1、单室平衡容器汽包水位测量的补偿技术研究田小弟 1，阳征会 1，刘会基 2，魏睿 2，吴红星 2(1.青海铜业有限责任公司，西宁 810008；2.金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100)摘要：介绍了测量余热锅炉汽包水位的单室平衡容器的工作原理，分析了对该装置建立补偿系统的必要性及补偿方法，重点探讨了补偿系统中 3 个关键密度函数的推导过程和参比水柱平均密度测点的确定方法，以及使用这些密度函数所引起的误差。关键词：余热锅炉；汽包；饱和；单室平衡容器；补偿中图分类号：TF068.2 +3 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2015）04-0000-00Compensation T
2、echnology to Measure Water Level of Boiler Drum with Single-condensation ChamberTIAN Xiao-di1, YANG Zheng-hui1, LIU Hui-ji2, WEI Rui2, WU Hong-xing2(1. Qinghai Copper Co. Ltd., Xining 810008, China; 2. Jinchuan Group Co. Ltd., Jinchang 737100, Gansu, China)Abstract：Working principle of single-conden
3、sation chamber to measure water level of steam drum of waste heat boiler was introduced. Necessity to establish chamber compensation system and compensation methods were analyzed. Deduction of three key density functions of compensation system, determination of measuring point for average density of
4、 reference water column, and function errors were discussed.Key words：waste heat boiler; steam drum; saturation; single-condensation chamber; compensation底吹炉、转炉和制酸系统常设余热锅炉 1-3降低烟气温度，回收余热，产出中压蒸汽发电、低压蒸汽供生产生活使用 4。汽包水位控制是锅炉运行中最重要的内容，水位过低，循环热水带汽，影响炉水循环，损坏水冷壁，严重时造成锅炉爆炸；水位过高或急剧波动，引起蒸汽品质恶化和带水，蒸汽管道、汽轮机内部流道及叶
5、片结盐和水冲击，损坏叶片和汽轮机轴系统 5。如果冶炼炉排放的烟气量波动较大，锅炉吸收热量不稳定，必会引起汽包水位大幅波动。因此汽包水位的控制在运行中非常重要，要实现有效控制先要准确测量汽包水位。1 测量原理汽包水位测量方法主要有连通式、差压式、电容式、超声波式等。连通式主要用于就地水位，差压式如单、双室平衡容器主要用于控制和保护。差压式中，双室平衡容器机械的部分补偿了压力对水位测量的影响，在零水位及额定工况下较准确，当偏离零水位或额定压力时，往往出现过补偿和欠补偿 6。本文分析了引起单室平衡容器产生测量误差的因素，在控制系统中建立完善的补偿系统，针对性地补偿引起误差的各种因素，从而得到准确的水
6、位测量结果。1.1 单室平衡容器工作原理单室平衡容器汽包水位测量装置由单室平衡容器、差压变送器组成，工作原理如图 1 所示。图 1 单室平衡容器汽包水位测量的工作原理Fig.1 Working principle of single-condensation chamber for measuring water level of steam drum收稿日期：2014-10-24基金项目：青海省 123 科技支撑计划项目（2012-G-157A）doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015 .04.014作者简介：田小弟（1972-） ，男，甘肃金昌人，工程师 .图 1
7、 中，平衡容器水平管接汽包汽侧取样孔，底部垂直管接差压变送器正压侧；由汽包水侧取样孔引出的水平取样管一路接差压变送器负压端，一路接连通管。运行中蒸汽不断进入平衡容器并被冷凝，容器内液面高度保持恒定，多余凝结水经连通管回到汽包。连通管使取样管和连通器中的介质具有一定的流动性，可以防止冬季取样管冻结 2。1.2 水位计算由图 1 可知，差压变送器差压 P 为： )H()L( PgHLP-gPswsa 1ws010式中，P 0 为汽包汽侧取样管中心线平面以上总的静压力；g 为重力加速度；P 1 为变送器引压管中高度从水侧取样管中心线到变送器入口之间的水柱的压力（正、负引压管中，两段水柱压力相等） ；
