昌暉儀表以實(shí)踐為基礎(chǔ)，剖析了雙室平衡容器工作原理與特性。重點(diǎn)論述了汽包水位補(bǔ)償系統(tǒng)的建立方法與步驟，同時(shí)指出了雙室平衡容器應(yīng)用中的常見錯(cuò)誤并提出了解決方案。
1、雙室平衡容器概述
汽包水位是鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，雙室平衡容器在其中充當(dāng)著不可或缺的重要角色。但是由于一些用戶對(duì)于雙室平衡容器及其測(cè)量補(bǔ)等方面缺少全面的必要的了解或者疏漏，致使應(yīng)用中時(shí)有錯(cuò)誤發(fā)生，甚至形成安全隱患。例如勝利油田勝利發(fā)電廠一期工程，該工程投入運(yùn)行早期其汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的誤差竟達(dá)70-90mm，特殊情況下誤差將會(huì)更大(曾因此造成汽包滿水停機(jī)事故)。迄今為止，據(jù)不完全了解，目前仍有個(gè)別用戶存在一些類似的問題或者其它問題。汽包水位是涉及機(jī)組安全與和運(yùn)行的重要參數(shù)和指標(biāo)，因此不允許任何人為的誤差。為使用戶能夠更好地掌握雙室平衡容器在汽包水位測(cè)量中的應(yīng)用，謹(jǐn)撰此文。不足之處，請(qǐng)不吝指正。
2、雙室平衡容器工作原理
雙室平衡容器是一種結(jié)構(gòu)巧妙，具有一定自我補(bǔ)償能力的汽包水位測(cè)量裝置。它的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。在基準(zhǔn)杯的上方有一個(gè)圓環(huán)形漏斗結(jié)構(gòu)將整個(gè)雙室平衡容器分隔成上下兩個(gè)部分，為了區(qū)別于單室平衡容器，故稱為雙室平衡容器。為便于介紹，這里結(jié)合各主要部分的功能特點(diǎn)，將它們分別命名為凝汽室、基準(zhǔn)杯、溢流室和連通器，另外文中把雙室平衡容器汽包水位測(cè)量裝置簡(jiǎn)稱為容器。
圖1 雙室平衡容器結(jié)構(gòu)示意圖
①凝汽室
理想狀態(tài)下，來自汽包的飽和水蒸汽經(jīng)過這里時(shí)釋放掉汽化潛熱，形成飽和的凝結(jié)水供給基準(zhǔn)杯及后續(xù)環(huán)節(jié)使用。
②基準(zhǔn)杯
它的作用是收集來自凝汽室的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水產(chǎn)生的壓力導(dǎo)出容器，傳向差壓測(cè)量?jī)x表-差壓變送器的正壓側(cè)?；鶞?zhǔn)杯的容積是有限的，當(dāng)凝結(jié)水充滿后則溢出流向溢流室。由于基準(zhǔn)杯的杯口高度是固定的，故而稱為基準(zhǔn)杯。
③溢流室
溢流室占據(jù)了容器的大部分空間，它的主要功能是收集基準(zhǔn)杯溢出的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水排入鍋爐下降管，在流動(dòng)過程中為整個(gè)容器進(jìn)行加熱和蓄熱，確保與汽包中的溫度達(dá)到一致。正常情況下，由于鍋爐下降管中流體的動(dòng)力作用，溢流室中基本上沒有積水或少量的積水。
④連通器
倒T字形連通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入差壓變送器的負(fù)壓側(cè)。毋庸置疑，它的主要作用是將汽包中動(dòng)態(tài)的水位產(chǎn)生的壓力傳遞給差壓變送器的負(fù)壓側(cè)，與正壓側(cè)的(基準(zhǔn))壓力比較以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒T字形，是因?yàn)榭梢员ＷC連通器中的介質(zhì)具有一定的流動(dòng)性，防止其延伸到汽包之間的管線冬季發(fā)生凍結(jié)。連通器內(nèi)部介質(zhì)的溫度與汽包中的溫度很可能不一致，致使其中的液位與汽包中不同，但是由于流體的自平衡作用，對(duì)使汽包水位測(cè)量沒有任何影響。
⑤差壓的計(jì)算
通過前面的介紹可以知道，凝汽室、基準(zhǔn)杯及其底部位于容器內(nèi)部的導(dǎo)壓管中的介質(zhì)溫度與汽包中的介質(zhì)溫度是相等的，即ρ1=ρ2，ρ3=ρ4。故而不難得到容器所輸出的差壓。本文以東方鍋爐廠DG670-13.73-8A型鍋爐所采用的測(cè)量范圍為±300mm雙室平衡容器為例加以介紹(如圖2所示)。
