汽包水位测量部件及原理

水位测量是发电厂和其他生产过程常用的测量手段，如电厂中的汽包水位测量、除氧器水位测量、凝汽器水位测量、各种疏水箱、储水箱的水位测量，都属于液位测量的范畴。

常用的水位测量手段主要有：连通器水位测量（云母水位计、牛眼水位计、双色水位计、浮子式水位计）、电接点水位计、电磁式水位计、差压式水位计、工业水位电视。

云母水位计、牛眼水位计、双色水位计、电接点水位计、差压式水位计、工业水位电视可以用于测量锅炉的汽包水位、除氧器水位、凝汽器水位，能耐受较高的汽包压力和温度；浮子式水位计主要用于储水箱水位测量，用于压力温度较低的场合；电磁式水位计可以用于疏水箱水位的测量，是一种非接触式的水位测量。

汽包水位测量对于锅炉的安全运行极为重要，水位过高会引起蒸汽带水，影响蒸汽品质，严重时会造成汽轮机进水损坏汽轮机。汽包水位过低会引起锅炉循环破坏，水冷壁缺水烧坏，也就是通常所说的“干锅”，是国家电力公司二十五项重点反措里面重要的一项，是锅炉最重要的监视参数。

锅炉汽包水位的测量，最简单的是采用云母水位计，它是根据连通管原理制成的，就地安装在汽包层，指示直观。但因现场条件差，监视不方便，仅在锅炉启停和校对其他水位计时才用作监视，在锅炉正常运行期间只作定期检查用。

为了在控制室监视水位，以及为给水自动系统提供水位信号，采用平衡容器把信号转换成差压信号，用差压计测量水位，即差压式水位计。差压水位计的指示受汽包压力变化的影响较大，必须进行校正才能比较正确地反映汽包水位。

一、水位计作用、水位表示方法及误差

1.水位计的作用

发电厂锅炉汽包水位计是保证锅炉安全运行的重要仪表，准确测量和控制锅炉汽包水位且使其保持在规定的范围内运行，是锅炉正常运行的主要指标之一。水位高会影响汽水分离器装置的汽水分离效果，使饱和蒸汽湿分大，含盐量高，造成过热器和汽轮机通流部分积垢，严重时会造成过热器超温爆管、蒸汽带水、汽轮机水冲击等破坏性事故。水位过低，就会影响自然循环锅炉的水循环安全、水冷壁某些部分循环停滞，既而局部过热甚至爆管。为避免上述恶果，要求水位计能准确、可靠、灵敏地反映水位变化。

2.水位表示方法和误差

大家知道在汽包里由于汽水混合物引入汽包的方式、数量以及负荷、压力的不断变化，在汽包里没有明显的汽水分界面。实际水位不可确定，也就是不能确定水到汽，即湿度或重度突变的实际水位线。但可以找到重度变化最快的点，这个点定义为汽包的“实际水位”。也就是说，由于实际水位难以测量，工程上以所谓的“重度水位或重量水位”来反映汽包实际水位。

“重度水位”就是水位计汽水取样点所跨越的汽包高度范围的汽水折算成当时汽包压力下，以饱和水和饱和汽由水面上下分开存在时，所具有的水柱高度。也就是说，在相同工况下，将汽包汽空间全部水滴落入水中，而水中的汽泡全部跑到汽空间，这种理想状态所形成的汽水分界面，称汽包重度水位。

由于水位计的散热作用，使水位计中水柱温度低于汽包内饱和水温度，这就造成了水位计水柱重度的增加，使指示值偏低，产生误差。假设汽包重量水位为H0，则由于水柱冷却造成水位计指示误差Δh，可以由下式计算

Δh=Hw（γ1-γ′）/（γ1-γ″）

式中 γ1——水位计中水柱的平均重度；

γ′——饱和水重度；

γ″——饱和蒸汽重度；

Δh——水柱冷却误 差。

二、水位计的种类

1.就地安装直观式水位计

就地安装直观式水位计安装在汽包附近，值班人员就地监督水位，用电话或手动信号将水位指示值传送到操作台。如玻璃水位计、云母水位计以及利用汽水光折射率不同而工作的双色水位计等。

2.远传式低置水位计

这种水位计的显示部分安装在操作台上，实现汽包水位的远距离测量。目前使用广泛的有下列两种：

（1）差压型低置水位计。这种水位计是利用液体静力学原理将水位转换成差压，再通过测量差压信号来显示水位的。

（2）电极式水位计。利用蒸汽和水的电阻率差异大的原理测量水位。

三、差压型低置水位计

是由“差压—水位”转化装置（即平衡容器）、差压变送器和二次仪表组成，是目前电厂广泛使用的一种仪表。

差压型低置水位计根据液体静力学的原理，通过测量变动的水位与恒定水位之间的静压差，再将差压值转换为水位指示值，如图3-5所示。

图3-5 差压式水位计测量原理

右边定位容器的水位是恒定不变的，差压计所接受的差压值仅随左边水箱水位的变化而变化。为了便于计算差压值，我们选择水位测量的最低点（即负压头取样点）作为基点，并忽略空气重度来计算差压，即

