火電項目中, 鍋爐汽包液位是全廠非常重要的控制參數(shù), 液位過高會導致蒸汽帶水進入過熱器, 并在過熱管內(nèi)結(jié)垢影響傳熱效率;液位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)引起水冷壁局部過熱而爆管。設計上, 通常采用差壓式液位計和導波雷達液位計相結(jié)合來采集汽包液位遠傳信號。在開車調(diào)試及正常生產(chǎn)過程中, 經(jīng)常發(fā)現(xiàn)差壓液位變送器數(shù)據(jù)不準確, 檢查取壓管也沒發(fā)現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。對于導致差壓液位變送器不準的原因, 該文從測量原理和安裝方式上分析和探討差壓變送器誤讀數(shù)的原因, 給出合理化的安裝建議。

  由于水物理性質(zhì)的復雜性, 鍋爐汽包里水的密度是隨著溫度和汽包頂部蒸汽壓力的變化而不斷變化的。

  以圖1為例, 假設差壓變送器的安裝位置是在下管嘴附近, 那么上管嘴引出來的這根引壓管, 其豎直向下的豎管L里, 水的溫度應該只是環(huán)境溫度。則豎直引壓管里水的密度, 應該會比汽包里水的密度更大。如果正常工況下鍋爐里水的密度是800 kg·m-3, 并且假設差壓變送器設置2 m高度時液位為****輸出, 則2 m高度800 kg·m-3的鍋爐水產(chǎn)生的差壓為P=800×2×9.8, 但由于豎直引壓管暴露在環(huán)境中, 因此水溫接近環(huán)境溫度, 則水的密度為1000 kg·m-3, 那么, 當實際水位達到0.8×2=1.6 m時, 差壓變送器已經(jīng)輸出20 m A。所以從分析得出, 引壓管內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力的變化是導致測得液位總是偏高的原因。

  差壓式液位計的工作原理是在汽包水位取樣管上安裝平衡容器, 利用液體靜力學原理使水位轉(zhuǎn)換成差壓, 用引壓管將差壓信號送至差壓計, 由差壓計顯示汽包液位。現(xiàn)在常見的平衡容器有單室平衡容器、雙室平衡容器和帶蒸汽罩補償式平衡容器。中華人民共和國化工行業(yè)標準HG/T 21581—2010中使用單室平衡容器和雙室平衡容器兩種安裝方式。

  單室平衡容器結(jié)構(gòu)簡單, 如圖1所示, 平衡容器水平管接汽包汽側(cè)取樣孔, 底部垂直管接差壓液位變送器正壓端;由汽包水側(cè)取樣孔引出的水平取樣管一端接差壓變送器負壓端, 一端與汽包水側(cè)連通。運行中蒸汽不斷進入平衡容器并被冷卻, 容器內(nèi)液位高度保持恒定, 多余凝結(jié)水經(jīng)連通管回到汽包。

  雙室平衡容器原理如圖2所示。

  蒸汽在雙室平衡容器里冷凝, 釋放出潛熱, 使得雙室平衡容器里的溫度始終跟鍋爐汽包相差無幾, 這樣不但使得基準杯始終滿盈, 也使得基準杯下面這根豎直向下的引壓管管內(nèi)水的溫度和密度, 和鍋爐內(nèi)水的溫度密度非常接近。雙室平衡容器底部有一根不保溫的管子接到鍋爐底部的下降管, 平衡容器內(nèi)的冷凝水由此不斷回流到鍋爐內(nèi)。

  電力公司在2001年的第795號文發(fā)布的《電站鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)配置、安裝和使用若干規(guī)定》中對差壓式水位測量裝置的安裝有如下規(guī)定:

1) 差壓式水位測量裝置的平衡容器應為單室平衡容器, 即直徑約100 mm的球體或球頭圓柱體 (容積為300～800 ml) , 容器前汽水側(cè)取樣管可有連通管。

2) 安裝汽水側(cè)取樣管時, 應保證管道的傾斜度不小于100∶1, 對于汽側(cè)取樣管應使取樣孔側(cè)低, 對于水側(cè)取樣管應使取樣孔側(cè)高 (見圖1) 。

3) 汽水側(cè)取樣管、取樣閥門和連通管均應良好保溫。平衡容器及容器下部形成參比水柱的管道不得保溫。引到差壓變送器的兩根管道應平行敷設共同保溫, 并根據(jù)需要采取防凍措施。

  電力公司在組織對國內(nèi)電站鍋爐汽包水位測量和水位保護運行調(diào)研后, 明確汽包液位安裝使用單室平衡容器, 分析原因主要是由于雙室平衡容器是保溫的, 容器內(nèi)又不斷的有蒸汽冷凝釋放出潛熱, 這就導致基準杯和基準杯下面的那根豎直的取壓管里面的水溫度較高, 非常接近即將汽化的溫度。當鍋爐的蒸汽負荷加大時, 蒸汽被抽走, 鍋爐內(nèi)的壓力下降, 基準杯和豎直取壓管內(nèi)的水, 有可能沸騰, 變成蒸汽, 這就給取壓測量帶來明顯的誤差。