圖2 東方鍋爐廠DG670-13.73-8A型鍋爐所采用雙室平衡容器
a、通過圖2可知，容器正壓側(cè)輸出的壓力等于基準(zhǔn)杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準(zhǔn)杯口至L形導(dǎo)壓管的水平軸線之間這段垂直區(qū)間的凝結(jié)水壓力，再加上L形導(dǎo)壓管的水平軸線至連通器水平軸線之間，位于容器的外部的這段垂直管段中的介質(zhì)產(chǎn)生的壓力。顯而易見，其中的最后部分壓力，由于其中的介質(zhì)為靜止的且距容器較遠(yuǎn)，因此其中的介質(zhì)密度應(yīng)為環(huán)境溫度下的密度。因此
P+=PJ+320×ρ3+(580-320)×ρ0 ，公式中“P+”為容器正壓側(cè)輸出的壓力，“ρ3”汽包中飽和水密度(ρ3=ρ4)，“ρ0”為環(huán)境溫度下水的密度，“PJ”為基準(zhǔn)杯口以上總的靜壓力。
b、通過圖2可知，容器負(fù)壓側(cè)的壓力等于基準(zhǔn)杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準(zhǔn)杯口水平面至汽包中汽水分界面之間的飽和水蒸汽產(chǎn)生的壓力，再加上汽包中汽水分界面至連通器水平軸線之間飽和水產(chǎn)生的壓力，即P-=PJ+(580-Hw)×ρ1+Hw×ρ3
式中“P-”為容器負(fù)壓側(cè)輸出的壓力，“Hw”為汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度，“ρ1”汽包中飽和蒸汽密度(ρ2=ρ1)，“ρ3”為汽包中飽和水的密度(ρ3=ρ4)，“ρ0”為環(huán)境溫度下水的密度
因此差壓ΔP=P+P－=320×ρ1+260×ρ0－(580－Hw)×ρ1－Hw×ρ3，經(jīng)推導(dǎo)得：
ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw，公式中“ρ0”為環(huán)境溫度下水的密度，“ρ1”為汽包飽和蒸汽密度(ρ2=ρ1)，“ρ3”為汽包中飽和水密度(ρ3=ρ4)，“Hw”為汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度。
這里有一點(diǎn)需要說明：
公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，環(huán)境溫度下水的密度ρ0通常情況下它會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化，它的變化將會(huì)影響汽包水位測(cè)量的準(zhǔn)確性。就本例中的容器而言，當(dāng)環(huán)境溫度由25℃升高到50℃時(shí)，由于密度的變化對(duì)于差壓產(chǎn)生的影響為－2.3mm水柱，經(jīng)過補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償后對(duì)最終得到的汽包水位的影響將為+2.3～5.5mm之間。通常情況下這樣的誤差是可以忽略的，也就是說可以認(rèn)為這里的溫度是恒定的。但是為了盡量減小誤差，必須恰當(dāng)?shù)卮_定這里的溫度。確定溫度可以遵循這樣一條原則，就高不就低，視當(dāng)?shù)貧夂蚣岸景闊岬纫蛩卮_定。比如此處的環(huán)境溫度一年當(dāng)中通常在0-50℃之間變化，平均溫度為25℃，則可以令這里的溫度為35℃。這是因?yàn)樗拿芏入S著溫度升高它的變化梯度越來越大，確定的溫度高些，將會(huì)使環(huán)境溫度變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響更小。就本例中的容器而言，當(dāng)溫度從0℃升高到25℃時(shí)，溫度的變化對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的最終結(jié)果影響只有1mm左右，而環(huán)境溫度從25℃升高到50℃所帶來的影響卻為+2.3～5.5mm之間。故而，確定溫度應(yīng)就高不就低。
3、雙室平衡容器的工作特性
