一种用于锅炉汽包的水位测量系统及其测量和校验方法
一种用于锅炉汽包的水位测量系统及其测量和校验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锅炉汽包水位测量领域，具体地说是一种能够实时动态精确地测量汽 包内水位的水位测量系统及其测量方法、水位测量系统的校验方法。
【背景技术】
[0002] 汽包水位测量技术，涉及热力学、传热学、流体力学、材料力学、热工测量技术，测 量误差理论等多学科，是多函数、多自变量、动态、实时、瞬变的物理量的综合测量过程。在 测量过程中参杂了许多不确定的附加误差、随机误差难于分离。
[0003] 历年来，汽包水位测量值，没有"标准计量传递"，汽包水位表没有精度规定值。由 于工业生产的需要，各种新型测量原理的水位表不断出现，终因高温、高压、热力学参数工 况条件恶劣，外界影响因素较多，水位示值误差不确定、易坏易漏、没有连续量、易故障、易 停用、维护量大、寿命短、易辐射、成本高等原因没能得到推广。
[0004] 过去水位测量多采用汽包外置式热套水位平衡容器或简单的单室水位平衡容器。 当水位表水位示值不准时，即用差压变送器零位线性调整装置进行调整，调整后改变了差 压变送器校验值，工作差压量程出现死区、量程电量出现溢出，检修校验中，差压变送器调 前、调后读数不符，不但改变了水位与差压的热力学关系特性，同时校验记录失效。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提供一种能适应高压炉、超高压炉汽包水位表启炉就准、免维护、不 用调整，水位表运行值与水位表校验值相符，并在滑参数运行、安全门动作过程中，能正常 显示汽包内水位值的水位测量系统及其测量和校验方法。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于锅炉汽包的水位测量系 统，包括水位测量装置、恒温器、均密度测量器、压力取样门、压力变送器、温度变送器、差压 变送器和全程水位表；所述水位测量装置与锅炉汽包的汽侧门和水侧门连接，通过恒温器 与差压变送器连接，还通过压力取样门与压力变送器连接；所述恒温器连有均密度测量器， 均密度测量器与温度变送器连接；所述压力变送器、温度变送器、差压变送器均与全程水位 表连接。
[0007] 所述水位测量装置为同心圆联体结构，密封的圆柱体容器底部设有与其同轴心的 圆管，圆管底端探出圆柱体容器，顶端位于圆柱体容器内部；圆管内部构成负压室；圆柱体 容器内径与圆管外径构成正压室；所述圆柱体容器上部设有入汽口，通过汽侧管与锅炉汽 包的汽侧门连接；圆管的下部设有入水口，通过水平设置的水侧管与锅炉汽包的水侧门连 接；圆柱体容器下部和圆管的下部分别设有正压取样口、负压取样口，与恒温器连接。
[0008] 所述圆管的内径为水侧管内径的2倍。
[0009] 所述圆管顶端到水侧管轴心的垂直高度与全程水位表量程相等。
[0010] 所述恒温器包括正压恒温器和负压恒温器，均为密闭容器，上部设有入口，底部设 有出口；正压恒温器入口与圆柱体容器正压取样口连接，出口通过均密度测量器与差压变 送器连接；负压恒温器入口与圆管的负压取样口连接，出口与差压变送器连接。
[0011] 所述均密度测量器包括四个铂电阻，由上向下均匀固定于正压恒温器与差压变送 器连接的钢管上且位于正压恒温器出口处的垂直部分；两只奇数顺序的铂电阻串联，与另 外两只偶数顺序串联的铂电阻构成并联电路后，与温度变送器连接。
[0012] 所述差压变送器的正、负压输入端分别通过正压门、负压门连有正压集气器和负 压集气器；所述正压集气器和负压集气器均为密闭容器，上部设有出口，底部设有入口；所 述正压集气器和负压集气器的入口分别与正压恒温器、负压恒温器连接，并分别与正压门、 负压门连接，还分别与正压排污门和负压排污门连接；所述正压集气器和负压集气器的出 口分别连有排气门。
[0013] 一种用于锅炉汽包的水位测量方法，包括以下步骤：：
[0014] 水位测量装置产生的水柱差压，经差压变送器转换成差压值AP送至全程水位 表；
[0015] 汽包内的饱和压力经压力变送器转换成压力值Ps送至全程水位表；
[0016] 室温温度经均密度测量器转换成温度值ta送至全程水位表；
[0017] 全程水位表内的CPU根据水位补偿计算公式得到实时的水位高度。
[0018] 所述水位补偿计算公式如下：
[0019] h= [Hm(pta_p" )_L(Pta-P' ）_(q-HM/2)(pta_p' ）_AP]/(p'-p")-B
[0020] 其中，h为水位高度，HM为全程水位表量程，B为设定常数，AP为差压变送器测 量的水位测量装置内正、负压室水面之间的差压值，q表示水位表水位示值修正系数，为 设定值；饱和水密度P'、饱和汽密度P"均根据压力变送器（9)测量的压力值Ps和均 密度测量器（5)测得的温度值ta通过查询饱和蒸汽参数表得到；室温参比水密度Pta= 1001. 13+0. 44(P+0.l)-0. 0171XtaL7；
[0021] L= (2pta_p' -p" -p20-c )/2 (pta_p'）XHm
[0022] 式中，L为水位测量装置动态特征系数，P2(rc为试验室校验水柱20°C时水的密度， Pta为均密度测量器测量的温度值对应的水密度。
[0023] 一种用于锅炉汽包的水位测量系统的校验方法，包括以下步骤：
[0024]1)在水位测量装置与水侧门之间设置的校验门下，通过四通分别连接加水门、玻 璃管和放水门；
[0025] 2)将一注水箱置于水位测量装置上面，用水管连通注水箱和加水门；
[0026] 3)将玻璃管竖直放置且顶端与注水箱等高，底端低于水位测量装置底部；
[0027] 4)关闭水侧门，打开汽侧门，汽包里的气体进入水位测量装置，此时汽包与水位测 量装置同处于大气压力条件下；
[0028] 5)打开校验门并关闭放水门；打开加水门，根据连通器原理注水箱内的水经水管 向水位测量装置内自动注水；
[0029] 6)当玻璃管内水面达到正压室外满水钢印处时，负压室和正压室水面也达到满水 钢印处即正压室内圆管顶端高度，此时水位测量装置内正压室水面与负压室水面的压差为 零；全程水位表将差压变送器测量的压差进行显示；如果显示最高水位值，则水位上升校 验成功；
[0030] 7)关闭加水门，打开放水门，玻璃管内水位下降到零水位钢印处即汽包内的零水 位高度时，表示此时正压室水面与负压室水面间的压差为1/2的最大差压值；全程水位表 将差压变送器测量的压差进行显示，如果全程水位表显示水位值是量程的1/2刻度值，则 水位下降第一阶段校验成功；
[0031] 8)保持打开放水门使玻璃管内水位下降到水侧管中心线处，此时负压室内水面也 在水侧管中心线处；差压变送器将测量的压差送至全程水位表，如果全程水位表显示负水 位量程刻度值，则水位下降第二阶段校验成功；
[0032] 9)水位上升校验、水位下降第一阶段校验和水位下降第二阶段校验全部成功，水 位测量系统的校验结束。
[0033] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0034] 1.本发明设备结构简单，因是汽包外置式，可视、可测，检查方便；通过检查恒温 器的温度是否超过室温，可快速判断故障：恒温器温度超过室温，则可立刻判断为水位测量 系统的传压管系泄露，便可及时处理。
[0035] 2.本发明的水位测量装置内部的同心圆联体结构没有焊口，根除了内漏故障，与 锅炉同寿命，并能实现无故障运行。
[0036] 3.在本发明中汽侧管向正压室方向倾斜，汽侧管、门产生的凝结水流入水位测量 装置，与装置内的凝结水集流共同由水侧管流回汽包；热量损失少，提高了装置下部水温， 提高了水位测量精度。本发明装置体积小，重量轻，回收了热量。
[0037] 4.本发明所用圆管的内径为水侧管内径的2倍，使测量水位波动值<±5mm。
