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1、平衡容器的工作原理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。凝汽室:f门 f:I nV.珑!1血1100下降管it擬绪水管图1筒X汽包?：YS .：-：?：爲和翳三饱和水二三基准杯溢流室连通器3.2. 凝汽室 理想状态下，来自汽包的饱和水蒸汽
2、经过这里时释放掉汽化潜热，形成饱和的凝 结水供给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
3、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。3.6. 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Y =Y ，Y =Y 。故而不难得到
4、 wwss容器所输出的差压。本文以东方锅炉厂DG670-13.73-8A型锅炉所采用的测量范 围为土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 +（580320） Y+ J w c式中 P+容器正压侧输出的压力容
5、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 通器水平轴线之间饱和水产生的压力，即P = P+（580h） Y + hY 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=P -P =320 y +260 y （580 h） y -h y+ w c w s w w即 P=260 y + 320 y 580 y（y y ）h（1
6、）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+2.3 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25
7、C，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、50、100mm 等汽包水位分别代 入（1）式
8、，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-200-100-504504100+2000 *SlO415. 031S. 02&5. 0215.016F. 011E.0旳也04Q&3312. 52S4. 621.8168. 912k 02S-22 44阪E側2302.02&0.72閱17S.613L 455.24494372+72%. 2纨921713L4143.1必&E眈g3乩& 1290.3254.7219183.4K7舐48.5117. s351.2284.6251.321?. 0184.7151.484. S
9、10.5340.427S. &247.62U.7185.?154.8曲12.5述gW. 9271.9245.4214.9136. 41盼10C914.5S6T. 9316*12阿g2濫右2欣186.715亂4曲01653畔乳1冷2弗卡20.51S6.lieis11E.0注；表1中就Pd对应圖行差压值，其中上一齐为勾E工况。此外母为饱和工况.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1
10、4.5MPa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。之所以双室平衡容器会
11、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 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
12、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 压力却只能一一对应饱和密度，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
13、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
14、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。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
15、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 为土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100 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 Pmin= 70.5mm 水柱和最大差压 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