雙室平衡容器的工作特性對(duì)于汽包水位測(cè)量和補(bǔ)償系統(tǒng)來說非常重要，了解這種特性利于用戶的應(yīng)用和掌握應(yīng)用中的技巧。查《飽和水與飽和水蒸汽密度表》可以獲得各種壓力下飽和水與飽和水蒸汽的密度。把0mm、±50mm、±100mm等汽包水位分別代入公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，可得到雙室平衡容器輸出的一系列差壓，見下表1《雙室平衡容器固有補(bǔ)償特性參照表》。通過表1可以得知雙室平衡容器的工作特性。
表1 雙室平衡容器固有補(bǔ)償特性參照表
從表1中可以看到，各水位所對(duì)應(yīng)的由容器所輸出的差壓隨著壓力的變化(相關(guān)飽和汽、水密度)各自發(fā)生著不同的變化。這里首先注意0水位所對(duì)應(yīng)的差壓，它的變化規(guī)律較其它水位有明顯不同，只在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。由于該容器的設(shè)計(jì)壓力為13.73MPa，因此14.5MPa以下它的波動(dòng)范圍更小，僅在±5mm水柱以內(nèi)。也就是說當(dāng)汽包中的水位為0水位時(shí)，無論壓力如何變化，即使在沒有補(bǔ)償系統(tǒng)的情況下，對(duì)0水位測(cè)量影響都極小或者基本沒有影響。關(guān)于其它水位，則當(dāng)汽包水位越接近于0水位，其對(duì)應(yīng)的差壓受壓力的變化影響越小，反之則大。
因此，雙室平衡容器是一種具有一定的自我補(bǔ)償能力的汽包水位測(cè)量裝置。它的這種能力主要體現(xiàn)在，當(dāng)汽包中的水位越接近于0水位，其輸出的差壓受壓力變化的影響越小，即對(duì)汽包水位測(cè)量的影響越小。毫無疑問，容器特性由于容器的自身結(jié)構(gòu)決定的，故又稱為固有補(bǔ)償特性。表1中，0MPa對(duì)應(yīng)兩行差壓值，其原因后文將會(huì)提到。之所以雙室平衡容器會(huì)有這種特性，其實(shí)質(zhì)是由于雙室平衡容器在設(shè)計(jì)制造時(shí)采取了特殊的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大限度地削弱了汽水密度變化對(duì)常規(guī)運(yùn)行水位差壓的影響。但是盡管如此，它并不能完全滿足生產(chǎn)的需要，仍然需要繼續(xù)補(bǔ)償。
4、補(bǔ)償系統(tǒng)
①基礎(chǔ)知識(shí)與基本概念
從容器的特性中可以看到，雙室平衡容器不能完全滿足生產(chǎn)的需要。究其原因，是由于介質(zhì)密度的變化所造成的。因此，必須要采取一定的措施，進(jìn)一步消除密度變化對(duì)汽包水位測(cè)量的影響。這種被用來消除密度變化帶來的影響的措施就叫做補(bǔ)償。通過補(bǔ)償以準(zhǔn)確地測(cè)定汽包中的水位。
汽包水位測(cè)量補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍǔＳ袃煞N，一種是壓力補(bǔ)償，另一種是溫度補(bǔ)償，無論采取哪種方法補(bǔ)償效果都一樣。但是它們之間略有區(qū)別，即溫度補(bǔ)償可以從0℃開始，而壓力補(bǔ)償只能從100℃開始。這是因?yàn)闇囟瓤梢砸灰粚?duì)應(yīng)飽和密度以及100℃以下時(shí)的非飽和密度，而壓力卻只能一一對(duì)應(yīng)飽和密度，即最低壓力0MPa只能對(duì)應(yīng)100℃時(shí)的飽和密度。故而由這兩種方法構(gòu)成的補(bǔ)償系統(tǒng)各自對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償起始點(diǎn)有所不同，即差壓變送器量程有所不同。表1中0MPa對(duì)應(yīng)兩行差壓值，其原因即在于此；其中上一行對(duì)應(yīng)的是溫度補(bǔ)償，下一行對(duì)應(yīng)壓力補(bǔ)償。很顯然，溫度補(bǔ)償也可以從100℃開始。
②建立補(bǔ)償系統(tǒng)的步驟
第一步：確定雙室平衡容器的0水位位置