8、 s 为汽包内饱和水蒸汽的密度； w 为汽包内饱和水的密度； a 为参比水柱的密度；H 为汽包水位的高度（汽包水位至水侧取样管中心线距离） ；L 为参比水柱高度（汽侧取样管中心/平衡容器液面与水侧取样管中心距） ；P +为差压变送器正压侧压力；P -为差压变送器负压侧压力。由上式可推导出汽包水位 H 为：（1） )(PswagL公式（1）中，参比水柱高度 L、重力加速度 g 为常数，差压值 P 可由变送器测得，要得到水位的准确值，需知道汽包内饱和水蒸汽密度 s、饱和水密度 w、以及参比水柱密度 a。2 水位补偿平衡容器存在与外界的热交换，里面饱和蒸汽不断冷凝，使液面表层水温接近饱和温度，表层之
9、下水静止不动，温度随着高度下降逐渐降至环境温度，总体看参比水柱为不饱和水。不饱和水的密度受温度和压力的双重影响，饱和水蒸汽密度和饱和水密度受压力的影响 8。要准确计算汽包水位，必须考虑温度和压力对饱和水、饱和水蒸汽以及参比水密度的影响，即对水位信号进行压力和温度的动态补偿。通常平衡容器测量忽略蒸汽密度，直接将差压值转变为标准密度水柱的高度，所以误差大。2.1 压力补偿本文中的压力补偿指根据汽包压力对饱和水密度和饱和蒸汽密度值进行动态校正，消除它们对水位测量带来的误差。2.1.1 压力与饱和水、饱和水蒸汽密度的关系压力在 05 MPa 范围内实际饱和水密度和饱和水蒸汽密度与压力的关系 3如图 2
10、a 所示。0123458085090950 蒸汽密度/(kgm-3)压 力 /MPa水密度/(kgm-3) 水 蒸 汽(a) 0510152025 0123457508085090950 蒸汽密度/(kgm-3)压 力 /MPa 0510152025 水密度/(kgm-3) 水 蒸 汽(b) F1(x)F2(x)图 2 实际(a)和优化(b)后的饱和水密度与压力和饱和水蒸汽密度与压力关系曲线Fig.2 Actual (a) and optimized (b) pressure-density graph of saturated water and saturated water vapour
11、由图 2a 可知，饱和水密度随压力的升高而减小，且减小幅度越来越小；饱和水蒸汽密度随着压力的升高而增大，增大幅度近似恒定。2.1.2 饱和水密度压力、饱和水蒸汽密度压力的优化函数为了在工程上易于实现，通过合理选取关键点，将图 2a 中的饱和水密度-压力曲线优化为多段折线 F1(x)，将饱和水蒸汽密度压力曲线优化为直线 F2(x)，结果如图 2b 所示。转折点的选取原则：一方面要尽可能少，便于组态中直接利用折线函数模块，另一方面要确保误差范围。由图 2b 可知，优化函数 F1(x)与 F2(x)的变化趋势同图 2a 极其接近。2.1.3 优化函数 F1(x)和 F2(x)引入的测量误差当 L=6
12、00 mm 时，优化函数 F1(x)、F2(x)引起的测量值误差如图 3 所示。012345012 F2(x)误差/m压 力 /MPaF1(x)误差/m F2(x)F1(x) -0.8-0.40.0.40.8 图 3 优化函数 F1(x)和 F2(x)引入的测量误差Fig.3 Measuring errors caused by F1(x) and F2(x)从图 3 可见，量程为 600 mm 时，优化函数 F1(x)引入的测量误差呈波浪形，在 0.2 MPa 时最大为 2 mm，其它压力均小于 1 mm；在额定压力 4.4 MPa 时为 0.4 mm。饱和密度优化函数 F2(x)引入的测量
13、误差呈水平“S”形，01.1 MPa 误差为正，0.5 MPa 处最高为 0.05 mm；1.15.0 MPa 误差为负，3.2 MPa 处最低为 0.19 mm；在额定压力 4.4 MPa 时为-0.13 mm。2.2 温度补偿影响 H 的另一个因素是参比水柱密度。通过下文的优化方法来消除压力对不饱和水密度的影响，仅根据温度求解水柱密度。本文中的温度补偿指根据参比水柱温度分布规律间接测定水柱平均密度，消除参比水柱密度对水位测量引入的误差。2.2.1 不饱和水实际密度与曲线变换和优化不饱和水密度与温度、压力两因素有关，同一温度下，压力升高，密度随之增大。温度升高，压力对不饱和水密度的影响逐渐减