[003 8] 5.水位测量系统工作准确、稳定、可靠、重复性好，设备互换性强，实现装置数据标 准化。
[0039] 6.汽包外置式，结构同心圆联体设计、水侧管加装校验门，实现了水位测量系统水 位示值可全刻度水柱精度校验。并且在停炉大修、基建中等条件下均可以对水位测量系统 进行系统校验。
[0040] 7.采用本水位测量系统，每台锅炉汽包的多只水位表水位示值差小于30mm。
[0041] 8.本发明的测量水位方法能够实现水位表启炉就准、免维护、不用调整。
[0042] 9.汽包外置式、内自加热的全程水位测量装置引入的特征系数L产生了压力全 程、水位刻度全程的量程差压的蝴蝶效应，即汽包满水差压与零水位差压之差近乎等于无 水差压与零水位差压之差，并且零水位差压近乎常数，几乎与汽包压力无关，这一效果使运 行非常稳定，维护工作非常方便。
[0043] 10.汽包水位表、差压变送器、压力变送器、温度变送器校验数据调前调后一致，设 备校验数据实现了标准化，可传递。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的水位测量系统结构示意图；
[0045] 其中，1水位测量装置，2正压恒温器，3负压恒温器，4均密度测量器，5正压集气 器，6负压集气器，7校验门，8压力取样门，9压力变送器，10温度变送器，11差压变送器，12 全程水位表，13温度报警器；
[0046] 图2为水位测量系统的校验方法示意图；
[0047] 图3为全程水位表内CPU的信号传输不意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0049] 本发明在220t/h高压炉、670t/h超高压炉上现场试验试用了这一汽包水位测量 系统。工作环境温度5-90度。水位测量系统包括水位测量装置1、恒温器、均密度测量器4、 压力取样门8、压力变送器9、温度变送器10、差压变送器11和全程水位表12 ;所述水位测 量装置1与锅炉汽包的汽侧门和水侧门连接，通过恒温器与差压变送器11连接，还通过压 力取样门8与压力变送器9连接；所述恒温器连有均密度测量器4,与温度变送器10连接； 所述压力变送器9、温度变送器10、差压变送器11均与全程水位表12连接。如图1所示。
[0050] 1、水位测量装置为同心圆连体结构，密闭的中空圆柱体容器底部设有与其同轴心 的圆管；圆管内部构成负压室，顶端开口位于圆柱体容器内部，底端探出圆柱体容器；圆柱 体容器内壁与圆管外壁构成正压（参比水）室。圆管部分插入到圆柱体容器内，与圆柱体 容器的连接处在圆柱体容器外部进行焊接，保证正压室内部无焊口。
[0051] 水位测量装置有两个入口、两个出口； 一个入口是圆柱体容器上部设有的入汽口， 通过汽侧管与锅炉汽包的汽侧门连接，汽侧管向正压室倾斜，便于管内的凝结水流向正压 室；另一个入口是圆管下部的入水口，通过水侧管与锅炉汽包的水侧门连接；汽侧门和水 侧门打开时水位测量装置与汽包构成了汽水连通器，能正常的反应汽包内的汽水分界面位 置。
[0052] 圆柱体容器外部刻有满水钢印，钢印与正压室内的圆管顶端同高。正常工作时表 示正压室内圆管外围充满水且负压室内水面低于正压室内水面运行。圆管外部刻有零水位 钢印，零水位钢印与汽包内零水位同高。
[0053] 圆柱体容器下部设有出口，通过S型管与正压恒温器连接。S型管的出口延伸与 S型管的下部拐弯处构成了水平倾斜钢管，向正压恒温器入口倾斜，倾斜度为1:100 ;水平 倾斜管长度约400mm，正压恒温器入口管中心线在圆管外的零水位钢印上方40mm处。采用 S正压管缩小了正压室的高度，正压室内参比水密度热动态迟延减小，提高了正压参比水密 度的变化灵敏度，使得所测得的差压值更加准确。
[0054] 圆管的下部也设有出水口作为负压取样口，通过水平放置的钢管与负压恒温器连 接。该钢管的轴心与水侧管轴心等高。
[0055] 正压室参比水散热面积比加热面积大2. 5倍，可得到稳定的单相液态参比水质， 即正压室参比水不会发生沸腾现象。
z表示假设无圆管时正压室内水的容积，
^表示正压室内圆管所占容积，D和d分别表示正压室内径和负压室外径，L'为正 压室内水柱的高度。
[0056] 正压室回收凝结水连续流入负压室，提高了负压室下部参比水温度。与热套式水 位平衡容器比较缩小了水位测量装置尺寸、重量，减小了金属热容量，改善了热动态迟延特 性，提高了水位测量灵敏度，同时负压室内径得到了扩大，减少了水位波动。取消了热套式 平衡容器加热用下降门和l〇m下降管，根除了下降门开度不同引起汽包水位示值不同的操 作误差。
[0057] 另外，负压室流通截面积与水侧管流通截面积之比等于4,有效抑制了4周/秒的 汽包内水位等幅振荡波，起到了阻尼滤波作用。
[0058] 负压室通径D=clHOmm;水侧管通径d=0 20mm;
[0059]截面比K=itD2/4+itd2/4=D2+d2=①402+①202= 1600+400=4。
[0060] 2、恒温器有两个，均为封闭的中空圆柱体密闭容器，上部设有入口，底部设有出 口；正压恒温器入口通过S正压参比管（S形管）与圆柱体容器正压取样口连接：S正压参 比管出口延伸形成水平倾斜的管，S正压参比管入口与圆柱体容器正压取样口连接，水平倾 斜管的出口与正压恒温器入口连接；正压恒温器出口通过传压管与正压集气器和正压排污 门连接；负压恒温器入口与圆管的负压取样口连接，出口通过另一传压管与负压集气器、负 压排污门连接。
[0061] 3、温度报警器为两只，分别设于恒温器顶部，用于当恒温器内参比水的温度达到 温度高报警的设定值（如80度）时，输出接点信号用于光声报警。
[0062] 4、均密度测量器：正压恒温器出口处所连接的传压管上用喉箍从上至下均匀固定 有四只铂电阻（温度传感器），该传压管在正压恒温器出口的一段为竖直设置。奇数顺序 的两个串联、偶数顺序的两个串联后再并联，铂电阻的串联方向与传压管的竖向平行。当正 压恒温器出口处的管路内上部和下部的水温度不同时，这样均匀分布的铂电阻可以采集不 同位置的水温，并联后所得的阻值所对应的温度值为平均温度值，输入到全程水位表内的 CPU，用于实时计算水位。
[0063] 5、集气器：差压变送器的正、负压侧传压管线最高点加装集气器，实现自动收集空 气。集气器有两个，均为中空密闭容器，上部设有出口，底部设有入口；正压集气器和负压 集气器的入口分别与正压恒温器、负压恒温器连接，并分别通过正压门、负压门与差压变压 器连接；差压变送器的正、负压侧之间连有平衡门；正压集气器和负压集气器的出口分别 连有正压排气门、负压排气门（用于差压变送器在投入前排除管线内空气或维护时排除空 气）。
[0064] 当锅炉上水点火、汽包压力到0. 5Mpa时，系统内的气体通过集气器收集排净，通 过排污门排掉管路内污物，排气、排污后，维护工作结束，可以投入水位表测量水位。
[0065] 6、水位测量装置中圆管的入水口通过水侧管与锅炉汽包的水侧门连接；可以通过 四通连接另外两通接口分别连接压力取样门和校验门。压力取样门和校验门均为截阀。压 力取样门与压力变送器连接，用于直接测量汽包内饱和压力，根除了压力传压管因标高差 引入的水位测量误差；校验门用于停炉检修时或基建中进行水位测量系统校验。
[0066] 7、水位测量系统校验器：在校验门处连接有四通，另外三通接口分别连有加水门、 放水门和玻璃管；玻璃管竖直设置，与注水箱等高。用于进行汽包水位测量系统校验。
[0067] -种用于锅炉汽包的水位测量系统的水位测量方法，具体如下：
[0068] 水位测量系统工作原理如下：
[0069] 水位测量装置与汽包连接成汽、水联通器，把汽包内水面等标高反映到水位测量 装置的负压室内，并与上方正压室固定水面进行水面差压力比较，形成的正压 室水面与负 压室水面之间的压力差（水柱压力），就从汽包高静压力Fs= 15. 3MPa= 1530000mmH20数 值中被分离出来，并送到差压变送器转换成与水柱微压力成正比例的电流信号，即完成了 对汽包（厚100mm钢板）内水位、差压、电量测量转换工作。