容器的0水位的位置一般情況下比較容易確定，通過查閱鍋爐制造廠家有關(guān)汽包(學(xué)名鍋筒)及附件方面的圖紙和資料，進(jìn)行比較和計(jì)算即可獲得。文中例舉的容器0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm處，即基準(zhǔn)杯口水所在的平面下方215mm處。但是，偶爾由于圖紙的疏漏缺少與確定0水位相關(guān)的數(shù)據(jù)，無法計(jì)算出0水位的位置，那么確定起來就比較復(fù)雜。如圖1中就缺少數(shù)據(jù)。這種情況下就只有根據(jù)容器的自我補(bǔ)償特性在0水位所體現(xiàn)的特點(diǎn)通過反復(fù)驗(yàn)算來獲得。由于容器本身就是用這樣的方法經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算而設(shè)計(jì)制造的，只要驗(yàn)算的方法正確通過驗(yàn)算得到的數(shù)據(jù)會(huì)很準(zhǔn)確可靠，當(dāng)然這只限于圖紙不詳?shù)那闆r下。由于限于篇幅，這里只提供思路，具體的驗(yàn)算的方法本文不予介紹。對(duì)此感興趣的讀者可以試一試。
第二步 確定汽包水位測(cè)量差壓變送器的量程
差壓變送器的量程是由汽包水位的測(cè)量范圍、容器的0水位位置以及補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償起始點(diǎn)等三方面因素決定的。一些用戶一般只考慮了前兩方面因素，而忽略了補(bǔ)償起始點(diǎn)因素，甚至極個(gè)別的用戶只簡(jiǎn)單地根據(jù)汽包水位的測(cè)量范圍確定變送器的量程，造成很大的測(cè)量誤差。一般情況下，忽略容器的0水位位置所造成的誤差在70-90mm之間，忽略補(bǔ)償起始點(diǎn)所產(chǎn)生的誤差在30mm以下，特別情況下誤差都將會(huì)更大。此外，這里特別提醒用戶，在進(jìn)行汽包水位測(cè)量工作時(shí)，關(guān)于汽包水位測(cè)量差壓變送器的量程，在沒有得到確認(rèn)的情況下，切不可單純依賴設(shè)計(jì)部門的圖紙。事實(shí)上，多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)部門在進(jìn)行此類設(shè)計(jì)，對(duì)差壓變送器選型時(shí)，只確定基本量程，而不給出應(yīng)用量程。
如何確定汽包水位差壓變送器量程
本文的例子中容器的0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm處。由于該容器的量程為±300mm，因此公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中的Hw的最大值和最小值分別為665mm和65mm。如果采用壓力補(bǔ)償，從《飽和水與飽和水蒸汽密度表》中查出100℃時(shí)的飽和水與飽和水蒸汽的密度代入公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，再分別將665mm和65mm代入公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，即得最小差壓ΔPmin=-70.5mm水柱和最大差壓ΔPmax=504mm水柱。
這兩個(gè)差壓值就是差壓變送器的量程范圍(見表1中0MPa對(duì)應(yīng)的下行)，即-70.5～504mm水柱。如果采用溫度補(bǔ)償，且從0℃開始補(bǔ)償，則由于水的密度極其接近1mg/mm3，誤差可以忽略，令蒸汽的密度為0。用同樣方法即可得到差壓變送器的量程為-85～515mm水柱(見表1中0MPa對(duì)應(yīng)的上行)。實(shí)際上，從0℃開始補(bǔ)償是完全沒有必要的，其原因這里不再累述。
第三部 確定數(shù)學(xué)模型
數(shù)學(xué)模型是補(bǔ)償系統(tǒng)中的最重要環(huán)節(jié)。
由公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw得Hw=(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)
由于相對(duì)于規(guī)定的0水位的汽包水位H=Hw-365mm，所以Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365
