凤建刚

（神华宁夏煤业集团煤炭化学品分公司烯烃公司 宁夏 灵武 750411）

0 引言

保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。 由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。 汽包水位过高会造成蒸汽带水，受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动；水位过低会引起排污失效，影响水循环工况，严重时会导致炉管大面积爆破。 因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极其重要的系统。

目前，从锅炉汽包水位测量的基本原理来看，广泛应用的主要是基于联通管式（重力式）和差压式两种原理的锅炉汽包水位计。 由于锅炉汽包水位对象的复杂性以及实际运行中存在着许多不确定因素和较大的测量误差，以致多个汽包水位计间常常有很大偏差，本文将对常用锅炉水位测量方法的原理及其误差进行分析，并给出减少误差的的方法。

1 联通管式水位计

联通管式水位计结构简单，显示直观。 它可以做成仅仅在就地显示的云母水位计（包括便于观察的双色水位计），也可以采取一些远传措施，如在水位计中加电接点或用摄像头等构成电极式水位计或工业电视水位计等。 但就原理来说，都属于联通管式测量原理。

1.1 双色水位计

双色水位计是基于联通管式原理的水位计，辅以光学系统，利用光从空气进入蒸汽或水产生不同的折射，使汽水界面显示红、绿两色的分界面，显示清晰，并可利用工业摄像系统的方式远程显示。 缺点是双色水位计受光线干扰较大，太阳光、灯光都会使汽水界面不明晰，需要重新调校水位计控制电压。

1.2 电极式测量

电极式测量也是基于连通管式原理的测量装置，与普通双色水位计不同之处在于筒内有一系列组成测量标尺的电极。 由于汽水电导率的很大差别，造成处于汽和水中的电极电阻值有很大差别，以此来判断电极是处于水空间还是处于汽空间。 利用多个电极即可判断当前的水面位置。 阶跃式显示是电极式水位计的固有特性， 为了满足运行监视要求，在常用监视段（±100mm）内电极设置密集些。 超出该范围时，分辨力可适当降低些。 缺点是电极易受污染，可靠性不高，维护量大，需经常排污。

1.3 联通管式测量原理和误差

图1 联通管式水位计原理图

联通管式水位计是利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在联通管处有相等的静压力，从而可以用水位计中的水柱高度来间接反映汽包中的水位，因此，也称为重力式水位计，其水位称为重力水位。

联通管式水位计的显示水柱高度H′可按下式计算：

（1-1）式中，H——汽包实际水位高度

H′——水位计的显示值

ρs——汽包内饱和蒸汽密度

ρw——汽包内饱和水密度

ρa——水位计测量管内水柱的平均密度

由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内饱和水的温度，因此，ρa总是大于ρw，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度，它的示值偏差：

由（1-2）式可以看出，水位测量偏差与水位计管内水柱温度、 汽包工作压力以及汽包内的实际水位等多种因素有关。

1.4 消除联通管式水位计测量偏差的方法

传统联通管式水位测量的偏差和不确定性的根本原因在于水位计测量管内水的密度和汽包内饱和水密度不一致，如果能确保水位计测量管内的密度始终保持接近或等于汽包内饱和水的密度，那么（1-1）式中ρa=ρw，H′=H，于是上述一系列偏差全消除了。

目前，有一些水位计采用了汽包内饱和蒸汽给水位计测量管内的水加热，并阻止其内的饱和水向外散热，正是这个目的。

2 差压式水位计

差压式水位计是通过把水位的高度变化转换成差压的变化来测量水位的。因此，其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。 目前，国内外最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形成差压来测量汽包水位。 如图2 所示。

图2 水位-差压转换原理图

正、负压管输出的压差值ΔP 按下式计算：

或改写成

式中，ρa——参比水柱（P+侧水柱）的密度

ρw——汽包内饱和水密度

ρs——汽包内饱和蒸汽密度

H——汽包内实际水位

g——重力加速度

这里饱和蒸汽和饱和水的密度（ρw、ρs）是汽包压力P 的单值非线性函数，通过测量汽包压力可以得到，而参比水柱中水的平均密度ρa通常是按50℃时水的密度来计算的，而实际的ρa具有很大的不确定性与50℃时水的密度相差很大是造成测量误差的主要原因之一。

