第二章锅炉汽包水位测量系统试验第一节简介1.1汽包水位测量的重要性锅炉汽包水位是锅炉运行的一项重要安全性指标。

水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质的恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击、损坏汽轮机叶片；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成锅炉水冷壁爆管。

由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故时有发生，严重威胁火电厂机组的正常运行和安全。

锅炉运行中，我们主要通过水位测量系统监视和控制汽包水位。

当汽包水位超出正常运行范围时，通过报警系统发出报警信号，同时保护系统动作采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。

1.2汽包水位测量的基本方法目前，从锅炉汽包水位测量的基本原理看，广泛使用的主要是联通管式和差压式两种原理的汽包水位计。

由于锅炉汽包水位计对象的复杂性，以及联通管式和差压式测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性以及实际运行中存在的不确定因素，一致多个汽包水位计常常存在较大偏差，容易酿成事故。

根据新版《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》DRZ/T 01－2004规定：1)锅炉汽包水位测量系统的配置必须采用两种或以上工作原理共存的配置方式，以防止系统性故障。

锅炉汽包至少应配置 1 套就地水位计、3 套差压式水位测量装置和 2 套电极式水位测量装置。

2)应严格遵循锅炉汽包水位控制和保护独立性的原则，最大限度地减少故障风险，并降低故障停机几率。

3)汽包水位保护和控制的测量系统至少应按三重冗余的原则设计。

4)汽包水位至少配置两种相互独立的监视仪表。

5)锅炉汽包水位控制应分别取自 3 个独立的差压变送器进行逻辑判断后的信号。

6)锅炉汽包水位保护应分别取自 3 个独立的电极式测量装置或差压式水位测量装置( 当采用 6 套配置时 ) 进行逻辑判断后的信号。

当锅炉只配置 2 个电极式测量装置时 , 汽包水位保护应取自 2 个独立的电极式测量装置以及差压式水位测量装置进行逻辑判断后的信号。

3 个独立的测量装置输出的信号应分别通过 3 个独立的I/O模件引入 DCS 的元余控制器。

7)汽包水位测量信号应采取完善的信号判断手段，以便及时地报警和保护。

只有深刻理解上述两种锅炉汽包水位的测量原理及其误差的成因，才能清醒的指导锅炉汽包水位测量系统的设计、安装、调试和运行维护。

下面就对联通管式和差压式水位计的测量原理进行分别介绍。

1.3联通管式汽包水位计测量原理联通管式水位计结构简单 , 显示直观 , 如图 1 所示 , 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。

但就其原理来说 , 都是属于联通管式测量原理。

其中云母水位计常用于连接水位电视；电接点水位计有时被用于保护回路。

图1：联通管式水位计原理图就地双色牛眼水位计分别于汽包内的水侧和汽侧相连，汽包内下部的水温是汽包压力下的饱和水温度，汽包内上部的蒸汽温度是汽包压力下的饱和蒸汽温度,饱和蒸汽通过连通取样管进入水位计上部，由于就地水位计周围的环境温度远低于汽包压力下的饱和蒸汽温度，使蒸汽不断凝结成水，水温接近饱和温度，水温沿高度逐步降低，凝结水由连通管流入汽包。

若能在水位计上沿测量筒高度装设若干温度测点，就能求出筒中水的平均温度t av ,并得出水的平均密度ρav 。

由于ρav 和饱和水密度ρw 不同，就形成了云母水位计指示值H e 和汽包实际水位H 的差异，这个差值可由下式求得：ws av sHe H ρρρρ-=- (2-1) 其中ρw 和ρs 为汽包工作压力下的饱和蒸汽温度和饱和水密度。

但是ρav 和水位高度、汽包工作压力、环境温度及测量筒散热情况等有关，其数值很难确定。

为减小水位计内水柱温降带来的测量误差，有时在水位计本体内加装蒸汽加热夹套，由水位计汽侧连通管引入蒸汽，以使水柱温度接近于锅炉汽包工作压力下的饱和温度。

为了防止锅炉压力突降时水柱沸腾而影响测量，从安全方面考虑，测量室内的水柱温度还应有一定的过冷度。

1.4 差压式水位计测量原理平衡容器(单室平衡容器、双室平衡容器和中间抽头式平衡容器)。

其中单室平衡容器是大机组常用的测量方式，有一些小机组上使用其它两种形式的平衡容器。

单室平衡容器结构简单，维护容易，但受现场环境影响较大，如保温、补偿等；中间抽头式平衡容器结构复杂，能够消除部分由环境温度造成的影响，在零水位附近有较好的补偿效果，但易受汽包压力突降的影响，引起正压侧的水柱沸腾。

图2：简单平衡容器的测量原理图图3：双室平衡容器的测量原理图根据实际情况，我们重点研究一下常用的单室平衡容器的测量原理。

w P H ρ+=（2－2） "()'()P H h h h h ρρ-=--∆++∆（2－3） 上面两式相减得："()'()w P H H h h h h ρρρ∆=---∆-+∆（2－4）整理得： (")('")w H P h h ρρρρ--∆∆=-- （2－5）其中h ∆是实际水位w ρ――凝结水的密度"ρ――相应汽包压力下的饱和汽的密度'ρ――相应汽包压力下的饱和水的密度h ――下取样管至汽包零水位的距离P ∆――水位変送器测的差压信号由于"ρ和'ρ只随汽包压力变化，而且影响较大，因此要进行汽包水位的汽包压力补偿；w ρ受环境温度的影响，一般情况取50℃为基准，但影响较小；h 和H 是平衡容器的设计安装尺寸，应按照制造厂提供的数据进行核对，为与实际相符，应进行现场核对。

