双室平衡容器的工作原理

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1、3. 双室平衡容器的工作原理3.1. 简介双室平衡容器是一种结构巧妙， 具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置。 它的主要结构 如图 1所示。在基准杯的上方有一个圆环形漏斗结构将整个双室平衡容器分隔成上下两个部 分，为 了区别于单室平衡容器， 故称为双室平衡容器。为便于介绍，这里结合各主要部分的 功能特点，将它们分别命名为凝汽室、基准杯、溢流室和连通器， 另外文中把双室平衡容器 汽包水位测量装置简称为容器。饱和慕汽0005爪连谧器O OQFT简3.2. 凝汽室理想状态下，来自汽包的饱和水蒸汽经过这里时释放掉汽化潜热, 准杯 形成饱和的凝结水供给基 及后续环节使用。3.3. 基准杯它的作用是收集

2、来自凝汽室的凝结水， 并将凝结水产生的压力导出容器， 传向差压测量仪表差压变送器（后文简称变送器）的正压侧。基准杯的容积是有限的，当凝结水充满后则溢出流向溢流室。由于基准杯的杯口高度是固定的，故而称为基准杯。3.4. 溢流室 溢流室占据了容器的大部分空间， 它的主要功能是收集基准杯溢出的凝结水， 并将凝结水排 入锅炉下降管，在流动过程中为整个容器进行加热和蓄热，确保与汽包中的温度达到一致。 正常情况下，由于锅炉下降管中流体的动力作用，溢流室中基本上没有积水或少量的积水。3.5. 连通器倒T字形连通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入变送器的负压侧。毋庸置疑，它的主要作用是将汽包中动态的水位产

3、生的压力传递给变送器的负压侧，与正压侧的（基准）压力比较以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒T字形，是因为可以保证连通器中的介质具有一定的流动性，防止其延伸到汽包之间的管线冬季发生冻结。连通器内部介质的温度与汽包中的温度很可能不一致， 致使其中的液位与汽包中不同， 但是由于流体的自平衡作用， 对 使汽包水位测量没有任何影响。36 差压的计算通过前面的介绍可以知道， 凝汽室、基准杯及其底部位于容器内部的导压管中的介质温度与 汽包中的介质温度是相等的，即丫 w=Y w, Y s=Y so 故而不难得到容器所输出的差压。本w w s s文以东方锅炉厂DG670-13.73-8A型锅炉所采用的测量范围

4、为土 300mm双室平衡容器为例加 以介 绍（如图1所示）。通过图1可知，容器正压侧输出的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压力，加上基准杯口至L形导压管的水平轴线之间这段垂直区间的凝结水压力，再加上L形导压管的水平轴线至连通器水平轴线之间， 位于容器的外部的这段垂直管段中的介质产生的压力。显而易见,其中的最后部分压力， 由于其中的介质为静止的且距容器较远， 因此其中的介质密度应为环 境温度下的密度。因此P = P 320 Y w（580 320） Y cJ w c式中P容器正压侧输出的压力容器中的介质密度（ T w=T w）环境温度下水的密度PJ基准杯口以上总的静压力负压侧的压力等于基准杯

5、口所在水平面以上总的静压力， 加上基准杯口水平面至汽包中汽水 分界面之间的饱和水蒸汽产生的压力， 再加上汽包中汽水分界面至连通器水平轴线之间饱和 水产生的压力，即P = P （580 h ）Yh YJ w s w w式中P-容器负压侧输出的压力汽水分界线至连通器水平管中心线之间的垂直高度汽包中饱和水蒸汽的密度因此差压 p=p p =320 Y 260 Y (580 h ) Y h Yw c w s w w即 P=260 Y 320 Y 580 Y (Y Y )h ( 1)c w s w s w这里有一点需要说明，(1)式中环境温度下水的密度Y ,通常情况下它会随着季节的变化而C变化，它的变化将

