1-5 物位测量

1 第一篇 热工测量 第五章 物位测量 第一节 综述 一 重要意义 在容器或设备中的物料 包括液体或固体 的高度称为物位 在火力发电厂 以液位 参数 水位 油位等 居多 其中水位测量主要指汽包水位测量 其它常见的水位测量还 有高加水位 低加水位 除氧器水位 凝汽器水位 各种水箱水位等 固体料位主要包括 煤位 粉位 灰位 物位测量可用于三种目的 一是生产监视 二是控制 三是计量 汽包锅炉是我国火电机组的主力设备 汽包水位是汽包锅炉的重要测量参数 当汽包 水位过高时 容易引起汽轮机的水冲击和叶片结垢 当汽包水位过低时 可引起水冷壁水 循环恶化 造成水冷壁爆管 而高加水位 低加水位 除氧器水位 凝汽器水位也都关系 到机组运行的安全性和经济性 因此 准确地测量水位是热工测量的重要内容 是保证机 组安全运行和延长机组使用寿命的重要基础工作 二 水位测量的分类 一 直读式液位计 这是使用最早 结构最简单的液位计 常见的类型有 玻璃管 式 玻璃板式 云母式 牛眼式等 另外 这类液位计还可以配合工业电视系统进行远传 显示 二 差压式水位计 这是大型火电机组上最常用的汽包水位计 对于敞口容器 只 要用压力表 或压力变送器 测出其液柱的压头 由液体的重度 即可得到液位的高度 对于密闭容器 则需要用差压表 或差压变送器 来进行测量 火电厂中的液位测量多属 于密闭容器类 差压式水位计测量的过程是 1 把水位转换成差压信号 2 把差压信号转换成电信号 3 把代表差压信号的量值经过计算 转换成代表水位信号的量值 三 浮子式水位计 常用磁性材料制造 在水容器壁内部装一个可随水位升降的浮 子 水容器壁外部装有一个感应部件 当浮子的高度低于感应部件时 输出为某种状态 当浮子高于感应部件时 输出切换为另一种状态 这类水位计是开关量输出 原理和结构 都比较简单 2 四 电接点式水位计 电接点式水位计是利用蒸汽和水的电导率不同进行工作的 其外形是一个园柱筒 筒上装有一系列电极 当水面埋没某个电极时 电路则导通 当水 面低于该电极时 电路断开 通过显示仪表 即可看出水面的处于哪两个电极之间 五 电容式物位计 它常用于测量粉状固体物料的物位 通过检测物料所处的两电 极间的电容 其中一个电极插在物料中 另一电极常常是容器壁 来测量物位的 其探头 从上部插入物料中 发送器常常装在容器的顶盖上 具有远传和连续输出功能 六 超声波物位计 常用于测量煤仓的煤位或粉仑的粉位 从探测器发出的超声波 经过物料表面的反射由接收器接收后 把从发射波到回波所用的时间换算成探测器与物料 之间的距离 即得到物料物位的高度了 应该强调指出 各种直读式水位计 主要包括电接点式水位计和牛眼式水位计 比 经过汽包压力补偿计算的 差压式水位计的测量误差大几倍 实际工作中 应以差压式 水位计为主 以直读式水位计为辅 三 差压式水位计的补偿计算 直接用差压变送器的输出表示汽包水位 曾经是中 低压汽包锅炉的常用方法 但是 这种方法存在着不足之处 随着汽包压力的提高 使这种直接测量方法的误差增大 而且 其误差随着汽包压力的变化而改变 已经远远不能满足锅炉运行中参数显示和自动控制的 需要 为了减小汽包压力引起的汽包水位测量误差 高参数汽包炉在得到水位差压信号后 还必需进行汽包水位测量的补偿计算 间接得到汽包水位的测量值 直接测量法比较简单 比间接测量法少了补偿计算这一步骤 而且在大机组上已经被淘汰 所以本章重点介绍 带有补偿计算功能的汽包水位测量方法 第二节 汽包水位测量的一次转感器 平衡容器 平衡容器的任务是完成水位测量的一步 负责把汽包水位信号转化成差压信号 其外 形多为园柱形的金属筒 称为平衡容器 常见的平衡容器有单室 双室 双室带补偿三种 类型 平衡容器一般由主设备配套供应和管理 但因其结构和各部分的尺寸是补偿计算所 必须使用的数据 所以在这里给出它们的结构示意图 图 1 5 1 图 1 5 2 和图 1 5 3 供大家参考 第三节 汽包水位测量用的差压和压力变送器 有了代表汽包水位的差压信号 还必须用变送器把差压信号转变为电量信号 才能进 行远距离传输和运算 存贮 因为补偿计算需要汽包压力信号 因此 需要使用差压变送 3 器和压力变送器 压力变送器和差压变送器的原理 结构 校验方法 故障消除等内容可 参看关于压力测量的章节 这里从略 使用不同的平衡容器必须配合使用不同的补偿计算公式 但是各种平衡容器补偿计算 公式的推导方法是相同的 