Δp=p+-p-=γL-γH

式中 Δp——差压计所接受的差压值；

p+——正压头；

p-——负压头；

γ——水的重度。

由上式可以看出，由于L是常量，γ常温下也是常量，因此Δp由γH决定，即与水位H成线性关系。

这就是水位计的基本原理，可以通过测量差压的方法显示水位。

但是测量锅炉汽包水位就不那么简单了。由于汽包内是具有一定温度和压力的汽和水，它们的重度又随压力的变化而变化，并且蒸汽的重度也不能像空气那样小得可以忽略，所以汽包水位计的负压头与水位之间的关系，在不同的压力下具有不同的数值，因此需要进行压力补偿。

四、差压型水位计汽包压力自动校正

“水位-差压”转换装置，尽管采用补偿管来作压力补偿，但由于确定补偿管长度是以水位在正常值H0（即零水位）的情况下计算的，同时仪表的校验差压值是按汽包额定压力值计算出来的，所以只有在额定压力下运行，仪表在整个刻度范围内才有较准确的指示，因此当汽包压力和水位同时偏离正常值时，仍有较大误差。同时带蒸汽加热套的转换装置在锅炉汽包压力突然下降时，正压容器内的凝结水可能被蒸发掉，致使仪表指示失常。采用了压力自动补偿（校正）可以使差压型低置水位计在锅炉启停过程中，整个水位刻度范围内都有较准确的指示，可以输出连续模拟量信号，满足锅炉给水自动调节的需要。“水位-差压”转换装置的输出差压为

Δp=γ1L-γ′H-（L-H）γ″(www.xing528.com)

式中 γ1——水位计中水柱的平均重度；

γ′——饱和水重度；

γ″——饱和蒸汽重度。

改为被测量水位H的表达式

由上式可以看出，采用这种“水位-差压”转换装置，当L一定时，要使水位计正确指示汽包重量水位H，不仅要将差压信号Δp引入仪表，而且要把重度变化信号）γ1-γ″和1/（γ′-γ″）引入仪表，这样采取受汽包压力控制的函数转换器f1（p）和f2（p）来实现。见图3-6。其输出量分别为γ1-γ″和1/（γ′-γ″），并依照重度γ1、γ′和γ″与汽包压力之间的非线性关系，自动地跟随压力信号变化而变化。

图3-6 差压型水位计汽鼓压力自动校正系统

五、电极式水位计

突出优点：能适应锅炉变参数运行。

1.原理

由于锅炉汽包中水和蒸汽的密度和所含导电介质的数量不同，其导电特性存在着极大的差异。一般高压锅炉饱和蒸汽的电阻率要比炉水大数万至数十万倍，比饱和蒸汽凝结水大1万倍，因此只要在临界参数以下，汽水电阻率总是有差异的。电极式水位计就是通过测定与锅炉汽包连通的水位容器内汽水电阻大小来分辨和指示汽包水位的，也就是利用水和水蒸气的电阻率明显不同的特性来实现水位测量的。与差压水位计相比较，电极式水位计的突出优点是指示值基本不受汽包工作压力变化的影响，在锅炉启停过程中能准确地反映水位。

如图3-7所示，当装置在水位容器上的电极在水中时，由于水的电阻小（100kΩ以下），会使电路接通，指示灯发亮（或代表该处的数字管显示）。当电极处在蒸汽中，由于蒸汽电阻大（10MΩ以上），电路不通，指示灯（数码显示管）不显示，从而达到水位测量的目的。

图3-7 电极式水位计

2.电极和水位容器

电极和水位容器是电极水位计的一次组成部分。为了确保电极式水位计长期准确、可靠运行，电极必须在高温高压的汽水中具有一定的机械强度、电气绝缘性能和抗化学腐蚀能力。因此对电极的结构和材料有着严格要求。

水位容器的形状和尺寸应考虑有利于减少水柱温降所引起的测量误差。但容器直径太大会增加测量时延，特别是汽联通管很小而容器直径又很大时，由于蒸汽凝结速度加快，蒸汽流量增加，汽联通管压降增大，给水位测量带来附加误差。锅炉参数越高，这种附加误差越大，因此尺寸要合适。用φ176mm或φ89mm20号无缝钢管加工成水位容器是合适的。

