吕植训，刘军，王世新，李名慧

（中石化股份有限公司天津分公司炼油部，天津300271）

工业锅炉种类繁多，广泛用于发电、石油化工、冶金、轻工等诸多工业领域，其生产过程基本相似，即在汽包内将水加热产生蒸汽，为工业生产过程提供能源。一般工业锅炉的主要控制参数包括汽包水位、给水质量流量、蒸汽质量流量、汽包压力、蒸汽压力、蒸汽温度和炉膛温度等，其中关系到锅炉生产运行安全的重要参数是汽包水位。

以往自控教科书中对锅炉汽包水位测量出现“虚假”检测结果原因的描述存在误区。在蒸汽负荷出现突发性上升时，水位测量信号也会随之突然上升，这个现象被解释为气泡堆积造成。其实该现象是汽包的动特性所致，并非“虚假”，它真实地反映了汽包这个特殊工业对象在常规运行中汽包水位与水汽系统的动特性。笔者根据工作中积累的经验就此问题做如下讨论。

1 锅炉水位测量原理

现代工业锅炉的水位测量一般都采用静压检测方式。在不同的液柱高度下会产生不同的压强，压强大小与液柱高度成正比，此压强被称之为液体静压力。

由图1可知，当液位发生变化时，由于p大气是一个相对恒定的值，当迁移p大气后，则液位Δh与液体静压力Δp的变化呈线性关系，则：

图1 水位测量原理

由式（3）可知，水位高度的变化量Δh与Δp之间呈线性关系，即通过测量Δp可计算出水位的确切高度。

利用差压变送器测量密封容器内的水位的原理如图2所示，以下分析差压变送器的测量原理。

图2 利用差压变送器测量水位示意

差压变送器正压侧受力：

差压变送器负压侧受力：

则差压变送器受力应为p＋与p－之差，则：

式（6）为利用静压法测量密闭容器内液位的基本公式，也就是利用物质的密度来进行测量。液体静压力的传递是依靠正负导压管的连接来实现的。

2 “虚假水位”产生机理及影响

2.1 人眼观察到的现象

锅炉汽包产生的“虚假水位”现象，一般都是由于蒸汽系统的负荷突然增大，造成汽包内压力突然减小、蒸发突然加剧，此时水位会骤然下降。与此同时，饱和蒸汽与溶解于水中的其他气体也因水面压力的减小很快地从水中逃逸出来。一部分蒸汽和其他微量气体，克服了水表面的张力，离开水面直接进入蒸汽系统；而另一部分饱和蒸汽和其他气体在逃逸时，由于逃逸时间不足（克服水表面的张力需要时间），在水表面形成了气泡堆积的现象，如图3所示。这种现象即人们通常说的“虚假水位”，类似给啤酒瓶或汽水瓶突然开盖减压时发生的现象，此时看到的液面要比真实的液面“高”出一些。

图3 锅炉汽包“虚假水位”现象示意

2.2 气泡堆积对液体静压的影响

a）只有输出没有输入的有限空间。在图3中，当视圆A为一个只有输出没有输入的有限空间时，从物料平衡的角度来分析在A空间内存在的主要变量。很明显，在A空间内存在着一个影响液位的主要变量，即蒸汽质量流量qm2。利用质量平衡方程，即汽包中介质质量变化＝原有介质质量－流出汽包的介质质量。图中进入A空间的介质为零，随着时间t的延续，负荷增大所导致的qm2的增大会导致汽包蒸发空间增加，汽包压力降低，汽包内出现了水位上升的“虚假”现象，且空间内的介质会发生体积膨胀。此时介质的密度也会下降，由于没有新鲜水的及时补充，空间内的介质被不断蒸发，液位高度h将持续下降。由此得出结论，在只有输出没有输入的有限空间，由于介质的减少，液体静压只会下降，不可能上升。

b）有输出和输入的有限空间。蒸发器的实际流程如图4所示，圆B为一个有输出、输入环节的有限空间，从物料平衡的角度来分析在B空间内存在的主要变量。很明显，在B空间内存在着两个影响液位高度h变化的主要变量：蒸汽出口质量流量qm2和给水质量流量qm1。