下面列出常用的三种平衡容器补偿计算公式 第四节 汽包水位的补偿计算 本节使用的符号含意和单位如下 P P L 汽 包 图 1 5 1 单室平衡容器结构示意图 图 1 5 2 双室平衡容器结构示意图 P P L 汽 包 至下降水管 4 或 正压侧压力 Pa 正 P P 或 负压侧压力 Pa 负 P P 经校正后的汽包压力测量值 Mpa B P 接水盘水面 无接水盘时为平衡容器上联通管 到平衡容器下联通管的距离 L mm 正压管从平衡容器外壳引出口到接水盘水面的距离 mm l 实际汽包水位 从平衡容器下联通管算起 mm h 汽包压力下的饱和水密度 kg m3或 g dm3 汽包压力下的饱和汽密度 kg m3或 g dm3 s 正压管内凝结水密度 kg m3或 g dm3 c 重力加速度 标准值为 g 2 80665 9 smgn 一 单室平衡容器补偿计算公式 按照图 1 5 1 以下联通管水平面为参照面 分别列出正 负压的表达式 Bc PgLP P P l L 图 1 5 3 带中间抽头补偿的双室平衡容器结构示意图 汽 包 至下降水管 5 Bs PghghLP BsBc PghghLPgLPPP 负正 整理 得 1 5 1 ghgLP ssc 式 1 5 1 就是汽包水位差压的表达式 用于确定差压变送器的量程 分别把和Lh 代入式 1 5 1 即可求出差压变送器的零位和满度 即量程 0 h 上式变形后 得 1 5 2 s sc g P L h 1 式 1 5 2 为补偿公式 用于设计水位补偿系统 二 双室平衡容器补偿计算公式 按照图 1 5 2 以下联通管水平面为参照面 可得 推导过程和单室平衡容器相似 所不同的是 不再重复 c 1 5 3 ghLP s 和 1 5 4 s P Lh 式 1 5 3 用于确定差压变送器的零位和满度 式 1 5 4 用于设计水位补偿系统 三 带中间抽头补偿功能的双室平衡容器补偿计算公式 按照图 1 5 3 以下联通管水平面为参照面 可得 推导过程和单室平衡容器相似 中是容器内正压侧 l 段管道内凝结水密度为 不再重复 1 5 5 scsc ghglgLP 和 1 5 6 s csc g P lL h 式 1 5 5 用于确定差压变送器的零位和满度 式 1 5 6 用于设计水位补偿系统 第五节 补偿计算回路设计举例 在补偿公式的基础上 设计一套仪表系统或者软件系统来实现补偿公式的运算 就是 补偿回路的设计过程 因为热工仪表和系统种类繁多 而且每个设计人员的设计思路也不 相同 这里只能举一个例子来说明一下 三种常用的平衡容器中 带中间抽头有补偿功能的双室平衡容器的补偿公式最为复杂 6 我们就以此为例 在式 1 5 5 中有三组密度差 如果每一个密度差用一个函数运算来表示 则需三个函 数运算式 不论是用仪表还是用软件来实现此函数运算都是比较麻烦的 而且浪费时间和 硬件 这样的系统设计就很不合理 为了减少函数运算式的数量 在式 1 5 5 的右端加上 一对运算因子 把式子转化为 gl s 1 5 7 ghlglLP ssc 式 1 5 6 则转化为 1 5 8 s sc g P lL lh 按照式 1 5 8 设计的水位补偿运算回路见图 1 5 4 图中 的输出为 XF1 sc 的输出为 运算单元的输出为 除法单元的 XF2 s g P lL sc 100 h l lL B P XF2 XF1 P 图 1 5 4 水位补偿运算回路举例 7 输出为 s sc g P lL l 这里特别需要指出的是运算式中的密度 是按正压侧水柱温度设为固定的经验值而 c 确定的 实际上锅炉从冷态起动到额定参数 以及春夏秋冬四季的变化 炉顶的环境温度 不是恒定的 故密度的值也是变化的 而不是固定值 如果算式中引入正压侧凝结水柱 c 温度实测值 对密度进行实时的补偿 则差压式水位计可在锅炉起停的全过程和任意环 c 境温度下都能更准确地反映汽包内的真实水位 但是这样的系统比较复杂 使用中调试和 维护工作量较大 第六节 汽包压力测量值的两项校正 在汽包水位补偿计算中 主要是用汽包压力作为补偿参数 对汽包水位差压进行补偿 计算 得到汽包水位值 在计算过程中 以下两个问题极易被人们忽略 导致计算的误差 增大 一 两个易被忽略的问题 一 相对压力换算成绝对压力的问题 因为汽包压力变送器的输出是相对压力值 即 表压 而各种汽水工质性质表是按照绝对压力排列的 在查表之前应该先把它转换成为绝 对压力值 论理上讲 