双室平衡容器

2.前言汽包水位是锅炉及其控制系统中最重要的参数之一，双室平衡容器在其中充当着不可或缺的重要角色。但是由于一些用户对于双室平衡容器及其测量补等方面缺少全面的必要的了解或者疏漏，致使应用中时有错误发生，甚至形成安全隐患。例如胜利油田胜利发电厂一期工程，该工程投入运行早期其汽包水位测量系统的误差竟达70～90mm，特殊情况下误差将会更大（曾因此造成汽包满水停机事故）。迄今为止，据不完全了解，目前仍有个别用户存在一些类似的问题或者其它问题。汽包水位是涉及机组安全与和运行的重要参数和指标，因此不允许任何人为的误差。为使用户能够更好地掌握双室平衡容器在汽包水位测量中的应用，谨撰此文。不足之处，请不吝指正。3.双室平衡容器的工作原理3.1.简介双室平衡容器是一种结构巧妙，具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置。它的主要结构如图1所示。在基准杯的上方有一个圆环形漏斗结构将整个双室平衡容器分隔成上下两个部分，为了区别于单室平衡容器，故称为双室平衡容器。为便于介绍，这里结合各主要部分的功能特点，将它们分别命名为凝汽室、基准杯、溢流室和连通器，另外文中把双室平衡容器汽包水位测量装置简称为容器。3.2.凝汽室理想状态下，来自汽包的饱和水蒸汽经过这里时释放掉汽化潜热，形成饱和的凝结水供给基准杯及后续环节使用。3.3.基准杯它的作用是收集来自凝汽室的凝结水，并将凝结水产生的压力导出容器，传向差压测量仪表——差压变送器（后文简称变送器）的正压侧。基准杯的容积是有限的，当凝结水充满后则溢出流向溢流室。由于基准杯的杯口高度是固定的，故而称为基准杯。3.4.溢流室溢流室占据了容器的大部分空间，它的主要功能是收集基准杯溢出的凝结水，并将凝结水排入锅炉下降管，在流动过程中为整个容器进行加热和蓄热，确保与汽包中的温度达到一致。正常情况下，由于锅炉下降管中流体的动力作用，溢流室中基本上没有积水或少量的积水。3.5.连通器倒T字形连通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入变送器的负压侧。毋庸置疑，它的主要作用是将汽包中动态的水位产生的压力传递给变送器的负压侧，与正压侧的（基准）压力比较以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒T字形，是因为可以保证连通器中的介质具有一定的流动性，防止其延伸到汽包之间的管线冬季发生冻结。连通器内部介质的温度与汽包中的温度很可能不一致，致使其中的液位与汽包中不同，但是由于流体的自平衡作用，对使汽包水位测量没有任何影响。3.6.差压的计算通过前面的介绍可以知道，凝汽室、基准杯及其底部位于容器内部的导压管中的介质温度与汽包中的介质温度是相等的，即γw=γ`w，γs=γ`s。故而不难得到容器所输出的差压。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+320γw+(580－320)γc式中P+——容器正压侧输出的压力γw——容器中的介质密度（γw=γ`w）γc——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)γs+hwγw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γs——汽包中饱和水蒸汽的密度因此差压ΔP=P+－P－=320γw+260γc－(580－hw)γs－hwγw即ΔP=260γc+320γw－580γs－(γw－γs)hw（1）这里有一点需要说明，(1)式中环境温度下水的密度γc，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。最近有几位年青的同行在问“测量汽泡水位时为什么是选-6kPa～0kPa,要回答”汽包液位变送器为什么是-6kPa～0kPa而不是采用0kPa～6kPa“这个问题需从我们对锅炉汽包水位的测量是用哪一种引压方式上来回答。锅炉汽包水位测量用的取样装置是所谓的平衡容器，它的引压出口一般有三个，其中有一个是所谓的正压侧接口，另一个是所谓的负压侧接口，剩下的一个是所谓平衡容器的排污接口，当然也有仅只有二个正、负引压接口的平衡容器。4E!T#M.w(Y7S,R&X1。平衡容器的排污接口还有一个作用，就是在起炉的初期能通过适当的排污来加热整个平衡容器，使其能在较短的时间内达到与汽包内饱和水相同的温度而达到投用水位计的条件（主要是为水位自动控制创造条件）；4C+h@)F$I2。