由图4可以看出：（在没有任何人为及自动调节的干扰下）当qm2突然增加时，汽包内的压力会突然减小。由于qm1在泵出口压力基本保持恒定，从而导致给水压力与汽包压力的压力差会突然增大，这时会有大量的新鲜除氧水涌入汽包内（由于液体是不可压缩的），同时由于汽包压力下降导致饱和温度降低，液面下的水发生汽化，使液面下的汽水混合体体积增大，造成了水位的上升。随时间t的延续，汽包内的汽体蒸发空间会减小，在蒸汽流出阻力相对恒定的情况下，汽包内的蒸发空间减小，压力将较快回升，涌入汽包内的新鲜除氧水也随之减少。由于进水量的逐渐减少，蒸汽输出却没有改变，于是水位高度便出现了回落的现象。在没有人为扰动（或自动调节的情况下）汽包内的水位总体将呈现短时间内上升，然后持续下降的现象，这就是人们通常测量到的结果。

因为汽包内液体的静压力与液位的高低成正比，所以得出结论：在圆B内的液体静压会出现短时间内突然增大，然后持续减小的现象。

c）锅炉汽包水位动态特性。锅炉汽包的假水位现象主要涉及汽包实际水位、qm2和qm1这三个主要变量，根据目前国内对锅炉汽包水位动态特性和模型的研究［1－3］，建立蒸汽锅炉的质量平衡方程，即：进汽包的介质质量－出汽包的介质质量＝汽包中介质质量的变化，并由此建立汽包水位的动态特性方程：

式中：h—汽包水位高度；qm1—进入汽包的给水质量流量；qm2—流出汽包的蒸汽质量流量；A—汽水分界面的面积；ρ1—汽包内饱和水的密度；ρ2—汽包内饱和蒸汽的密度；p—汽包内压力；V1—汽包液面下饱和水的体积；V2—汽包内液面上的饱和蒸汽的体积（VS）与汽包液面下的蒸汽体积（VX）之和，即汽包中蒸汽的总体积V2＝VS＋VX。

图4 蒸发器的实际流程示意

该模型假设汽包体积由VS和VX组成，且液面下只有饱和水和蒸汽（即暂不考虑或忽略高温状态下饱和水中含有极微量其他气体对汽包水位的影响），即汽包系统总体积V＝V1＋V2＝V1＋（VS＋VX），密度ρ1和ρ2随汽包内压力的变化而变化。

综上分析，式（7）中第一项反映了由于进出汽包介质质量（物料）不平衡所导致的汽包液位变化；第二项反映了由于压力变化引起的饱和水与饱和蒸汽体积变化所导致的汽包液位变化；第三项反映了汽包液位下蒸汽体积变化所导致的汽包内液体体积变化。通过该模型可以判断出汽包液位的变化与进出介质质量差为同向变化，与汽包压力变化为反向。

由于蒸汽系统（如汽轮机）负荷增大，引起锅炉流出蒸汽量增大，此时汽液平衡状态被打破，导致汽包压力下降，锅炉给水量未进行调整，如式（7）中第一项qm1－qm2＜0，进出介质质量差由零减小为负值，这时将导致汽包液位下降。同时，由于汽包压力下降会导致饱和温度降低，液面下的水发生激烈汽化，使液面下的汽水混合体体积增大（即一定质量的水汽化后变成相同质量的蒸汽后体积变大），如式（7）中第三项dVX／Adt引起水位上升，并形成液面气泡堆积的现象，正是两种相反力量的共同作用决定了汽包液位的实际变化方向是先上升后下降（如对图3的分析）。

由于蒸汽系统（如汽轮机）负荷增大，引起锅炉流出蒸汽量增大，此时汽液平衡状态被打破，导致汽包压力下降。由于锅炉给水压力基本恒定，在一段时间内进出介质质量差由零增加为正值，如式（7）中qm1－qm2＞0，在这段时间内将有大量的新鲜水涌入汽包；同时，由于汽包压力下降会导致饱和温度降低，液面下的水发生激烈汽化，使液面下的汽水混合体体积增大（即一定质量的水，汽化后变成相同质量的蒸汽后体积变大，体积增大的量为式（7）中第二项与第三项的和），引起水位上升；同时形成液面气泡堆积的现象。正是三种力量的共同作用决定了汽包液位的实际变化方向是先上升后下降（如对图4的分析）。

由此，可以得出以下结论：汽包液位的变化是由以上三种力量共同作用导致的结果，水位变化有真实的质量变化，即涌入汽包内的新鲜水，也有虚假的非质量变化，即水的膨胀及气泡堆积。

