 遨述。 第三步 确定数学模型 数学模型是补偿系统中的最重要环节。由(1)式得 (2) 由于相对于规定的 0 水位的汽包水位 h= hw-365mm,所以 (3) 式中 h —— 相对于规定的 0 水位的汽包水位 γ w —— 饱和水的密度 γ γ s —— 饱和水蒸气的密度 c —— 环境温度下水的密度 Δ P—— 差压 ( 3 )式即为补偿系统的数学模型。式中 γ c=0.9956mg/mm3,所以 (4) (4)式为最终的数学模型。显然,它与(3)式的作用完全一样。在补偿系统中可以任选其 一。 第四步 确定函数、完成系统 在(3)式和(4)式中含都有“320 γ w-580 γ s”和“γ w-γ s”关于饱和水与 饱和水蒸汽密度的两个子式。查《饱和水与饱和水蒸汽密度表》 ,可以获得这两个子式关于 压力或温度的函数曲线。将所得到的曲线以及(3)式或者(4)式输入用以执行运算任务硬 件设备,补偿系统即告完成。 从补偿系统的建立过程可以发现,补偿系统是根据某一特定构造的容器而建立的。因此,建 立补偿系统时应根据不同的容器,建立不同的补偿系统。建立补偿系统时,当确定差压的计 c 为常数,令环境温度为 30 ℃,则γ算公式以后,只需重复这里的步骤即可得到新的汽包水位测量补偿系统。 6.关于容器保温问题的释疑 众所周知,为了使容器达到理想工作状态,容器的外部必须作以适当的保温。然而,关于容 器的凝汽室及顶部的保温问题目前有些争议, 部分用户认为这里的保温可有可无。 笔者在这 里阐述一下个人的观点。笔者通过多年观察发现,在这里没有保温的情况下,冬季由仪表显 示的汽包水位会比夏季低将近 10mm。分析原因,是因为一般情况下凝汽室的温度都要比环 境高 300℃左右,甚至更高,因此它的热辐射能力很强。当凝汽室外部没有保温或者保温条 件比较差时,尽管凝结水的速度会加快并导致更多的饱和水蒸汽流到这里补充这里的热量, 但是由于这里的介质处于自然对流状态且受到管路等的阻力的制约, 使补充的热量难以维持 这里的温度,进而影响了测量的准确性。