[0070] 汽包内工作压力达15. 3MPa时，饱和水、饱和汽、汽包内汽侧金属表面温度均是 344°C，饱和水密度为596kg/m3,但差压变送器校验值中P ' 2(C= 1000kg//m3,是标准室校 验值。饱和汽密度为l〇lkg//m3,但差压变送器校验值中P" 2(c=0kg//m3是标准室校验 值。在动态运行中，（P'，P")随汽包工作压力变化，汽包压力上升时，饱和水密度值以 函数曲线下降，饱和汽密度值以函数曲线上升，增加了水位测量中水位与差压关系的复杂 性。所以必须对汽包水位测量进行饱和压力、饱和温度补偿，即通过汽包饱和压力值Ps、汽 包饱和温度ts实施补偿。
[0071] 在流体力学中，水是液态不可压缩流体。但在热力学中，水不但是可压缩流体，最 大体积压缩>_〇. 8 %，受热还会产生非常大的热膨胀，最大体积膨胀值>+4. 1 %，室温参比 水密度的变化，干扰了汽包水位与差压的单值对应关系，需要对室温参比水密度进行压力、 温度补偿。
[0072] 当打开汽、水侧门时，汽包内饱和汽由汽侧门流入水位测量装置开始凝结成饱和 水，正压参比水面自然形成，汽包内饱和水由水侧门流入负压室，负压室水面与汽包内水面 相同，水位与差压的关系开始形成，当水位测量装置各点温度达到稳定工作状态时，水位测 量装置产生的差压与水位的关系与校验值渐近。水位表开始正常显示汽包内水位值。
[0073] 通过对水位测量装置工作时的差压、汽包压力、室温进行测量，三个量输入到全程 水位表中的大规模集成电路CPU计算中心，用全程水位补偿公式进行运算，运算中加入了 水位测量装置特性系数L，完成了试验室到现场额定参数校验数据与运行数值的无缝连接， 排除了附加误差、不确定误差、随机误差，根除了运行数据死角、死区、溢出缺陷，实现了启 炉就准，一次性调整投入、免维护、运行中不再需要调整。
[0074] 水位测量装置产生的水柱差压值，即正压室水面与负压室水面的差压，经差压变 送器转换成与差压成正比例的电流信号，经电流电压转换器转换成正比例的电压信号（对 应AP)，送至CPU;
[0075] 汽包内饱和压力经压力变送器转换成与压力成正比例的电流信号，经电流电压转 换器转换成正比例电压信号（对应Ps)，送至CPU;
[0076] 室温温度经铂电阻温度计转换成电阻信号，经温度变送器把电阻信号转换正成比 例电流信号，经电流电压转换器转换成正比例的电压信号（对应ta)，送至CPU;
[0077] 如图3所示，三个直流电压信号AP、Ps、^同时输入计算机通过水位补偿计算公 式进行实时动态运算得到实时的水位高度。
[0078] 全程水位补偿公式：
[0079] h = [HM( p ta-p ;/ )-L(pta-pr )-(q-HM/2) ( p ta-p r )-AP]/(pr -p;/ )-B mm
[0080] 其中，h为汽包水位高度，HM为全程水位表量程，B为零水位点的设定常数，g卩1/2 水位表量程；AP为差压变送器测量的水位测量装置内正、负压室水面产生的差压值，q为 水位表水位示值修正系数，为0~HM;室温参比水密度pta、饱和水密度P'、饱和汽密度 P"均根据压力变送器测量的饱和压力值Ps和均密度测量器测量的室温温度值ta通过查 询蒸汽参数表得到；其中蒸汽参数表包括《水和水蒸汽性质参数手册》中：饱和水和饱和蒸 汽的热力学基本参数（按压力排列）、水和过热蒸汽的热力学基本参数。因此，通过饱和压 力值Ps及其对应的饱和温度％实施补偿进行查表得到Pta、p'和P"，代入全程水位补 偿公式，实现了压力和温度的补偿。
[0081] L=(2pta_p，-p" -p2crc)/2(pta_p，)XHm
[0082] 式中，L为水位测量装置动态特征系数，P2(rc为试验室校验差压变送器时水柱 20°C水的密度，Pta为均密度测量器测量的室温温度值对应的室温参比水密度kg/m3。
[0083] 另外，h和L两公式中，Pta可以采用室温水密度公式，根除了表格数据的梯度误 差，提高了数据无缝连接的室温水密度精度达到±〇.2kg/m3;室温水密度公式如下：
[0084] pta= 1001. 13+0. 44 (P+0. 1)-0. 0171Xta17kg/m3
[0085] 适用范围：①饱和压力范围：0MPa〈Ps〈21. 9MPa;
[0086] ②室温温度范围：20°C<ta〈90°C;
[0087]③Pta公式计算精度：±0. 2kg/m3。
[0088] 经全程水位表计算机芯片CPU计算后，通过全程水位表实时输出7个动态量，其 中：
[0089]1)显示5个量：hmm汽包内水位值。APmmH20水位测量装置内差压值。
[0090] PsMPa汽包内饱和压力值。ts°C汽包内饱和温度值。
[0091] ta°C室温温度值。
[0092] 2)汽包水位值：hmm光柱显示汽包内水位值。
[0093] 3)输出与汽包水位成正比例的水位电流信号IhmA。
[0094] 全程水位表内置CPU，用于接收差压变送器、压力变送器和温度变送器经电流电压 转换器转换的差压、压力和温度信息，并通过运算处理输出汽包内水位值等，通过屏幕进行 显示。其设有水位表的水位刻度量程值等于满水钢印到水侧管轴心的垂直高度值。
[0095] 以本实施例为例，全程水位表的水位刻度量程值（设计值）HM为±320mm、差压变 送器量程差压值（校验值）APM为640mmH20、水位测量装置可测量程即满水钢印到水侧管 轴心的垂直高度e为640mm，三个量单位不同，但绝对值相等，实现校验数据（HM、APM、e)三 值重合。数据对应关系表：△?、^ 1>、八1)、11、111(运行差压、差压电流、差压电压、水位刻度、 输出水位电流）。
[0096] 大气压条件下，校验数据（Hm、APM、e)三值重合，校验数据值五对应（AP、Iap、Vap、 h、Ih)见下表：
[0097]表一
[0099] 如图2所示，水位测量系统校验方法：
[0100] 在检修、基建中，汽包内压力为大气压力，水位测量装置具备外注水条件，水位测 量系统即可用外加注水的方法，对水位测量系统进行校验。
[0101] 外注水过程：
[0102] 注水设备：注水塑料桶10L(升），玻璃管1根与注水箱等高。四通分别连接注水 门、加水门、放水门、玻璃管。放水塑料桶10L(升）。
[0103] 1、注水过程操作步骤
[0104] 1)关闭水侧门，打开汽侧门。
[0105] 2)打开校验门，关闭放水门。
[0106] 3)打开加水门，向水位测量装置内注水。
[0107] 4)当玻璃管内水面上升达到正压室外满水钢印处时，正压室、负压室水面也达到 满水钢印处，表示此时压差为零；差压变送器将测量的压差送至CPU，全程水位表，如果显 示满水（无差压），则水位上升校验成功；否则，通过正、负压侧集气器排气门排气，如仍不 成功，则进行差压变送器校验，检查电气零位输出差压电流IAP _^为初始值4mA为止；返回 步骤4 ;
[0108] 5)关闭加水门，打开放水门，玻璃管内水位下降到零水位钢印处时，表示此时压差 为最大差压值的1/2 (负压室内水面位于正压室内水面与水侧管中心线之间压差的1/2,也 即量程差压值的1/2);差压变送器将测量的压差送至CPU，全程水位表如果显示1/2的水位 量程刻度值即零水位值，则水位下降第一阶段校验成功；否则 ，（如果以前步骤未进行正、 负压侧集气器排气）通过正、负集气器排气，如仍不成功，则进行差压变送器校验，检查电 气零位，输出差压电流IAPmAS初始值4mA为止；然后返回步骤5);