14、小，但总体来看压力对不饱和水密度的影响很小 7。通过取同一温度、不同压力下的密度平均值的方法，将不饱和水密度转变为图 4 所示曲线，使不饱和水的温度与压力和密度的关系变换为温度与密度的关系。050101502025030750808509095010 误差/(kgm-3)密度/(kgm-3)温 度 / -101234 密 度误 差图 4 变换后不饱和平均密度温度曲线及变换误差Fig.4 Converted temperature-density curve of unsaturated water and conversion error图 4 表明，随着温度的增加，变换后的不饱和水密度引入误
15、差逐渐减小，从 0 时 0.35%降至 260 时的0，这种变化是允许的。但要在工程上直接应用此曲线仍显复杂，还须继续优化，优化函数 F3(x)及优化引入的误差如图 5 所示。050101502025030750808509095010 F3(x)温 度 / 密度/(kgm-3) -4-2024 误差/(kgm-3)密 度误 差图 5 优化的不饱和水密度温度曲线及优化误差Fig.5 Optimized density-temperature curve of unsaturated water and optimization error从图 5 可看出，优化函数 F3(x)变化趋势同图 4
16、所示曲线非常接近，引入的误差为波浪形，波谷处为 0，波峰值随着温度的增大逐渐变大，相对误差 240 时最大为 0.15%。2.2.2 不饱和水密度优化函数 F3(x)的测量误差假设任一尽可能短的参比水柱中不饱和水密度均匀，则优化函数 F3(x)引入的测量误差为：（2）)(1a1aLgL（3）1a1式中， a 为实际密度； a 为优化函数得到的密度；L 1 为任一小段参比水柱；L 1 为 F3(x)引入的最大测量误差。因优化函数 F3(x)在 0 时引入的误差最大，代入公式（3）得到引入的的测量误差最大为 0.177%。参比水柱 L=600 mm，F3(x )引起的测量误差在 0 时最大，为 1
17、.06 mm。2.2.3 参比水柱的平均密度在本文中，分析参比水柱密度分布，找到密度为平均密度的测点位置，再将测得的温度值带入优化函数F3(x)得到平均密度。用测温枪对参比水柱等距离测温（汽侧中心线以下每隔 100 mm） ，典型密度分布见图 6（图中 0 mm 处看做饱和温度，P=4.4 MPa，T=258 ，其他高度处水的密度根据函数 F3(x)可得） 。图 6 参比水柱密度分布曲线Fig.6 Density distribution curve of reference water column由图 6 可知，参比水柱密度随着高度的下降迅速增加，从液面下大概 300 mm 左右开始趋于稳
18、定。由图 6计算出的参比水柱平均密度为 937.10 kg/m3，该计算值对应图中的位置为 250 mm，考虑图 6 粗略反映了实际温度分布，得到的平均密度应小于实际平均密度，所以温度测点应选择在 250 mm 偏下位置。2.3 补偿系统组态根据上文得到的密度优化函数和相关的输入模拟量，带入水位计算公式（1） ，可得到经过补偿的水位数据。补偿系统组态如图 7 所示。图 7 补偿系统的组态图形Fig.7 Configuration diagram of compensation system注：图中 9.8 为重力加速度，0.6 为参比水柱高度，0.36 为汽包零水位高度，P 为汽包压力，T 为
19、参比水柱平均密度处温度，P 为平衡容器变送器输入的差压信号，H为以零水位为参照的水位值，F1(x)、F2(x)和 F3(x)为上文得出的密度优化函数。由图 7 可知，只要将汽包压力、参比水柱平均密度处温度、平衡容器水位计差压 3 个信号输入补偿系统，补偿系统就能算出以零水位为参照点的准确的水位数值。在工程中实践中对汽包水位进行实时压力和温度补偿，补偿后的水位值进行零水位控制，汽包内的水线非常接汽包零水位线，说明补偿系统是成功的。3 结论提出了饱和水、饱和水蒸汽和不饱和水密度的优化函数，以及确定参比水柱平均密度位置的方法，采用单室平衡容器装置测量汽包水位是成功的。参考文献1 文仁. 贵冶闪速炉余
20、热锅炉改造J. 有色金属（冶炼部分） ，2011(2)：6-8.2 张涛，张恩华. 铅富氧闪速熔炼余热锅炉的运行实践 J. 有色金属（冶炼部分） ，2012(4)：24-26.3 黄国道，宋冬根，杨平，等. 金隆铜业闪速炉余热锅炉炉型的改造与优化 J. 有色金属（冶炼部分） ，2013(2)：38-42.4 中国恩菲工程技术有限公司. 青海铜业阴极铜工程初步设计书R. 西宁：青海铜业有限责任公司，2011：126-142.5 白文峰，路光明. 锅炉汽包水位测量及保护系统的试验研究 J. 可编程控制器与工厂自动化，2008（7）：47-51.6 郭宏. 准能电厂汽包水位测量存在的问题及改进方案J. 内蒙古石油化工，2005（9）：42-43.7 严家騄，余晓福，王永青. 水和水蒸汽热力学性质图表 M. 2 版. 北京：高等教育出版社，2006：10-28.