需要用相对压力值加上当时当地的大气压力实测值 但因汽包压力 很高 一般都在 10Mpa 以上 所以可以近似地在原测量值的基础上 再加上 0 1Mpa 即可达 到提高计算精度目的 二 汽包压力变送器传压管水柱的附加误差 在锅炉实际安装现场 汽包的安装标 高往往比汽包压力变送器的安装标高高出许多 两者标高的差值可达数十米 传压管中水 柱产生的附加误差可达零点几个兆帕 它出所引起的误差已经不可忽略 在进行补偿计算 之前必须把这部分压力值减去才行 二 汽包压力测量值的修正方法 在实际工作中可以用以下两种方法中的任意一种来消除上述两项附加误差 但最好还 是用数值计算法 一 数值计算法 1 把汽包压力变送器的相对压力转换成为绝对压力值 由 绝对压力 相对压力 当时当地的大气压 当时当地的大气压取近似值 0 1Mpa 则 绝对压力 相对压力 0 1Mpa 8 2 传压管水柱的附加误差 从汽包压力测量值中减去一个修正值即可 修正值 汽包中心线标高 汽包压力变送器安装标高 0 01Mpa 上式中的标高值单位用米来表示 3 把上面两项合并到一起 得 1 5 9 MpaHPPB01 0 10 测 式中 校正后的汽包压力测量值 Mpa B P 校正前的汽包压力测量值 Mpa 测 P 标高差 汽包中心线标高减去压力变送器安装标高 MH H 二 零位迁移法 先按常规方法调校汽包压力变送器的零位和满度 然后把变送器装到现场 在汽包通 大气的情况下 向传压管内注满水 能从下向上注水最好 此时再调整变送器的零位 使 其输出为电信号的零位即可 此方法比较简单易行 但迁移零位时的气温 季节 对其精 度影响较大 所以最好能够选择春秋天进行此项迁移 以最大限度地减少误差 第七节 现场调试的步骤和方法 一 进入施工现场之前应作好各项准备工作 例如收集资料 阅读和分析资料 准备 各种调试用具 仪表 工具等 编写调试方案 二 检查设计 安装是否正确 包括系统设计 安装位置 电缆接线等 特别要注意 水位差压信号的引出管应留有一段不包保温层 正 负压引出管应紧紧并在一起后 再加 装伴热 包保温层 三 在使用可编程仪表或者系统时 在送电以后先下载程序 然后再检查其编程或者 组态是否正确 四 校验和调整仪表 所有仪表在装到现场之前都应进行认真校验 仪表上的各有关 参数 包括零位 满度 系数 常数 折线函数和设定值等都应调整好 并作好记录 五 选择若干个具有代表性的工况进行模拟试验 方法是在输入端加信号 观察并记 录输出端 显示 记录等 是否符合设计要求 六 在投入仪表前 要先把传压管冲洗干净 以免脏污堵住传压管或者损坏仪表 差 压变送器的投入方法应该是 一 差压变送器投入前的状态 9 1 平衡阀处于全开的状态 2 正压阀处于全关的状态 3 负压阀处于全关的状态 二 投差压变送器时的操作 1 先开正压阀 2 再关平衡阀 3 最后开负压阀 三 差压变送器投入后状态 1 正压阀处于全开的状态 2 负压阀处于全开的状态 3 平衡阀处于全关的状态 七 随着机组的升温升压 选择几组典型工况 记录下各有关参数 把仪表的计算结 果和手工计算结果进行比较 现两者应该互相吻合 否则应该查找原因 消除误差 八 在调试期间 如果需要停炉一段时间 应该把各变送器退出 要特别注意差压变 送器的退出步骤 它的退出步骤和退出前后的状态同投入时正好相反 一 差压变送器退出前的状态 1 正压阀处于全开的状态 2 负压阀处于全开的状态 3 平衡阀处于全关的状态 二 退 解列 差压变送器时的操作 1 先关负压阀 2 再开平衡阀 3 最后关正压阀 三 差压变送器退出后的状态 1 平衡阀处于全开的状态 2 正压阀处于全关的状态 3 负压阀处于全关的状态 第八节 常见故障情况的消除 一 仪表计算结果和手工计算结果相差较大 一 折线函数各参数的计算和整定不正确或者不够准确 按照 折线函数参数的计 10 算方法 见附录 中介绍的方法重新计算和整定折线函数的各个参数 二 汽包水位差压变送器的量程不对 应根据不同平衡容器的结构和所用仪表类型 按式 1 5 1 式 1 5 3 式 1 5 5 式 1 5 7 重新计算并整定该变送器量程 三 补偿计算用的汽包压力测量值未进行校正 按照本章第六节或者 汽包水位测 量补偿方法 见附录 中讲的方法对汽包压力测量值进行校正 最好用计算法校正 四 单室平衡容器的引出管应有一段不加保温的水平管道 否则因传压管内的水温 过高 而产生附加误差 二 汽包水位值总