[0109] 6)保持打开放水门使玻璃管内水位下降到水侧管中心线处，此时负压室内水面也 在水侧管中心线处；差压变送器输出20mA将测量的量程最大压差送至CPU，如果显示负水 位量程刻度值，则水位下降第二阶段校验成功；否则，（如果以前步骤未进行正、负压侧集 气器排气）则通过正、负压侧集气器排气，如仍不成功，则进行差压变送器校验，检查电气 零位，输出差压电流IAP _^为初始值4mA为止；然后返回步骤6)。
[0110] 7)水位上升校验、水位下降第一阶段校验和水位下降第二阶段校验全部成功，水 位测量系统的校验结束。
[0111] 应该注意：正压室注满水后，正、负压室水面均到满水钢印处，此时关闭注水门，需 检查主设备水侧门是否内漏，观察负压室水面20分钟，如水位不下降，则水位测量系统校 验工作可以开始。如玻璃管内水面下降，而正、负压传压管系无泄漏，则应怀疑水侧门内漏。 当水侧门维修处理后，方可进行水位测量系统校验。
【主权项】
1. 一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于：包括水位测量装置（I)、恒温器、 均密度测量器（4)、压力取样门（8)、压力变送器（9)、温度变送器（10)、差压变送器（11)和 全程水位表（12);所述水位测量装置（1)与锅炉汽包的汽侧门和水侧门连接，通过恒温器 与差压变送器（11)连接，还通过压力取样门（8)与压力变送器（9)连接；所述恒温器连有 均密度测量器（4)，均密度测量器（4)与温度变送器（10)连接；所述压力变送器（9)、温度 变送器（10)、差压变送器（11)均与全程水位表（12)连接。2. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述水位 测量装置为同心圆联体结构，密封的圆柱体容器底部设有与其同轴心的圆管，圆管底端探 出圆柱体容器，顶端位于圆柱体容器内部；圆管内部构成负压室；圆柱体容器内径与圆管 外径构成正压室；所述圆柱体容器上部设有入汽口，通过汽侧管与锅炉汽包的汽侧门连接； 圆管的下部设有入水口，通过水平设置的水侧管与锅炉汽包的水侧门连接；圆柱体容器下 部和圆管的下部分别设有正压取样口、负压取样口，与恒温器连接。3. 根据权利要求2所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述圆管的 内径为水侧管内径的2倍。4. 根据权利要求2所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述圆管顶 端到水侧管轴心的垂直高度与全程水位表量程相等。5. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述恒温器 包括正压恒温器（2)和负压恒温器（3)，均为密闭容器，上部设有入口，底部设有出口；正压 恒温器（2)入口与圆柱体容器正压取样口连接，出口通过均密度测量器与差压变送器（11) 连接；负压恒温器（3)入口与圆管的负压取样口连接，出口与差压变送器（11)连接。6. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述均密度 测量器包括四个铂电阻，由上向下均匀固定于正压恒温器（2)与差压变送器（11)连接的钢 管上且位于正压恒温器（2)出口处的垂直部分；两只奇数顺序的铂电阻串联，与另外两只 偶数顺序串联的铂电阻构成并联电路后，与温度变送器（10)连接。7. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述差压 变送器（11)的正、负压输入端分别通过正压门、负压门连有正压集气器（5)和负压集气器 (6);所述正压集气器（5)和负压集气器（6)均为密闭容器，上部设有出口，底部设有入口； 所述正压集气器（5)和负压集气器（6)的入口分别与正压恒温器（2)、负压恒温器（3)连 接，并分别与正压门、负压门连接，还分别与正压排污门和负压排污门连接；所述正压集气 器（5)和负压集气器（6)的出口分别连有排气门。8. -种用于锅炉汽包的水位测量方法，其特征在于包括以下步骤：： 水位测量装置产生的水柱差压，经差压变送器（11)转换成差压值AP送至全程水位 表； 汽包内的饱和压力经压力变送器（9)转换成压力值Ps送至全程水位表； 室温温度经均密度测量器（4)转换成温度值ta送至全程水位表； 全程水位表内的CPU根据水位补偿计算公式得到实时的水位高度。9. 根据权利要求8所述的一种用于锅炉汽包的水位测量方法，其特征在于所述水位补 偿计算公式如下： h= [Hm (Pta-P" )-(q_HM/2)(Pta-P' )-AP]/(p' -p")-B 其中，h为水位高度，Hm为全程水位表量程，B为设定常数，AP为差压变送器测量的 水位测量装置内正、负压室水面之间的差压值，q表示水位表水位示值修正系数，为设定 值；饱和水密度P'、饱和汽密度P"均根据压力变送器（9)测量的压力值Ps和均密 度测量器（5)测得的温度值ta通过查询饱和蒸汽参数表得到；室温参比水密度Pta = 1001. 13+0. 44(P+0. 1)-0. 0171XtaL7； L= -p" -p2crc) /2 (P ta- P'）XHm 式中，L为水位测量装置动态特征系数，p2trc为试验室校验水柱20°C时水的密度，Pta 为均密度测量器测量的温度值对应的水密度。10. -种用于锅炉汽包的水位测量系统的校验方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 在水位测量装置⑴与水侧门之间设置的校验门（7)下，通过四通分别连接加水门、 玻璃管和放水门； 2) 将一注水箱置于水位测量装置上面，用水管连通注水箱和加水门； 3) 将玻璃管竖直放置且顶端与注水箱等高，底端低于水位测量装置底部； 4) 关闭水侧门，打开汽侧门，汽包里的气体进入水位测量装置，此时汽包与水位测量装 置同处于大气压力条件下； 5) 打开校验门并关闭放水门；打开加水门，根据连通器原理注水箱内的水经水管向水 位测量装置内自动注水； 6) 当玻璃管内水面达到正压室外满水钢印处时，负压室和正压室水面也达到满水钢印 处即正压室内圆管顶端高度，此时水位测量装置内正压室水面与负压室水面的压差为零； 全程水位表（12)将差压变送器测量的压差进行显示；如果显示最高水位值，则水位上升校 验成功； 7) 关闭加水门，打开放水门，玻璃管内水位下降到零水位钢印处即汽包内的零水位高 度时，表示此时正压室水面与负压室水面间的压差为1/2的最大差压值；全程水位表（12) 将差压变送器测量的压差进行显示，如果全程水位表（12)显示水位值是量程的1/2刻度 值，则水位下降第一阶段校验成功； 8) 保持打开放水门使玻璃管内水位下降到水侧管中心线处，此时负压室内水面也在水 侧管中心线处；差压变送器将测量的压差送至全程水位表（12)，如果全程水位表（12)显示 负水位量程刻度值，则水位下降第二阶段校验成功； 9) 水位上升校验、水位下降第一阶段校验和水位下降第二阶段校验全部成功，水位测 量系统的校验结束。
【专利摘要】本发明涉及一种用于锅炉汽包的水位测量系统，包括水位测量装置、恒温器、均密度测量器、压力取样门、压力变送器、温度变送器、差压变送器和全程水位表；水位测量装置与汽包的汽侧门和水侧门连接，经恒温器与差压变送器连接，还通过压力取样门与压力变送器连接；恒温器连有的均密度测量器与温度变送器连接；压力变送器、温度变送器、差压变送器均与全程水位表连接。水位测量方法通过测量差压、饱和压力和室温温度得到实时水位高度。校验方法通过校验门和注水箱进行系统校验。本发明汽侧管门产生的凝结水也流入水位测量装置，与装置内的凝结水共同流回汽包；热量损失少，提高装置下部水温，提高测量精度。本发明装置体积小重量轻，回收了热量。
【IPC分类】G01F23/14
【公开号】CN104897235
【申请号】CN201510346791
【发明人】郭春堂, 郭洪涛
【申请人】郭春堂, 郭洪涛