  通過上述對汽包液位產(chǎn)生誤差的原因分析及電力公司具體的安裝要求, 解決傳統(tǒng)汽包液位測量偏差應主要通過對汽包液位進行密度補償來達到。目前成熟的DCS系統(tǒng)組態(tài)過程中, 利用折線表, 在不同的飽和水密度和飽和蒸汽密度對應不同壓力條件下, 對壓力進行自動補償。

  式中:H為汽包液位, L為平衡容器的測量量程, L1為平衡容器負壓管接口至水側(cè)取壓管的距離, ρ0為變送器引壓管內(nèi)的冷凝水密度, ρw為汽包內(nèi)飽和水密度, ρs為汽包內(nèi)飽和蒸汽的密度, g為常數(shù)。

  可以看出, 平衡容器內(nèi)轉(zhuǎn)換的壓差不僅與H有關, 還與ρ0, ρw和ρs有關。汽包內(nèi)壓力的變化, 會引起飽和水和飽和蒸汽密度的變化從而產(chǎn)生測量誤差。

  根據(jù)《飽和水和飽和蒸汽的熱力學基本參數(shù)表》, DCS組態(tài)中利用多段折線函數(shù)模塊, 擬合不同壓力下飽和水和飽和蒸汽的密度變化曲線, 代入式 (1) 中, 就能很好地實現(xiàn)平衡容器轉(zhuǎn)換的差壓Δp與水位H的單位函數(shù)關系, 從而準確地測量汽包液位。

在鍋爐汽包水位測量中使用***多的是差壓式液位計測量方式，盡管很多單位選用了高精度的差壓變送器（單晶硅差壓變送器，精度***高可以達到0.075級），但由于種種原因，在實際運行中其測量誤差常常較大，有時甚至誤差會達到20%-30%，所以往往造成操作人員的誤判，從而導致操作失誤，嚴重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運行。因此，找出汽包水位測量誤差產(chǎn)生的原因并盡量克服，具有重要的實際意義。

1、汽包水位差壓式液位計工作原理
差壓式液位計是將液位高低信號轉(zhuǎn)換成相應差壓信號來實現(xiàn)液位測量的儀器。它是由平衡容器（又稱液位-差壓轉(zhuǎn)換容器）、壓力信號導壓管及差壓變送器三部分組成的。液位信號*先由平衡容器轉(zhuǎn)換成差壓信號，然后差壓變送器測出差壓值的大小，并將液位信號轉(zhuǎn)換成電流信號，遠傳至控制室進行連續(xù)液位指示、記錄，并為水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供液位信號。差壓變送器準確測量汽包水位的關鍵在于液位與差壓之間的準確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器來實現(xiàn)的。
圖1  差壓式水位計與平衡容器

圖1所示為一種簡單的單室平衡容器，汽包的上連通管與單室平衡容器相接，容器的底部連接一導壓管（簡稱“正壓管”）；汽包的下連通管直接與負壓管相接。由于汽包的飽和蒸汽在單室平衡容器內(nèi)不斷地散熱凝結(jié)，容器內(nèi)液面總是保持恒定，所以正壓管內(nèi)水柱高度維持不變，而負壓管內(nèi)水柱高度則隨汽包H變化而變化。因此，由正、負導壓管得到的差壓信號為：
△P=P+ - P-=Lρ1g -［Hρ′g+（L-H）ρ″g］=L（ρ1-ρ″）g-H（ρ′-ρ″）g
公式中，H為汽包水位高度；ρ1為平衡容器中水的密度；ρ′為汽包飽和水密度、ρ″為汽包內(nèi)飽和蒸汽的密度；L為汽包上、下連通管間距離。由公式可知，平衡容器結(jié)構(gòu)確定后（即L為已知常數(shù)），在汽包壓力維持恒定（ρ′、ρ″確定）以及ρ1一定的條件下，正、負導壓管的差壓輸出△P與汽包水位H呈單值函數(shù)關系。因此，若P+、P-接差壓變送器，就可根據(jù)所測出的差壓數(shù)值知道相應的液位值。