正压接口一般是通过导压管接入差压变送器的正压侧；而负压接口那就是接入变送器的负压侧；.[0v!I7J%l5O3。平衡容器的引压出口内在连通何处：至于平衡容器的正压侧是否与汽包内水侧相连还是与汽包的内部汽侧相连，不同的厂家配套来的平衡容器是不一样的，这个问题不弄清楚对以后的侧量的量程确定就麻烦了。在安装时必须要引起足够的重视，当然对照平衡容器的出厂装置图是很容易判定的。4。正负压侧：上述问题我们搞清楚后，就可以简单地定义认为：与水侧相连的引压管是相对而言为”负端“，也就是我们常说的负压侧；与汽侧相连的引压管是相对而言为”正端“，也就是我们常说的正压侧；正、负压侧是指这两根导压管相对而言哪一个引入的压力略高一点哪一个略低一点而已，区分它们是正、负压侧的目的是为了接入变送器的方便和正确而定义的。8?5v8t)u6A#u$m5。量程的确定：#q-u?)t;M9i+Q1）当我们把与汽包的水侧相连的导压管接入变送的负压侧时，我们说此时的量程为：0～6.40kPa（0差压对应着高水位、满量程差压6.40kPa对应着0水位），变送器的量程就调校在：0～6.40kPa对应4～20mA输出（0差压--高水位对应着4mA、满量程差压6.40kPa--低水位对应着20mA）。而此时对应的二次表（或数据采集器、DCS的DAS等）应当是：4～20mA输入电流对应着：+320mm～-320mm（4mA对应着+320mm、20mA对应着-320mm）。我们看出，这种接法造成了二次表（水位数显表或DCS等）要根据水位变送器输来的实际当前电流值来反向来计算实际水位。把电流与水位的关系画在坐标图上时就会发现，二者的关系是倒着的（数学上说是反比关系，函数的钭率是负数）：电流大→水位低。.x/]1Y-~)z7v*N'\2）当我们把与汽包的汽侧相连的导压管接入变送器的负压侧时，我们说此时的量程为：-6.40kPa～0kPa，变送器的量程就调校在：-6.40kPa～0kPa对应4～20mA输出（即变送器零位迁移6.40kPa）。当水位最高时，引入的差压加在变送器正负接口上，变送器输出表现为（正指向负）0差压、对应的输出是20mA，当水位最低时，引入的差压加在变送器正负接口上，变送器输出表现为（正指向负）-6.40kPa差压、对应的输出是4mA。而此时对应的二次表（或数据采集器、DCS的DAS等）应当是：4～20mA输入电流对应着：-320mm～+320mm（4mA对应着-320mm、20mA对应着+320mm）。我们看出，这种接法就变成了我们顺畅的正向计算水位的程式，把电流与水位的关系画在坐标图上时就会发现，二者的关系是顺着的（数学上说是正比关系，函数的钭率变成正数了）：电流大→水位高。/m$F9m+v,j9R'F7H.r7g6。变送器量程的选择：从上述看的出，量程的起点与方向选择好象没多大意义，那为什么又要有人这样去确定呢？答案不在我们测量汽包水位上，而是在自动调控制系统的要求上。1）当选择汽包水位变送器的量程是：-6.40kPa～0kPa时，我们可以形象地称作：水位高→变送器输出电流大→调节系统中调节器的水位输入信号大→调节器运算结果、调节器输出信号小→给水阀门向关小方向运动→给水流量减小；水位低→变送器输出电流小→调节系统中调节器的水位输入信号小→调节器运算结果、调节器输出信号大→给水阀门向开大方向运动→给水流量增大。这就是自动控制上所说的“反作用”。2）当选择汽包水位变送器的量程是：0kPa～6.4kPa时，我们可以形象地称作：水位高→变送器输出电流小→调节系统中调节器的水位输入信号小→调节器运算结果、调节器输出信号大→给水阀门向开的方向运动；水位低→变送器输出电流大→调节系统中调节器的水位输入信号大→调节器运算结果、调节器输出信号小→给水阀门向关的方向运动。这就是自动控制上所说的“正作用”。自动控制上说的正、反作用是指的调节器的输入与输出而言的，与我们仅仅测量水位没有多大的联系，当然，当一个汽包水位变送器输入到显示表的同时又作水位自动调节的水位输入信号时，量程的选择就要适当照顾一下调节回路了。1V8]7}+A0]1}$i7。有位同行说他们那儿是选的-3kPa～+3kPa,这是可以的，仅仅是把变送器调校在0～6kPa后再把变送器的零位迁移3kPa变成-3kPa～+3kPa而已（零位向负方向迁移）。8.量程值:我们通常把1mm的水位测量说成10Pa差压,那么600mm就是6kPa差压、