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锅炉汽包水位测量领域，具体地说是一种能够实时动态精确地测量汽 包内水位的水位测量系统及其测量方法、水位测量系统的校验方法。
【背景技术】
[0002] 汽包水位测量技术，涉及热力学、传热学、流体力学、材料力学、热工测量技术，测 量误差理论等多学科，是多函数、多自变量、动态、实时、瞬变的物理量的综合测量过程。在 测量过程中参杂了许多不确定的附加误差、随机误差难于分离。
[0003] 历年来，汽包水位测量值，没有"标准计量传递"，汽包水位表没有精度规定值。由 于工业生产的需要，各种新型测量原理的水位表不断出现，终因高温、高压、热力学参数工 况条件恶劣，外界影响因素较多，水位示值误差不确定、易坏易漏、没有连续量、易故障、易 停用、维护量大、寿命短、易辐射、成本高等原因没能得到推广。
[0004] 过去水位测量多采用汽包外置式热套水位平衡容器或简单的单室水位平衡容器。 当水位表水位示值不准时，即用差压变送器零位线性调整装置进行调整，调整后改变了差 压变送器校验值，工作差压量程出现死区、量程电量出现溢出，检修校验中，差压变送器调 前、调后读数不符，不但改变了水位与差压的热力学关系特性，同时校验记录失效。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提供一种能适应高压炉、超高压炉汽包水位表启炉就准、免维护、不 用调整，水位表运行值与水位表校验值相符，并在滑参数运行、安全门动作过程中，能正常 显示汽包内水位值的水位测量系统及其测量和校验方法。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于锅炉汽包的水位测量系 统，包括水位测量装置、恒温器、均密度测量器、压力取样门、压力变送器、温度变送器、差压 变送器和全程水位表；所述水位测量装置与锅炉汽包的汽侧门和水侧门连接，通过恒温器 与差压变送器连接，还通过压力取样门与压力变送器连接；所述恒温器连有均密度测量器， 均密度测量器与温度变送器连接；所述压力变送器、温度变送器、差压变送器均与全程水位 表连接。
[0007] 所述水位测量装置为同心圆联体结构，密封的圆柱体容器底部设有与其同轴心的 圆管，圆管底端探出圆柱体容器，顶端位于圆柱体容器内部；圆管内部构成负压室；圆柱体 容器内径与圆管外径构成正压室；所述圆柱体容器上部设有入汽口，通过汽侧管与锅炉汽 包的汽侧门连接；圆管的下部设有入水口，通过水平设置的水侧管与锅炉汽包的水侧门连 接；圆柱体容器下部和圆管的下部分别设有正压取样口、负压取样口，与恒温器连接。
[0008] 所述圆管的内径为水侧管内径的2倍。
[0009] 所述圆管顶端到水侧管轴心的垂直高度与全程水位表量程相等。
[0010] 所述恒温器包括正压恒温器和负压恒温器，均为密闭容器，上部设有入口，底部设 有出口；正压恒温器入口与圆柱体容器正压取样口连接，出口通过均密度测量器与差压变 送器连接；负压恒温器入口与圆管的负压取样口连接，出口与差压变送器连接。
[0011] 所述均密度测量器包括四个铂电阻，由上向下均匀固定于正压恒温器与差压变送 器连接的钢管上且位于正压恒温器出口处的垂直部分；两只奇数顺序的铂电阻串联，与另 外两只偶数顺序串联的铂电阻构成并联电路后，与温度变送器连接。
[0012] 所述差压变送器的正、负压输入端分别通过正压门、负压门连有正压集气器和负 压集气器；所述正压集气器和负压集气器均为密闭容器，上部设有出口，底部设有入口；所 述正压集气器和负压集气器的入口分别与正压恒温器、负压恒温器连接，并分别与正压门、 负压门连接，还分别与正压排污门和负压排污门连接；所述正压集气器和负压集气器的出 口分别连有排气门。
[0013] 一种用于锅炉汽包的水位测量方法，包括以下步骤：：
[0014] 水位测量装置产生的水柱差压，经差压变送器转换成差压值AP送至全程水位 表；
[0015] 汽包内的饱和压力经压力变送器转换成压力值Ps送至全程水位表；
[0016] 室温温度经均密度测量器转换成温度值ta送至全程水位表；
[0017] 全程水位表内的CPU根据水位补偿计算公式得到实时的水位高度。
[0018] 所述水位补偿计算公式如下：
[0019] h= [Hm(pta_p" )_L(Pta-P' ）_(q-HM/2)(pta_p' ）_AP]/(p'-p")-B
[0020] 其中，h为水位高度，HM为全程水位表量程，B为设定常数，AP为差压变送器测 量的水位测量装置内正、负压室水面之间的差压值，q表示水位表水位示值修正系数，为 设定值；饱和水密度P'、饱和汽密度P"均根据压力变送器（9)测量的压力值Ps和均 密度测量器（5)测得的温度值ta通过查询饱和蒸汽参数表得到；室温参比水密度Pta= 1001. 13+0. 44(P+0.l)-0. 0171XtaL7；
[0021] L= (2pta_p' -p" -p20-c )/2 (pta_p'）XHm
[0022] 式中，L为水位测量装置动态特征系数，P2(rc为试验室校验水柱20°C时水的密度， Pta为均密度测量器测量的温度值对应的水密度。
[0023] 一种用于锅炉汽包的水位测量系统的校验方法，包括以下步骤：
[0024]1)在水位测量装置与水侧门之间设置的校验门下，通过四通分别连接加水门、玻 璃管和放水门；
[0025] 2)将一注水箱置于水位测量装置上面，用水管连通注水箱和加水门；
[0026] 3)将玻璃管竖直放置且顶端与注水箱等高，底端低于水位测量装置底部；
[0027] 4)关闭水侧门，打开汽侧门，汽包里的气体进入水位测量装置，此时汽包与水位测 量装置同处于大气压力条件下；
[0028] 5)打开校验门并关闭放水门；打开加水门，根据连通器原理注水箱内的水经水管 向水位测量装置内自动注水；
[0029] 6)当玻璃管内水面达到正压室外满水钢印处时，负压室和正压室水面也达到满水 钢印处即正压室内圆管顶端高度，此时水位测量装置内正压室水面与负压室水面的压差为 零；全程水位表将差压变送器测量的压差进行显示；如果显示最高水位值，则水位上升校 验成功；
[0030] 7)关闭加水门，打开放水门，玻璃管内水位下降到零水位钢印处即汽包内的零水 位高度时，表示此时正压室水面与负压室水面间的压差为1/2的最大差压值；全程水位表 将差压变送器测量的压差进行显示，如果全程水位表显示水位值是量程的1/2刻度值，则 水位下降第一阶段校验成功；
[0031] 8)保持打开放水门使玻璃管内水位下降到水侧管中心线处，此时负压室内水面也 在水侧管中心线处；差压变送器将测量的压差送至全程水位表，如果全程水位表显示负水 位量程刻度值，则水位下降第二阶段校验成功；
[0032] 9)水位上升校验、水位下降第一阶段校验和水位下降第二阶段校验全部成功，水 位测量系统的校验结束。
[0033] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0034] 1.本发明设备结构简单，因是汽包外置式，可视、可测，检查方便；通过检查恒温 器的温度是否超过室温，可快速判断故障：恒温器温度超过室温，则可立刻判断为水位测量 系统的传压管系泄露，便可及时处理。
[0035] 2.本发明的水位测量装置内部的同心圆联体结构没有焊口，根除了内漏故障，与 锅炉同寿命，并能实现无故障运行。
[0036] 3.在本发明中汽侧管向正压室方向倾斜，汽侧管、门产生的凝结水流入水位测量 装置，与装置内的凝结水集流共同由水侧管流回汽包；热量损失少，提高了装置下部水温， 提高了水位测量精度。本发明装置体积小，重量轻，回收了热量。
[0037] 4.本发明所用圆管的内径为水侧管内径的2倍，使测量水位波动值<±5mm。
[003 8] 5.水位测量系统工作准确、稳定、可靠、重复性好，设备互换性强，实现装置数据标 准化。