保温方式：不能采用全保温，全保温不仅对降低水位计的冷却误差无效，而且大大降低凝结水流量，恶化了水质，易加速电极的腐蚀。

正确保温方式：只是将容器下半部和水联通管保温。

测量误差：固定误差——由电极安装间距造成。

主要误差——水柱温降所造成的冷却误差。

由于这种误差存在，使电极式水位计的指示值低于汽包内真实的水位。此外电极式水位计显示是跳跃的，不能输出连续的模拟量，不利于水位自动调节的实现。

六、双色水位计及水位工业电视

双色水位计又称牛眼水位计（是电厂在用的就地水位计），是利用水和蒸汽对光的折射率不同的原理制成的。双色水位计配合水位电视，可以组成汽包就地水位计的远传化，在大型锅炉上成为汽包水位测量不可缺少的测量手段。既可以作为就地水位计提供给运行人员观察，又可以实现远传，提高了锅炉汽包水位测量的可靠性。

双色水位计优点是显示醒目，在白天20m内尚能分辨水位，夜晚可视距离更远。双色水位计经摄影配合上工业电视传输，将水位信号用摄像机引入控制室直接观察（也就是大家在集控室看到的水位电视），直观明了，便于和低置水位计对照，提高监视水位的可靠性。而且有的双色水位计设有蒸汽加热补偿措施，测量误差明显减小。

汽包水位电视近年来发展极为迅速，采用CRT显示技术，已实现了电视信号数字化，一般在汽包两侧各安装一台双色水位计和电视摄像机。两台摄像机信号分别送到控制室，由于水位电视信号实现数字化，运行人员可以通过一台监视器，分为两个窗口，同时监视汽包两侧的水位信号，也可以通过两台控制摄像机的聚焦，水位电视监视更加方便自如。

通过汽包水位电视，可以连续地对就地汽包水位进行监视，及时校对汽包水位变送器的工作情况。可以及时发现差压式测量方式的误差，进行校准，以保证锅炉汽包水位保护和自动调节的准确性。

七、锅炉水位保护

1.水位保护的重要性

汽包水位是锅炉运行是否正常的重要标志之一，维持汽包水位在一定范围之内是保证锅炉安全运行的必要条件。因为汽包水位过高将减少蒸汽重力分离行程，破坏汽水分离效果，使蒸汽带水，造成过热器中盐类沉积，恶化过热器的工作条件。严重时还可能引起汽轮机水冲击，造成汽轮机转轴弯曲等恶性事故。水位过低时锅炉水循环将遭破坏，水冷壁安全受到威胁。

水位保护的作用是：当锅炉缺水而造成汽包水位过低时，为了避免“干锅”和烧坏水冷壁管，应采取保护措施，如打开备用给水门，必要时采取紧急停炉；当水位过高而造成“满水”时，及时打开放水门，必要时也采取紧急停炉，以避免事故发生或防止事故扩大。

2.锅炉水位保护系统

锅炉水位保护与锅炉的容量、结构和运行方式有关。下面以某100MW机组的锅炉汽包水位保护为例进行分析，图3-8为锅炉水位保护框图。

图3-8 锅炉水位保护框图

（a）锅炉水位高保护框图；（b）锅炉水位低保护框图

一般水位偏差为三个值，称为高一、高二、高三值（例如：+50、+150、+250mm），反之称为低一、低二、低三值（如：-50、-150、-250mm）。高或低一、二值为报警值，三值为停炉值。由图3-8（a）可见，当水位高至高一值时，保护装置发出水位高预告信号，引起运行人员注意，此预告信号作为水位高二值信号的“与”条件。若运行人员采取措施后水位仍继续升高至高二值时，保护系统自动打开事故放水门。水位高二值信号同时作为水位高三值信号的“与”条件，若放水后水位仍继续升高到高三值，保护系统发出紧急停炉信号，停止锅炉运行。

当水位至高二值放水后，水位恢复到高一值以下，证明水位确实恢复正常，水位保护系统应立即关闭事故放水门，以免汽包水位再降低。

汽包压力降低也会使水位升高，但这是虚假水位现象（如汽包安全门动作），这种水位升高即使高至高二值或高三值，保护系统也不应动作。因此，对安全门动作需加延时（图中为60s），待虚假水位消失，禁止信号才解除，防止误动作。另外，计算机也可发出禁止命令，防止设备不必要的动作。

由图3-8（b）可见，当安全门动作（60s内），炉膛灭火、主汽压力高或计算机指令均不存在的情况下，水位低二值信号存在，则关定期排污总门。当水位低一、低二值相继出现时，开备用给水门。当水位低二、低三值相继出现时，说明汽包严重缺水，应紧急停炉。当水位在高一、高二、高三值或低一、低二、低三值时，均向信号系统发出报警信号。