平衡容器工作原理

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1、平衡容器的工作原理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。E汽包凝汽室双室平衡容壽i lion|1000 ,连通器基准杯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，形成饱和的凝 结水供应基准杯及后续环节使用。3.3. 基准杯它的作用是收集来自凝汽室的凝结

2、水，并将凝结水产生的压力导出容器，传向差 压测量仪表一一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 包中的温度到达一致。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生的压力传递给变

3、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。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Y =Y，Y =Y -8A型锅炉所采用 的测量范围为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

4、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 +（580320） Y+ J w c式中P 容器正压侧输出的压力+容器中的介质密度y = y wwY 环境温度下水的密度cP 基准杯口以上总的静压力J负压侧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

5、线之间饱和水产生的压力，即P = P+（580h） Y + h Y J w s w w式中P_容器负压侧输出的压力h 汽水分界线至连通器水平管中心线之间的垂直高度 wY 汽包中饱和水蒸汽的密度s因此差压 p二pp =320 丫+260 y (580 h) y h y+ w c w s w w即p=260 y + 320 y 580 y(y c w s wy )h1sw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变化，它的变化将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 响为一水柱，经过

6、补偿系统补偿后对最终得到的汽包水位的影响将为+2.3 5.5mm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。比方此 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

7、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。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、50、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。表1取室壬衡容器固有补偿特性参照表差压辿磴-300-2 00-1GO-500+5041004-200+3000 *510415. 0315. 0碎021E- 0165. 011E.015*05

8、04. 040S. 3312. 5陆4. 621.8168. Q12k035-2-70. S2 4眺&3眩2302.0250. T21717S.613L455.2-27+1他22躲221713L4143駅，-9.96.5432.9琳&230.3254.721.0183.4147,?5.18,517. E351.2284.5251.3215.0184.7151.434,318.310.5402.3340.4278.5247.621.7185.7154.8也勺31-012.5339328. 9271.924?. 4214.9136. 4157.91他9也9皿与357,9264.4绻5212.618

9、6*715S刚57.516宮2弱.5163.S注；表1中ONPaM应两行差压值，其中上一行为勾E工况.此外爆为饱和工况。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13.73MPa,因此14.5MPa以下它的波动范围更小，仅在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

10、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 这种能力主要表达在，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。5.1.基础知识与基本概念从容器的特性中可以

11、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 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oc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

12、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 365mm 处，即基准杯口水所在的平面下方 215mm 处。但是，偶尔由于 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 复杂。如

13、图1 中就缺少数据。这种情况下就只有根据容器的自我补偿特性在0水位所表达的 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

14、。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密度表中查出10

15、0 C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A Pmin= 水柱和最大差压A Pmax=504mm 水柱 这两个差压值就是变送器的量程范围见表1中OMPa对应的下行即一70.5504mm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一85515mm水柱见 表1中OMPa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1式得 2 由于相对于规定的0水位的汽包水位h=

16、 hw365mm,所以 3式中 h 相对于规定的 0 水位的汽包水位Y w饱和水的密度Y s 饱和水蒸气的密度Y c 环境温度下水的密度AP差压3式即为补偿系统的数学模型。式中Y c为常数，令环境温度为 30C,则Y c=0.9956mg/mm3,所以 44式为最终的数学模型。显然，它与3式的作用完全一样。在补偿系统中可以任选其第四步 确定函数、完成系统在3式和4式中含都有“320 Y w580 Y s”和“Y w丫 s”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

17、，补偿系统即告完成。从补偿系统的建立过程可以发现，补偿系统是根据某一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，为了使容器到达理想工作状态，容器的外部必须作以适当的保温。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300C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10m m,将意味着容器内部的温度比饱和温度低 7C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。