[0039] 6.汽包外置式，结构同心圆联体设计、水侧管加装校验门，实现了水位测量系统水 位示值可全刻度水柱精度校验。并且在停炉大修、基建中等条件下均可以对水位测量系统 进行系统校验。
[0040] 7.采用本水位测量系统，每台锅炉汽包的多只水位表水位示值差小于30mm。
[0041] 8.本发明的测量水位方法能够实现水位表启炉就准、免维护、不用调整。
[0042] 9.汽包外置式、内自加热的全程水位测量装置引入的特征系数L产生了压力全 程、水位刻度全程的量程差压的蝴蝶效应，即汽包满水差压与零水位差压之差近乎等于无 水差压与零水位差压之差，并且零水位差压近乎常数，几乎与汽包压力无关，这一效果使运 行非常稳定，维护工作非常方便。
[0043] 10.汽包水位表、差压变送器、压力变送器、温度变送器校验数据调前调后一致，设 备校验数据实现了标准化，可传递。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的水位测量系统结构示意图；
[0045] 其中，1水位测量装置，2正压恒温器，3负压恒温器，4均密度测量器，5正压集气 器，6负压集气器，7校验门，8压力取样门，9压力变送器，10温度变送器，11差压变送器，12 全程水位表，13温度报警器；
[0046] 图2为水位测量系统的校验方法示意图；
[0047] 图3为全程水位表内CPU的信号传输不意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0049] 本发明在220t/h高压炉、670t/h超高压炉上现场试验试用了这一汽包水位测量 系统。工作环境温度5-90度。水位测量系统包括水位测量装置1、恒温器、均密度测量器4、 压力取样门8、压力变送器9、温度变送器10、差压变送器11和全程水位表12 ;所述水位测 量装置1与锅炉汽包的汽侧门和水侧门连接，通过恒温器与差压变送器11连接，还通过压 力取样门8与压力变送器9连接；所述恒温器连有均密度测量器4,与温度变送器10连接； 所述压力变送器9、温度变送器10、差压变送器11均与全程水位表12连接。如图1所示。
[0050] 1、水位测量装置为同心圆连体结构，密闭的中空圆柱体容器底部设有与其同轴心 的圆管；圆管内部构成负压室，顶端开口位于圆柱体容器内部，底端探出圆柱体容器；圆柱 体容器内壁与圆管外壁构成正压（参比水）室。圆管部分插入到圆柱体容器内，与圆柱体 容器的连接处在圆柱体容器外部进行焊接，保证正压室内部无焊口。
[0051] 水位测量装置有两个入口、两个出口； 一个入口是圆柱体容器上部设有的入汽口， 通过汽侧管与锅炉汽包的汽侧门连接，汽侧管向正压室倾斜，便于管内的凝结水流向正压 室；另一个入口是圆管下部的入水口，通过水侧管与锅炉汽包的水侧门连接；汽侧门和水 侧门打开时水位测量装置与汽包构成了汽水连通器，能正常的反应汽包内的汽水分界面位 置。
[0052] 圆柱体容器外部刻有满水钢印，钢印与正压室内的圆管顶端同高。正常工作时表 示正压室内圆管外围充满水且负压室内水面低于正压室内水面运行。圆管外部刻有零水位 钢印，零水位钢印与汽包内零水位同高。
[0053] 圆柱体容器下部设有出口，通过S型管与正压恒温器连接。S型管的出口延伸与 S型管的下部拐弯处构成了水平倾斜钢管，向正压恒温器入口倾斜，倾斜度为1:100 ;水平 倾斜管长度约400mm，正压恒温器入口管中心线在圆管外的零水位钢印上方40mm处。采用 S正压管缩小了正压室的高度，正压室内参比水密度热动态迟延减小，提高了正压参比水密 度的变化灵敏度，使得所测得的差压值更加准确。
[0054] 圆管的下部也设有出水口作为负压取样口，通过水平放置的钢管与负压恒温器连 接。该钢管的轴心与水侧管轴心等高。
[0055] 正压室参比水散热面积比加热面积大2. 5倍，可得到稳定的单相液态参比水质， 即正压室参比水不会发生沸腾现象。
z表示假设无圆管时正压室内水的容积，
^表示正压室内圆管所占容积，D和d分别表示正压室内径和负压室外径，L'为正 压室内水柱的高度。
[0056] 正压室回收凝结水连续流入负压室，提高了负压室下部参比水温度。与热套式水 位平衡容器比较缩小了水位测量装置尺寸、重量，减小了金属热容量，改善了热动态迟延特 性，提高了水位测量灵敏度，同时负压室内径得到了扩大，减少了水位波动。取消了热套式 平衡容器加热用下降门和l〇m下降管，根除了下降门开度不同引起汽包水位示值不同的操 作误差。
[0057] 另外，负压室流通截面积与水侧管流通截面积之比等于4,有效抑制了4周/秒的 汽包内水位等幅振荡波，起到了阻尼滤波作用。
[0058] 负压室通径D=clHOmm;水侧管通径d=0 20mm;
[0059]截面比K=itD2/4+itd2/4=D2+d2=①402+①202= 1600+400=4。
[0060] 2、恒温器有两个，均为封闭的中空圆柱体密闭容器，上部设有入口，底部设有出 口；正压恒温器入口通过S正压参比管（S形管）与圆柱体容器正压取样口连接：S正压参 比管出口延伸形成水平倾斜的管，S正压参比管入口与圆柱体容器正压取样口连接，水平倾 斜管的出口与正压恒温器入口连接；正压恒温器出口通过传压管与正压集气器和正压排污 门连接；负压恒温器入口与圆管的负压取样口连接，出口通过另一传压管与负压集气器、负 压排污门连接。
[0061] 3、温度报警器为两只，分别设于恒温器顶部，用于当恒温器内参比水的温度达到 温度高报警的设定值（如80度）时，输出接点信号用于光声报警。
[0062] 4、均密度测量器：正压恒温器出口处所连接的传压管上用喉箍从上至下均匀固定 有四只铂电阻（温度传感器），该传压管在正压恒温器出口的一段为竖直设置。奇数顺序 的两个串联、偶数顺序的两个串联后再并联，铂电阻的串联方向与传压管的竖向平行。当正 压恒温器出口处的管路内上部和下部的水温度不同时，这样均匀分布的铂电阻可以采集不 同位置的水温，并联后所得的阻值所对应的温度值为平均温度值，输入到全程水位表内的 CPU，用于实时计算水位。
[0063] 5、集气器：差压变送器的正、负压侧传压管线最高点加装集气器，实现自动收集空 气。集气器有两个，均为中空密闭容器，上部设有出口，底部设有入口；正压集气器和负压 集气器的入口分别与正压恒温器、负压恒温器连接，并分别通过正压门、负压门与差压变压 器连接；差压变送器的正、负压侧之间连有平衡门；正压集气器和负压集气器的出口分别 连有正压排气门、负压排气门（用于差压变送器在投入前排除管线内空气或维护时排除空 气）。
[0064] 当锅炉上水点火、汽包压力到0. 5Mpa时，系统内的气体通过集气器收集排净，通 过排污门排掉管路内污物，排气、排污后，维护工作结束，可以投入水位表测量水位。
[0065] 6、水位测量装置中圆管的入水口通过水侧管与锅炉汽包的水侧门连接；可以通过 四通连接另外两通接口分别连接压力取样门和校验门。压力取样门和校验门均为截阀。压 力取样门与压力变送器连接，用于直接测量汽包内饱和压力，根除了压力传压管因标高差 引入的水位测量误差；校验门用于停炉检修时或基建中进行水位测量系统校验。
[0066] 7、水位测量系统校验器：在校验门处连接有四通，另外三通接口分别连有加水门、 放水门和玻璃管；玻璃管竖直设置，与注水箱等高。用于进行汽包水位测量系统校验。
[0067] -种用于锅炉汽包的水位测量系统的水位测量方法，具体如下：
[0068] 水位测量系统工作原理如下：
[0069] 水位测量装置与汽包连接成汽、水联通器，把汽包内水面等标高反映到水位测量 装置的负压室内，并与上方正压室固定水面进行水面差压力比较，形成的正压 室水面与负 压室水面之间的压力差（水柱压力），就从汽包高静压力Fs= 15. 3MPa= 1530000mmH20数 值中被分离出来，并送到差压变送器转换成与水柱微压力成正比例的电流信号，即完成了 对汽包（厚100mm钢板）内水位、差压、电量测量转换工作。