6、会影响汽包水位测量的准确性。就本例中的容器而言，当环境温度由 25C升高到50C时，由于密度的变化对于差压产生的影响为一2.3mm水柱，经过补偿系统补偿后对最终得到的汽包水位的影响将为2.35.5mm之间。通常情况下这样的误差是可以忽略的，也就是说可以认为这里的温度是恒定的。 但是为了尽量减小误差，必须恰当地确定这里的温 度。确定温度可以遵循这样一条原则，就高不就低，视当地气候及冬季伴热等因素确定。比 如此处的环境温度一年当中通常在050C之间变化，平均温度为25C,则可以令这里的温度为35C。这是因为水的密度随着温度升高它的变化梯度越来越大，确定的温度高些，将 会使环境温度变化对整个系统的影

7、响更小。就本例中的容器而言，当温度从0C升高到25C时，温度的变化对测量系统的最终结果影响只有1mm左右，而环境温度从25C升高到50C所带来的影响却为2.35.5mm之间。故而，确定温度应就高不就低。4. 双室平衡容器的工作特性容器的工作特性对于汽包水位测量和补偿系统来说非常重要， 了解这种特性利于用户的应用和掌握应用中的技巧。 查饱和水与饱和水蒸汽密度表 可以获得各种压力下饱和水与饱和水蒸汽的密度。把0、土 50、土 100mm等汽包水位分别代入(1)式，可得到容器输出的一系列差压，见下表1 双室平衡容器固有补偿特性参照表。通过表1 可以得知双室平衡容器的工作特性。差压P位-300-2(M

8、J-100-SO0450*100磁CO+300c *515.041S.0313 00215.0165.0ns. o15 0-阪0 1504.0408,3312,52G4. G冏g12L025-2-70.524384.2302.02八0.72E717S.613L 455.2-27 1+4川m23松129$. 2附921八7181.4143. L皈66 5432.93SL6290,3254.?21八0183.4147,776.45.118,5llg35L223八6251.321八0186 7151.4别1S-310.5402,3340, 42您5247, e21良？ias, 7IM 8爼931,0

9、12.53皈932S. 27L92414214.51B6.4157.9呃g19 1367.9316 J2M.423S. 5212,6186.7| 159. 4W9.016*5317.1311.3淤5232. S209.61S6.T16.3, 5118.073J双室平衡容器固有补偿特性参照表法 壺 1 中直对应两行差压饥 其中上一行为 4C 工况二匕外均为馆和工况从表 1中可以看到，各水位所对应的由容器所输出的差压随着压力的变化（相关饱和汽、水密度）各自发生着不同的变化。这里首先注意 0水位所对应的差压，它的变化规律较其它水 位有明显不同，只 在一个较小的范围内波动。由于该容器的设计压力为13.

10、73MPa，因此14.5MPa以下它的波动范围更小，仅在土 5mm水柱以内。也就是说当汽包中的水位为0水位时，无论压力如何变化， 即使在没有补偿系统的情况下，对0水位测量影响都极小或者基本没有影响。关于其它水位，则当汽包水位越接近于 0水位，其对应的差压受压力的变化影响 越小，反之则大。因此，双室平衡容器是一种具有一定的自我补偿能力的汽包水位测量装置。它的这种能力主要体现在，当汽包中的水位越接近于 0水位，其输出的差压受压力变化的影响越小，即对汽包水位测量的影响越小。毫无疑问，容器特性由于容器的自身结构决定的，故又称为固有补偿特性。表1中，0MPa对应两行差压值，其原因后文将会提到。之所以双室