第二节 汽包水位计的测量误差分析2.1 差压式水位计测量水位误差分析从式（2－5）可以看出，平衡容器的安装尺寸、汽包压力、参比水柱平均温度等参数影响汽包水位的测量误差，下面就从这几个方面入手进行分析：a) 差压式水位计正压侧平衡容器参比水柱温度变化是比较常见的造成水位测量误差的原因。

炉顶汽包小间春夏秋冬温度变化大，而在典范的差压式水位计压力补偿计算公式中，平衡容器内不饱和水密度被固定为50℃或80℃时的密度值，因而造成示值偏差。

由式（2－5）可以得出，由于参比水柱温度变化引起的水位测量偏差如下：(')'*1000('")w w H h ρρρρ-∆=- （3－1）虽然环境温度受环境温度的影响较大，但从总体上看，环境温度的变化不会太大，按照正常的保温和安装条件，该参比水柱平均温度变化范围一般不会超过150℃，通过查水和水蒸汽的密度表可以得出不同温度下的密度差'w w ρρ-受汽包压力的变化影响较小，主要与偏离设定值的大小有关系见图4；但随着机组负荷的上升'"ρρ-随汽包压力的增加逐渐减小，所以形成的水位偏差会逐渐增大，如图5所示。

图4：参比水柱密度随温度、压力变化曲线图5：水位偏差随汽包压力变化曲线以H ＝0.7m, 参比水柱温度从40℃～80℃变化为例计算。

当汽包压力为18Mpa 时，'h ∆=34.68mm当汽包压力为10Mpa 时，'h ∆＝22.6mmb) 汽包水位差压变送器安装位置离水位平衡容器过远及仪表管过长，受伴热和保温不均匀等因素影响较大，可引起示值迟缓和偏差。

c) 差压式水位计汽、水取样开孔部位不当，汽包内汽、水的热动力分布场变化的影响会引起示值偏差。

d) 测量装置的机械原因造成的差压变化影响，如渗水、平衡容器的安装高度与计算高度误差均会造成测量误差。

2.2 联通管水位计测量误差分析1.1.2 云母水位计的误差产生原因就地双色牛眼水位计是装在汽包本体上的直读式水位计，主要是按连通器原理工作的；一般作为远传电视监视系统用，在集控室可以直接监视就地双色牛眼水位计的指示。

水位表中多余的水通过水侧取样管流回汽包。

水位计中的水受环境的冷却，其平均温度低于汽包内的饱和水温度。

导致水位计中的水的密度大于汽包内的饱和水密度，从而水位计中的水位低于汽包内的水位，造成测量误差。

由式（2－1）可以得出水位计的偏差为：'av w av s H H H H ρρρρ-∆=-=-- (3-2)由 (2 - 2) 式可以看出 , 水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以及了汽包内的实际水位等多种因素有关反措提供的的正常水位示值和汽包实际零水位的差值如下表所示：a) 汽包压力。

随着汽包压力的增加 , 相应饱和温度升高 , 冷却效应加剧 ,水柱平均温度与饱和温度的差值增大。

汽包压力在额定工况下、汽包水位处于正常水位时 , 联通管式水位计的平均温度低于饱和温度的数值一般为 : 中压炉 50-60℃, 高压炉 60 - 70℃,超高压及以上锅炉 70 - 80℃以上。

汽包工作压力变化时 , 除了导致水位计管内水柱温度变化 , 即ρa 变化而影响水位计水位显示值外 , 还会引起p w、p s的变化而使测量产生偏差。

当汽包内实际水位 H 值一定时，压力愈高 , 1△H I 值愈大 ; 压力愈低 , I△H I 值愈小。

如果汽包正常水位设计在 H0 =300mm , 而且运行时实际水位恰好在正常水位线上 ,则水位计的示值偏差 : 在压力 P=4.0MPa时 ,△H = -59.6mm; 在压力 p= 10 MPa 时,△H = - 97.0mm; 在压力 P＝14MPa 时,△H=-122.3mm;在压力 p=16MPa时,△H=-136.9mm,可见每升高1Mpa时，一般联通管时式水位计的示值偏差的变化平均为－6.5mm左右。

b)汽包水位。

高水位时 , 由于水位计中水柱高度增加 , 散热损失增加 ,同时汽柱高度减少 , 蒸汽凝结量减少 , 因此 , 水柱的平均温度较正常水位时低 , 与饱和温度的差值增大 ; 反之 , 低水位时 , 差值减少。

据有关资料介绍 , 水位变化土 50mm 时平均水温较正南水位时约有 16- 24℃的变化。

当汽包工作压力为一定值时 , 汽包内的实际水位也会对水位测量产生偏差 , 由 (2 -2) 式不难看出 , 偏差△H与实际水位 H 成正比 ,H值愈大 , I△H I 值愈大 ;H 值愈小，I△H I 值也愈小。

根据上海锅炉厂提供的资料 , 对于亚监界锅炉 (18.4 - 19.6MPa) 在额定压力下 ,汽包水位计的零水位要比汽包内实际正常水位低150mm, 也就是说 ,当H=300mm 时,△H=-150mm ;当H＝0mm时，近似偏差△H＝0mm;但是当H=600mm时，近似偏差高达－300mm。

如果将水位计下移150mm，虽然在正常水位偏差消除了，当高水位和低水位时，误差仍将很大。