[0070] 汽包内工作压力达15. 3MPa时，饱和水、饱和汽、汽包内汽侧金属表面温度均是 344°C，饱和水密度为596kg/m3,但差压变送器校验值中P ' 2(C= 1000kg//m3,是标准室校 验值。饱和汽密度为l〇lkg//m3,但差压变送器校验值中P" 2(c=0kg//m3是标准室校验 值。在动态运行中，（P'，P")随汽包工作压力变化，汽包压力上升时，饱和水密度值以 函数曲线下降，饱和汽密度值以函数曲线上升，增加了水位测量中水位与差压关系的复杂 性。所以必须对汽包水位测量进行饱和压力、饱和温度补偿，即通过汽包饱和压力值Ps、汽 包饱和温度ts实施补偿。
[0071] 在流体力学中，水是液态不可压缩流体。但在热力学中，水不但是可压缩流体，最 大体积压缩>_〇. 8 %，受热还会产生非常大的热膨胀，最大体积膨胀值>+4. 1 %，室温参比 水密度的变化，干扰了汽包水位与差压的单值对应关系，需要对室温参比水密度进行压力、 温度补偿。
[0072] 当打开汽、水侧门时，汽包内饱和汽由汽侧门流入水位测量装置开始凝结成饱和 水，正压参比水面自然形成，汽包内饱和水由水侧门流入负压室，负压室水面与汽包内水面 相同，水位与差压的关系开始形成，当水位测量装置各点温度达到稳定工作状态时，水位测 量装置产生的差压与水位的关系与校验值渐近。水位表开始正常显示汽包内水位值。
[0073] 通过对水位测量装置工作时的差压、汽包压力、室温进行测量，三个量输入到全程 水位表中的大规模集成电路CPU计算中心，用全程水位补偿公式进行运算，运算中加入了 水位测量装置特性系数L，完成了试验室到现场额定参数校验数据与运行数值的无缝连接， 排除了附加误差、不确定误差、随机误差，根除了运行数据死角、死区、溢出缺陷，实现了启 炉就准，一次性调整投入、免维护、运行中不再需要调整。
[0074] 水位测量装置产生的水柱差压值，即正压室水面与负压室水面的差压，经差压变 送器转换成与差压成正比例的电流信号，经电流电压转换器转换成正比例的电压信号（对 应AP)，送至CPU;
[0075] 汽包内饱和压力经压力变送器转换成与压力成正比例的电流信号，经电流电压转 换器转换成正比例电压信号（对应Ps)，送至CPU;
[0076] 室温温度经铂电阻温度计转换成电阻信号，经温度变送器把电阻信号转换正成比 例电流信号，经电流电压转换器转换成正比例的电压信号（对应ta)，送至CPU;
[0077] 如图3所示，三个直流电压信号AP、Ps、^同时输入计算机通过水位补偿计算公 式进行实时动态运算得到实时的水位高度。
[0078] 全程水位补偿公式：
[0079] h = [HM( p ta-p ;/ )-L(pta-pr )-(q-HM/2) ( p ta-p r )-AP]/(pr -p;/ )-B mm
[0080] 其中，h为汽包水位高度，HM为全程水位表量程，B为零水位点的设定常数，g卩1/2 水位表量程；AP为差压变送器测量的水位测量装置内正、负压室水面产生的差压值，q为 水位表水位示值修正系数，为0~HM;室温参比水密度pta、饱和水密度P'、饱和汽密度 P"均根据压力变送器测量的饱和压力值Ps和均密度测量器测量的室温温度值ta通过查 询蒸汽参数表得到；其中蒸汽参数表包括《水和水蒸汽性质参数手册》中：饱和水和饱和蒸 汽的热力学基本参数（按压力排列）、水和过热蒸汽的热力学基本参数。因此，通过饱和压 力值Ps及其对应的饱和温度％实施补偿进行查表得到Pta、p'和P"，代入全程水位补 偿公式，实现了压力和温度的补偿。
[0081] L=(2pta_p，-p" -p2crc)/2(pta_p，)XHm
[0082] 式中，L为水位测量装置动态特征系数，P2(rc为试验室校验差压变送器时水柱 20°C水的密度，Pta为均密度测量器测量的室温温度值对应的室温参比水密度kg/m3。
[0083] 另外，h和L两公式中，Pta可以采用室温水密度公式，根除了表格数据的梯度误 差，提高了数据无缝连接的室温水密度精度达到±〇.2kg/m3;室温水密度公式如下：
[0084] pta= 1001. 13+0. 44 (P+0. 1)-0. 0171Xta17kg/m3
[0085] 适用范围：①饱和压力范围：0MPa〈Ps〈21. 9MPa;
[0086] ②室温温度范围：20°C<ta〈90°C;
[0087]③Pta公式计算精度：±0. 2kg/m3。
[0088] 经全程水位表计算机芯片CPU计算后，通过全程水位表实时输出7个动态量，其 中：
[0089]1)显示5个量：hmm汽包内水位值。APmmH20水位测量装置内差压值。
[0090] PsMPa汽包内饱和压力值。ts°C汽包内饱和温度值。
[0091] ta°C室温温度值。
[0092] 2)汽包水位值：hmm光柱显示汽包内水位值。
[0093] 3)输出与汽包水位成正比例的水位电流信号IhmA。
[0094] 全程水位表内置CPU，用于接收差压变送器、压力变送器和温度变送器经电流电压 转换器转换的差压、压力和温度信息，并通过运算处理输出汽包内水位值等，通过屏幕进行 显示。其设有水位表的水位刻度量程值等于满水钢印到水侧管轴心的垂直高度值。
[0095] 以本实施例为例，全程水位表的水位刻度量程值（设计值）HM为±320mm、差压变 送器量程差压值（校验值）APM为640mmH20、水位测量装置可测量程即满水钢印到水侧管 轴心的垂直高度e为640mm，三个量单位不同，但绝对值相等，实现校验数据（HM、APM、e)三 值重合。数据对应关系表：△?、^ 1>、八1)、11、111(运行差压、差压电流、差压电压、水位刻度、 输出水位电流）。
[0096] 大气压条件下，校验数据（Hm、APM、e)三值重合，校验数据值五对应（AP、Iap、Vap、 h、Ih)见下表：
[0097]表一
[0099] 如图2所示，水位测量系统校验方法：
[0100] 在检修、基建中，汽包内压力为大气压力，水位测量装置具备外注水条件，水位测 量系统即可用外加注水的方法，对水位测量系统进行校验。
[0101] 外注水过程：
[0102] 注水设备：注水塑料桶10L(升），玻璃管1根与注水箱等高。四通分别连接注水 门、加水门、放水门、玻璃管。放水塑料桶10L(升）。
[0103] 1、注水过程操作步骤
[0104] 1)关闭水侧门，打开汽侧门。
[0105] 2)打开校验门，关闭放水门。
[0106] 3)打开加水门，向水位测量装置内注水。
[0107] 4)当玻璃管内水面上升达到正压室外满水钢印处时，正压室、负压室水面也达到 满水钢印处，表示此时压差为零；差压变送器将测量的压差送至CPU，全程水位表，如果显 示满水（无差压），则水位上升校验成功；否则，通过正、负压侧集气器排气门排气，如仍不 成功，则进行差压变送器校验，检查电气零位输出差压电流IAP _^为初始值4mA为止；返回 步骤4 ;
[0108] 5)关闭加水门，打开放水门，玻璃管内水位下降到零水位钢印处时，表示此时压差 为最大差压值的1/2 (负压室内水面位于正压室内水面与水侧管中心线之间压差的1/2,也 即量程差压值的1/2);差压变送器将测量的压差送至CPU，全程水位表如果显示1/2的水位 量程刻度值即零水位值，则水位下降第一阶段校验成功；否则 ，（如果以前步骤未进行正、 负压侧集气器排气）通过正、负集气器排气，如仍不成功，则进行差压变送器校验，检查电 气零位，输出差压电流IAPmAS初始值4mA为止；然后返回步骤5);
[0109] 6)保持打开放水门使玻璃管内水位下降到水侧管中心线处，此时负压室内水面也 在水侧管中心线处；差压变送器输出20mA将测量的量程最大压差送至CPU，如果显示负水 位量程刻度值，则水位下降第二阶段校验成功；否则，（如果以前步骤未进行正、负压侧集 气器排气）则通过正、负压侧集气器排气，如仍不成功，则进行差压变送器校验，检查电气 零位，输出差压电流IAP _^为初始值4mA为止；然后返回步骤6)。