根据计算， 参比水柱平均温度对水位测量的影响如表1所示。

表1 参比水柱平均温度对水位测量的影响表（40℃为基准）

从表1 可知，如果参比水柱的设定温度值为40℃，当其达到80℃时，其水位测量附加正误差33.2mm；当参比水柱温度达到130℃时，其水位测量附加正误差高达108mm。

2.1 差压式水位计误差消除方法

采用单室平衡容器的差压水位计测量误差的补偿

由于汽包水位显示值是以汽包零水位为基准表示的，因此，有H=H0+ΔH，H0为零水位，ΔH 为水位计显示值。则（1-3）式可以写成

若将参比水柱温度近似看作等于室温，将汽包压力与这个密度差的关系近似用线性关系式来表达：

带入（1-5）式，可得水位与汽包压力及差压之间的关系为：

（1-8）式中，K1、K2、K3、K4、K5、K6皆为常数。 为了保证在将汽包压力与密度差关系近似线性化时有足够的精度，一般按分段进行线性化逼真，也就是说，汽包压力在不同变化范围内时，这些常数取值也不同。

根据（1-8）式设计的带有汽包压力校正的差压式汽包水位测量系统方框图，如图3 所示。

图3 普通单室平衡容器的带压力校正的汽包水位测量系统方框图

汽包水位测量经汽包压力校正后， 测量精度已得到提高，但是，上述补偿计算的前提是假定正压侧参比水柱温度恒定，而实际上由于上部受饱和蒸汽凝结水的加热，参比水柱的温度总是高于室温。 汽包压力愈高，饱和蒸汽凝结水温度愈高，参比水柱平均温度也愈高。 为了消除汽包压力对参比水柱温度的影响，一般可将平衡容器后参比水柱引出管线水平延长一段后再垂直向下接至差压变送器，这样参比水柱温度就不再受饱和压力影响了。

2.2 采用参比水柱接近饱和温度的平衡容器消除差压式水位计测量误差

参比水柱温度接近饱和温度的平衡容器种类很多，从结构原理上看，常见的有双室平衡容器（如图4 所示）和内置式单室平衡容器（如图5 所示）。

图4

图5

按照静力学原理，对于双室平衡容器（如图4 所示）,当汽包水位在零水位H0时，差压输出ΔP0为：

当汽包偏离正常水位变化ΔH0时，平衡容器的差压输出ΔP 为：

如果通过改变双室平衡容器结构，用蒸汽套保温使ρ1和ρ2等于或接近于饱和水密度ρw，则（1-10）式就变成：

按式（1-11）式设计的带汽包压力校正的差压式汽包水位测量系统框图如图6 所示。

由此可知， 汽包水位测量误差仅仅与汽包压力有关，而不再存在普通单室平衡容器参比水柱密度ρa受环境条件等因素影响造成的附加误差了。

3 汽包水位的测量方法

目前，锅炉汽包水位的测量主要采用基于联通管式和差压原理的两种方法。 令人遗憾的是至今没有一种可以准确判别汽包发生“假水位”时的真实水位位置的水位计，更没有一种可以作为标准的基准锅炉汽包水位计，大多只能采用下列两种方法来检查汽包正常水位附近汽包水位计的准确性：

3.1 在锅炉汽包正常水位上下焊接排汽（水）管的方法。校验时，运行人员将汽包水位保持在正常水位附近，此时即可观察到汽包水位表在汽包正常水位点出的误差了。 这种方法可以在线校对，但操作特别复杂，也不是所有锅炉上都焊接有这种排汽（水）管。

3.2 停炉后进入汽包内部观察长期运行的汽水分界线水垢线，核对与汽包水位表的正常水位（零水位）是否一致。 这种方法的前提是，正常运行时运行人员总是按照仪表指示将汽包水位保持在正常水位（零水位）附近。 这种方法只有在大修停炉时采用，局限性很大。

4 结束语

随着人们对水位计测量的深入研究，新的方式方法也随之出现。 直接测量汽包水位的内置式电极水位计也已获得国家专利，有望成为汽包水位测量的基准仪表在线校验其它水位计。S

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