11、平衡容器会有 这种特性其实质， 是由于双室平衡容器在设计制造时采取了特殊的结构，这种结构最大限度地削弱了汽水密度变化对常规运行水位差压的影响。 但是尽管如此，它并不能完全满足生产 的需要，仍然需要继续补偿。5. 补偿系统5.1.基础知识与基本概念从容器的特性中可以看到， 双室平衡容器不能完全满足生产的需要。 究其原因，是由于介质 密度的变化所造成的。 因此，必须要采取一定的措施， 进一步消除密度变化对汽包水位测量通过补偿以准确地测定汽的影响。这种被用来消除密度变化带来的影响的措施就叫做补偿。包中的水位。汽包水位测量补偿的方法通常有两种， 一种是压力补偿，另一种是温度补偿，无论采取哪种 方法补偿

12、效果都一样。但是它们之间略有区别，即温度补偿可以从0C 开始，而压力补偿只能从100C开始。这是因为温度可以一一对应饱和密度以及100C以下时的非饱和密度，而压力却只能对应饱和密度，即最低压力OMPa只能对应100C时的饱和密度。故而由这两种方法构成的补偿系统各自对应的补偿起始点有所不同，即差压变送器量程有所不同。 表1中OMPa对应两行差压值，其原因即在于此；其中上一行对应的是温度补偿，下一行对应 压力补偿。很显 然，温度补偿也可以从100C 开始。双室平衡容器的工作原理 22009-11-20 19:395 补偿系统5.1.基础知识与基本概念从容器的特性中可以看到， 双室平衡容器不能完全满

13、足生产的需要。 究其原因，是由于介质 密度的变化所造成的。 因此，必须要采取一定的措施， 进一步消除密度变化对汽包水位测量 的影响。这种被 用来消除密度变化带来的影响的措施就叫做补偿。通过补偿以准确地测定汽包中的水位。汽包水位测量补偿的方法通常有两种， 一种是压力补偿，另一种是温度补偿，无论采取哪种方法补偿效果都一样。但是它们之间略有区别，即温度补偿可以从0C 开始，而压力补偿只能从100 C开始。这是因为温度可以一一对应饱和密度以及100 C以下时的非饱和密度，而压力却只能对应饱和密度，即最低压力0MPa只能对应100C时的饱和密度。故而由这两种方法构成的补偿系统各自对应的补偿起始点有所不同

14、，即差压变送器量程有所不同。 表1中0MPa对应两行差压值，其原因即在于此；其中上一行对应的是温度补偿，下一行对应 压力补偿。很显 然，温度补偿也可以从100C 开始。5.2 .建立补偿系统的步骤第一步确定双室平衡容器的 0 水位位置容器的0水位的位置一般情况下比较容易确定， 通过查阅锅炉制造厂家有关汽包 （学名锅筒） 及附件方面的图纸和资料，进行比较和计算即可获得。文中例举的容器0水位位置位于连通 器水平管轴线以上 图纸的疏漏缺少与确定 0水位相关的数据，无法计算出 0水位的位置，那么确定起来就比较365mm 处，即基准杯口水所在的平面下方215mm 处。但是，偶尔由于复杂。如图 1中就缺少

15、数据。这种情况下就只有根据容器的自我补偿特性在0 水位所体现的特点通过反复验算来获得。由于容器本身就是用这样的方法经反复验算而设计制造的， 只要 验算的方法正确通过验算得到的数据会很准确可靠， 当然这只限于图纸不详的情况下。 由于 限于篇幅，这里只提供思路，具体的验算的方法本文不予介绍。 对此感兴趣的读者可以试一 试。第二步确定差压变送器的量程 差压变送器的量程是由汽包水位的测量范围、 容器的 0水位位置以及补偿系统的补偿起始点 等三方面因素决定的。一些用户一般只考虑了前两方面因素， 而忽略了补偿起始点因素，甚 至极个别的用户只简单地根据汽包水位的测量范围确定变送器的量程， 造成很大的测量误差