[0110] 7)水位上升校验、水位下降第一阶段校验和水位下降第二阶段校验全部成功，水 位测量系统的校验结束。
[0111] 应该注意：正压室注满水后，正、负压室水面均到满水钢印处，此时关闭注水门，需 检查主设备水侧门是否内漏，观察负压室水面20分钟，如水位不下降，则水位测量系统校 验工作可以开始。如玻璃管内水面下降，而正、负压传压管系无泄漏，则应怀疑水侧门内漏。 当水侧门维修处理后，方可进行水位测量系统校验。
【主权项】
1. 一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于：包括水位测量装置（I)、恒温器、 均密度测量器（4)、压力取样门（8)、压力变送器（9)、温度变送器（10)、差压变送器（11)和 全程水位表（12);所述水位测量装置（1)与锅炉汽包的汽侧门和水侧门连接，通过恒温器 与差压变送器（11)连接，还通过压力取样门（8)与压力变送器（9)连接；所述恒温器连有 均密度测量器（4)，均密度测量器（4)与温度变送器（10)连接；所述压力变送器（9)、温度 变送器（10)、差压变送器（11)均与全程水位表（12)连接。2. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述水位 测量装置为同心圆联体结构，密封的圆柱体容器底部设有与其同轴心的圆管，圆管底端探 出圆柱体容器，顶端位于圆柱体容器内部；圆管内部构成负压室；圆柱体容器内径与圆管 外径构成正压室；所述圆柱体容器上部设有入汽口，通过汽侧管与锅炉汽包的汽侧门连接； 圆管的下部设有入水口，通过水平设置的水侧管与锅炉汽包的水侧门连接；圆柱体容器下 部和圆管的下部分别设有正压取样口、负压取样口，与恒温器连接。3. 根据权利要求2所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述圆管的 内径为水侧管内径的2倍。4. 根据权利要求2所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述圆管顶 端到水侧管轴心的垂直高度与全程水位表量程相等。5. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述恒温器 包括正压恒温器（2)和负压恒温器（3)，均为密闭容器，上部设有入口，底部设有出口；正压 恒温器（2)入口与圆柱体容器正压取样口连接，出口通过均密度测量器与差压变送器（11) 连接；负压恒温器（3)入口与圆管的负压取样口连接，出口与差压变送器（11)连接。6. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述均密度 测量器包括四个铂电阻，由上向下均匀固定于正压恒温器（2)与差压变送器（11)连接的钢 管上且位于正压恒温器（2)出口处的垂直部分；两只奇数顺序的铂电阻串联，与另外两只 偶数顺序串联的铂电阻构成并联电路后，与温度变送器（10)连接。7. 根据权利要求1所述的一种用于锅炉汽包的水位测量系统，其特征在于所述差压 变送器（11)的正、负压输入端分别通过正压门、负压门连有正压集气器（5)和负压集气器 (6);所述正压集气器（5)和负压集气器（6)均为密闭容器，上部设有出口，底部设有入口； 所述正压集气器（5)和负压集气器（6)的入口分别与正压恒温器（2)、负压恒温器（3)连 接，并分别与正压门、负压门连接，还分别与正压排污门和负压排污门连接；所述正压集气 器（5)和负压集气器（6)的出口分别连有排气门。8. -种用于锅炉汽包的水位测量方法，其特征在于包括以下步骤：： 水位测量装置产生的水柱差压，经差压变送器（11)转换成差压值AP送至全程水位 表； 汽包内的饱和压力经压力变送器（9)转换成压力值Ps送至全程水位表； 室温温度经均密度测量器（4)转换成温度值ta送至全程水位表； 全程水位表内的CPU根据水位补偿计算公式得到实时的水位高度。9. 根据权利要求8所述的一种用于锅炉汽包的水位测量方法，其特征在于所述水位补 偿计算公式如下： h= [Hm (Pta-P" )-(q_HM/2)(Pta-P' )-AP]/(p' -p")-B 其中，h为水位高度，Hm为全程水位表量程，B为设定常数，AP为差压变送器测量的 水位测量装置内正、负压室水面之间的差压值，q表示水位表水位示值修正系数，为设定 值；饱和水密度P'、饱和汽密度P"均根据压力变送器（9)测量的压力值Ps和均密 度测量器（5)测得的温度值ta通过查询饱和蒸汽参数表得到；室温参比水密度Pta = 1001. 13+0. 44(P+0. 1)-0. 0171XtaL7； L= -p" -p2crc) /2 (P ta- P'）XHm 式中，L为水位测量装置动态特征系数，p2trc为试验室校验水柱20°C时水的密度，Pta 为均密度测量器测量的温度值对应的水密度。10. -种用于锅炉汽包的水位测量系统的校验方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 在水位测量装置⑴与水侧门之间设置的校验门（7)下，通过四通分别连接加水门、 玻璃管和放水门； 2) 将一注水箱置于水位测量装置上面，用水管连通注水箱和加水门； 3) 将玻璃管竖直放置且顶端与注水箱等高，底端低于水位测量装置底部； 4) 关闭水侧门，打开汽侧门，汽包里的气体进入水位测量装置，此时汽包与水位测量装 置同处于大气压力条件下； 5) 打开校验门并关闭放水门；打开加水门，根据连通器原理注水箱内的水经水管向水 位测量装置内自动注水； 6) 当玻璃管内水面达到正压室外满水钢印处时，负压室和正压室水面也达到满水钢印 处即正压室内圆管顶端高度，此时水位测量装置内正压室水面与负压室水面的压差为零； 全程水位表（12)将差压变送器测量的压差进行显示；如果显示最高水位值，则水位上升校 验成功； 7) 关闭加水门，打开放水门，玻璃管内水位下降到零水位钢印处即汽包内的零水位高 度时，表示此时正压室水面与负压室水面间的压差为1/2的最大差压值；全程水位表（12) 将差压变送器测量的压差进行显示，如果全程水位表（12)显示水位值是量程的1/2刻度 值，则水位下降第一阶段校验成功； 8) 保持打开放水门使玻璃管内水位下降到水侧管中心线处，此时负压室内水面也在水 侧管中心线处；差压变送器将测量的压差送至全程水位表（12)，如果全程水位表（12)显示 负水位量程刻度值，则水位下降第二阶段校验成功； 9) 水位上升校验、水位下降第一阶段校验和水位下降第二阶段校验全部成功，水位测 量系统的校验结束。
【专利摘要】本发明涉及一种用于锅炉汽包的水位测量系统，包括水位测量装置、恒温器、均密度测量器、压力取样门、压力变送器、温度变送器、差压变送器和全程水位表；水位测量装置与汽包的汽侧门和水侧门连接，经恒温器与差压变送器连接，还通过压力取样门与压力变送器连接；恒温器连有的均密度测量器与温度变送器连接；压力变送器、温度变送器、差压变送器均与全程水位表连接。水位测量方法通过测量差压、饱和压力和室温温度得到实时水位高度。校验方法通过校验门和注水箱进行系统校验。本发明汽侧管门产生的凝结水也流入水位测量装置，与装置内的凝结水共同流回汽包；热量损失少，提高装置下部水温，提高测量精度。本发明装置体积小重量轻，回收了热量。
【IPC分类】G01F23/14
【公开号】CN104897235
【申请号】CN201510346791
【发明人】郭春堂, 郭洪涛
【申请人】郭春堂, 郭洪涛
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
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