在公式Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365中“ρ0”為環(huán)境溫度下水的密度，“ρ1”為汽包飽和蒸汽密度(ρ2=ρ1)，“ρ3”為汽包中飽和水密度(ρ3=ρ4)，“Hw”為汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度，ΔP為差壓。
公式Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365即為補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，公式中ρ0為常數(shù)，若令環(huán)境溫度為30℃，則ρ0=0.9956mg/mm3，所以Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365為最終數(shù)學(xué)模型，顯然Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365與Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365的作用完全一樣，在補(bǔ)償系統(tǒng)中可任選其一。
第四步 確定函數(shù)、完成系統(tǒng)
在Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365與Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365公式中含都有“320×ρ3-580×ρ1”和“ρ3－ρ3”關(guān)于飽和水與飽和水蒸汽密度的兩個(gè)子式。查《飽和水與飽和水蒸汽密度表》，可以獲得這兩個(gè)子式關(guān)于壓力或溫度的函數(shù)曲線。將所得到的曲線以及公式Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365或者公式Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365輸入用以執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)硬件設(shè)備，補(bǔ)償系統(tǒng)即告完成。
從補(bǔ)償系統(tǒng)的建立過程可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償系統(tǒng)是根據(jù)某一特定構(gòu)造的容器而建立的。因此，建立補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的容器，建立不同的補(bǔ)償系統(tǒng)。建立補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)確定差壓的計(jì)算公式以后，只需重復(fù)這里的步驟即可得到新的汽包水位測(cè)量補(bǔ)償系統(tǒng)。
5、關(guān)于容器保溫問題的釋疑
眾所周知，為了使雙室平衡容器達(dá)到理想工作狀態(tài)，雙室平衡容器的外部必須作以適當(dāng)?shù)谋兀?span>保溫以保溫層的外層溫度不超過120℃為佳。然而，關(guān)于容器的凝汽室及頂部的保溫問題目前有些爭(zhēng)議，部分用戶認(rèn)為這里的保溫可有可無。筆者在這里闡述一下個(gè)人的觀點(diǎn)。筆者通過多年觀察發(fā)現(xiàn),在這里沒有保溫的情況下，冬季由儀表顯示的汽包水位會(huì)比夏季低將近10mm。分析原因，是因?yàn)橐话闱闆r下凝汽室的溫度都要比環(huán)境高300℃左右，甚至更高，因此它的熱輻射能力很強(qiáng)。當(dāng)凝汽室外部沒有保溫或者保溫條件比較差時(shí)，盡管凝結(jié)水的速度會(huì)加快并導(dǎo)致更多的飽和水蒸汽流到這里補(bǔ)充這里的熱量，但是由于這里的介質(zhì)處于自然對(duì)流狀態(tài)且受到管路等的阻力的制約，使補(bǔ)充的熱量難以維持這里的溫度，進(jìn)而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于額定工作壓力為13.73MPa的鍋爐而言，如果冬季由儀表顯示的汽包水位比真實(shí)水位低10mm，將意味著容器內(nèi)部的溫度比飽和溫度低7℃左右。所以，為確保其包水位測(cè)量的準(zhǔn)確性，這里必須加以適當(dāng)?shù)谋?。筆者以為，這里的保溫以保溫層的外層溫度不超過120℃為佳。
作者：吳業(yè)飛、時(shí)敏