2.3 气泡堆积对静压式测量仪表的影响

从表面上看，测量波动产生的原因是大量的气泡堆积后又逐渐消失所致，时间上似乎也合理，堆积的气泡对静压式测量仪表是否会产生实质性影响，通过以下分析将得出结论。

在有限空间内，液体h与qm1及qm2之间的连续方程式：

式（8）表述了在有限空间内液体储存质量（h为液位高度）与qm1及qm2之间的关系。若t→∞，当qm1＞qm2时，h将上升，有限空间内液体储存质量将增加；当qm1＜qm2时，h将下降，有限空间内液体储存的质量将减少。

a）从质量上考虑，堆积在水面上的汽泡体积虽然很大，但质量很轻，其质量与汽包内水的质量相比微不足道。

b）这些汽泡的生成源于汽包中的水，而不是外来物质产生的，根据物质不灭定律，汽包中水的质量由于被大量蒸发而只会减小，不可能增加。

c）在有限空间内由于汽水混合导致液体体积膨胀，发生液位上升，一定会导致该液体的密度同时做指数下降。

结论：因为常规使用的静压式检测仪表利用液体静力学的原理进行液位检测，所以检测值的上升与物质体积的膨胀及气泡堆积无关。

在非常规情况下，笔者就蒸汽负荷突增对静压式液位测量仪表的影响进行了数次实验：

试验1：在汽包水位稳定在50%时，将水位调节阀暂时关闭，将蒸汽体积流量由45%突变到50%，观察玻璃板水位计及仪表的检测情况。汽包压力从3.5MPa瞬间跌至3.2MPa，汽包中的水位持续下降，经20s左右，水位从50%下降至35%左右。对照玻璃板水位计，水位测量仪表检测准确无误没有发生振荡现象。当打开上水调节阀时，水位测量出现了突然上升反弹约5%～8%，与玻璃板水位计的反应相一致。

试验2：将水位调节阀放在手动位置，使其保持相对恒定的开度，汽包水位稳定在50%，当蒸汽体积流量由45%突变到50%，观察玻璃板水位计及仪表的检测情况。汽包压力仍从3.5MPa瞬间跌至3.2MPa左右，qm1和汽包中的水位几乎同时发生向上的波动，qm1变化6%～10%，汽包中的水位从50%突变到52%～56%，持续时间为7～15s，然后双双持续下降，经数秒之后qm1回到原来的数值左右，又经60s左右水位持续下降至35%左右，对照玻璃板水位计，水位测量仪表准确无误，没有发生检测失误的现象。

通过对两种环境（图3，图4）实验过程的观察及数据的分析，汽包中出现气泡堆积——即“虚假水位”现象后，不会导致静压式测量仪表出现测量失误，检测结果真实可靠，也与理论趋势相吻合。

2.4 实际液位上升的原因分析

在锅炉正常运行中，蒸汽系统负荷突增会导致汽包中的压力突然下降。由于给水泵的出口压力是恒定的，给水压力与汽包压力的差值比正常调节时大，造成单位时间内进入汽包水的质量比蒸发掉的水的质量要大得多，因而出现了短时间内实际水位不但没有下降反而上升的现象。该现象是由给水压力与汽包压力的压差增加和锅炉蒸汽及给水系统的自衡特性所致，但持续时间较短，一般1～20s就基本结束了（视蒸汽负荷突变的幅度而定）。这个短时上升的测量趋势，反映了汽包水位（质量）正常的变化，仪表的测量趋势是准确无误的，不存在“虚假”测量问题。

3 结 论

当锅炉正常运行时，蒸汽系统负荷突然增加，汽包内的水位测量值（采用静压式测量）首先出现短时间内快速上升是因为短时间内涌入汽包内的大量新鲜水造成的；继而很快持续下降（在没有人为扰动或自动调节的情况下），是由于汽包压力恢复后，阻碍了新鲜水的继续涌入。这一检测结果不是液体膨胀及气泡堆积造成的，也不存在“虚假”测量的问题，而是真实地反映了汽包在正常运行中其水位与水汽系统的动特性，测量结果是准确无误的。

［1］ 陈鸿伟，林阿彪，方月兰，等.锅炉汽包水位动态特性分析［J］.电站系统工程，2008，24（02）：21－22.

［2］ 刘鑫屏，田亮，刘吉臻.锅炉汽包虚假水位特性研究［J］.中国电机工程学报，2009，29（32）：44－48.

［3］ 张玲芳，杨平，应启戛.锅炉汽包真实水位的软测量［J］.上海电力学院学报，2009，25（01）：1－5.