2、差壓式液位計測量誤差分析
由前面的公式可以看出，要想保持△p與H成單值線性關系，必須使ρ′、ρ″和ρ1為恒定值。但是汽包工作壓力變化以及環(huán)境溫度變化都會使ρ′、ρ″和ρ1產(chǎn)生變化，因而導致測量誤差。由此可見，密度變化是汽包水位測量產(chǎn)生誤差的主要原因，因此必須了解其變化規(guī)律，并采取相應的措施。飽和水及飽和蒸汽的狀態(tài)只取決于壓力（或溫度），當壓力（或溫度）波動時，汽包內(nèi)飽和水及飽和蒸汽的密度也相應發(fā)生變化。當汽包壓力升高時，飽和水密度ρ′減小，飽和蒸汽密度ρ″增大。當上升到臨界壓力時，飽和水和飽和蒸汽的密度相同。由公式可知，汽包工作壓力變化時，主要是負壓頭［Hρ′g+（L-H）ρ″g］的變化使差壓△P發(fā)生改變。而ρ′與ρ″隨壓力變化的方向相反，因此負壓頭中的兩項變化可互相抵償。但因ρ′與ρ″的變化率不同，所以這兩項變化不能完全抵消，而且在液位H不同時，這兩項隨壓力變化的數(shù)值也不相同。

3、差壓式液位計誤差產(chǎn)生的原因及消除方法
本文以單室平衡容器安裝為例來分析產(chǎn)生誤差的原因，主要包括以下3種：安裝不規(guī)范或錯誤安裝、維護不及時或誤操作、工藝系統(tǒng)或工況改變。
3.1 安裝不規(guī)范或錯誤安裝
3.1.1 測壓點取的位置不合適一般來說測壓點不會搞錯。主要是上部單室平衡容器的進口必須與汽包上連通管在同一水平上，要嚴格按設計圖紙來安裝。安裝時還要注意測壓點是否有不潔物，如有要及時清理干凈，防止安裝后堵塞。

3.1.2 導壓管路安裝不規(guī)范
安裝導壓管路的主要目的是傳遞壓力，不規(guī)范安裝會造成正、負壓側(cè)產(chǎn)生附加誤差，從而產(chǎn)生測量誤差。
①導壓管路太短或太長。
根據(jù)一般技術規(guī)定，導壓管路應在3-50m之間，太短時測量波動大，太長則測量滯后；且在測量時應保證水平管線有1∶12的坡度，保證管道內(nèi)充滿液體，以免產(chǎn)生測量誤差。消除方法是按照技術規(guī)定和設計來施工。
②導壓管路正、負側(cè)裝反。
從測壓點扯過導壓管往差壓變送器上裝時正、負側(cè)裝錯，等投用后出現(xiàn)問題還不容易查出原因，因為這點極易被忽視。導壓管與差壓變送器的連接請參閱《鍋爐水位平衡容器氣相管應連接差壓變送器的高壓室還是低壓室》技術文章。 
③受熱不均勻或離熱源太近。      
平衡容器及連接管安裝后，水側(cè)連通管應加保溫。但為使平衡容器內(nèi)蒸汽凝結(jié)加快，汽側(cè)連通管與平衡容器上部都不應加保溫。

3.1.3 差壓變送器安裝不規(guī)范
差壓變送器安裝環(huán)境太差，如震動大、塵土大或者有強腐蝕介質(zhì)。消除辦法就是按照有關技術規(guī)定選擇合適的位置來安裝差壓變送器，若屬特殊情況必須在此環(huán)境中安裝，則應按照現(xiàn)場實際情況采取防護措施，如增加防護箱或固定支架等。

3.2 維護不及時或誤操作
為了保證汽包水位計的長周期穩(wěn)定運行，進行各種計量，就要求相關人員平時精心維護儀器。否則由于維護不及時或誤操作，都會引起測量誤差的產(chǎn)生。
3.2.1 導壓管三閥組堵或漏消除方法
按時巡檢，發(fā)現(xiàn)問題要及時處理，漏則用工具緊固，堵則排污清洗，用手壓泵或其他工具疏通，保證壓力的正常傳遞。

3.2.2 冷凝液由于誤操作流失消除方法
工作壓力較低的平衡容器（如凝汽器、除氧器等）安裝時，可在平衡容器頂部加裝水源管或灌水絲堵，以保證平衡容器內(nèi)有充足的凝結(jié)水，并能較快地投入差壓式液位計。

3.2.3 差壓變送器的飄零消除方法
要定期校驗變送器的零點和量程。

3.3 工藝系統(tǒng)或工況改變
在高參數(shù)機組里，實際運行的參數(shù)隨時都在發(fā)生變化。當壓力發(fā)生變化時，ρ′、ρ″和ρ1也在發(fā)生變化。因此，液位的波動會比較大，從而給液位測量的準確度帶來比較大的影響。消除方法：在平衡容器和汽包之間加入一凝結(jié)水管，這樣可以使平衡容器內(nèi)的水得到一定的緩沖，壓力與密度相對比較穩(wěn)定，如圖2所示。
圖2  單室平衡容器與差壓變送安裝示意圖
 

  明確了在今后的電站鍋爐建設中差壓式液位計的平衡容器應選擇單室平衡容器, 將汽包內(nèi)不同壓力下的飽和水密度和飽和蒸汽密度引入DCS系統(tǒng)內(nèi), 對差壓式液位計進行密度補償, 就能得出實際的汽包液位, 以避免發(fā)生嚴重的汽包缺水、滿水事故。