16、。一般情况下，忽略容器的0水位位置所造成的误差在7090mm之间，忽略补偿起始点所产生的误差在30mm 以下，特别情况下误差都将会更大。此外，这里特别提醒用户，在进行 汽包水位测量工作时， 关于变送器的量 程， 在没有得到确认的情况下，切不可单纯依赖设计部门的图纸。事实上，多数情况下，设计部门在进行此类设计，对变送器选型时，只确定基 本量程，而不给出 m 工口应用量程。下面来确定变送器的量程。本文的例子中容器的0水位位置位于连通器水平管轴线以上365mm处。由于该容器的量程为士300mm，因此（1）式中的hw的最大值和最小值分别为665mm和65mm。如果采用压 力补偿，从饱和 水与饱和水蒸汽

17、密度表中查出100C时的饱和水与饱和水蒸汽的密度代入（1）式，再分别将665mm和 65mm 代入（1 ）式，即得最小差压 Pmin= 70.5mm 水柱和最大差压 Pmax=5 04 m m 水柱这两个差压值就是变送器的量程范围（见表1中0MPa对应的下行），即一70.5-504mm水柱。如果采用温度补偿，且从 0C开始补偿，则由于水的密度极其接近1mg/mm3，误差可以忽略，令蒸汽的密度为0。用同样方法即可得到变送器的量程为一85 515mm水柱（见表1中0MPa对应的上行）。实际上，从0C开始补偿是完全没有必要的，其原因这里无需遨述。第三步确定数学模型数学模型是补偿系统中的最重要环节。由

18、（ 1）式得v M0yc-AP4-320yw-580rsv c w s= K- Ts（2）由于相对于规定的0水位的汽包水位h= hw一 365mm,所以h = 260 作-AP + 320%-5 甜人 _365% 義（3）式中h 相对于规定的0水位的汽包水位饱和水的密度YS 饱和水蒸气的密度环境温度下水的密度 P差压（3 ）式即为补偿系统的数学模型。式中yc为常数，令环境温度为30 C,则Yc=0.9956mg/mm3,所以258.9八 AP +320V -580yh = 卫 - 365（4）（4）式为最终的数学模型。显然，它与（3）式的作用完全样。在补偿系统中可以任选其。第四步确定函数、完成

19、系统在（3）式和（4）式中含都有“320yw 580 丫”和Y y”关于饱和水与饱和水蒸汽密度的两 个子式。查饱 和水与饱和水蒸汽密度表， 可以获得这两个子式关于压力或温度的函数曲 线。将所得到的曲线以及（3）式 或者（4）式输入用以执行运算任务硬件设备，补偿系统即 告完成。从补偿系统的建立过程可以发现， 补偿系统是根据某特定构造的容器而建立的。 因此，建立补偿系统时应根据不同的容器， 建立不同的补偿系统。建立补偿系统时，当确定差压的计 算公式以后，只需重复这里的步骤即可得到新的汽包水位测量补偿系统。6 关于容器保温问题的释疑众所周知，为了使 容器达到理想工作状态， 容器的外部必须作以适当的保

20、温。 然而，关于容器的凝汽室及顶部 的保温问题目前有些争议，部分用户认为这里的保温可有可无。 笔者在这里阐述一下个人的 观点。笔者通过多年观察发现， 在这里没有保温的情况下，冬季由仪表显示的汽包水位会比 夏季低 将近10mm。分析原因，是因为一般情况下凝汽室的温度都要比环境高300 C左右，甚至更高，因此它的热辐射能力很强。当凝汽室外部没有保温或者保温条件比较差时，尽管凝结水的速度会加快并导致更多的饱和水蒸汽流到这里补充这里的热量，但是由于这里的介质处于自然对流状态且受到管路等的阻力的制约，使补充的热量难以维持这里的温度，进而影响了测量的准确性。对于额定工作压力为13.73MPa的锅炉而言，如果冬季由仪表显示的汽包水位比真实水位低10mm，将意味着容器内部的温度比饱和温度低7 C左右。所以，为确保其包水位测量的准确性， 这里必须加以适当的保温。 笔者以为，这里的保温以保温层的外层温度不超过120C为佳。