第四節　水?位?測?量

水位測量屬于物位測量的一種。所謂物位測量,就是指容器中固體、液體的表面高度或位置測量。物位測量儀表種類很多,按其工作原理分為差壓式、浮子式、連通管式、電量式、聲波式、光學式等。圖2?66及圖2?67為各種原理的液位及固體料位測量示意圖。

各種物位測量儀表的工作原理為:

① 連通式水位計。它是利用連通管原理制成的直讀式儀表,如玻璃管水位計等。儀表讀數直觀、準確,但不能直接遠傳指示。目前,常采用閉路電視將水位信號傳送到控制室的電視顯示屏上。

② 差壓式水位計。利用水位高度產生的壓力或壓差來實現水位測量。儀表一般由水位?差壓轉換部件和差壓顯示儀表兩部分構成。儀表結構簡單,便于遠傳指示;但由于液體介質溫度、壓力的變化會影響到水位?差壓轉換的單值關系,因此應采取補償措施。

③ 浮子式水位計。利用浮子浮在液體表面上的高度來測量水位。

④ 電量式物位計。將物位信號轉變為電容、電感、電阻等信號來實現物位測量。如電接點水位計,就是利用汽、水介質電阻率明顯不同的性質來實現水位測量的。該儀表便于實現信號的遠傳顯示。

⑤ 聲波式物位計。利用物位界面對聲波或超聲波的反射、遮斷等來實現物位測量。

⑥ 光學式物位計。利用物位對光波的遮斷和反射原理工作。

一、就地式水位計

汽包水位是熱力生產過程中的一個重要參數,汽包水位測量具有很重要的意義。

1.汽包水位的特點

汽包水位具有如下特點:

(1)水位很不平穩。由于各蒸發受熱面受熱工況的波動,使得進入汽包的汽水混合物中的汽水比例不斷變化,同時汽包內部各點壓力也處于不斷波動狀態,因此水面很不平穩。

(2)汽水界面模糊不清。盡管汽包內裝有各種汽水分離裝置,但汽包水中還是有不少氣泡,蒸汽中也含有不少水滴。特別是在汽水界面附近,由于汽水混合物引入時產生的沖擊以及水中氣泡上升積聚到界面破裂時濺起的水滴,使得汽包內實際汽水界面模糊不清。嚴格地說,汽包水位只是沿汽包垂直方向上蒸汽濕度變化率最大部位所對應的高度,如圖2?68所示。

(3)沿汽包軸向及橫向各處水位不一致。由于受鍋爐結構的限制,沿汽包軸向及橫向汽水混合物引入管口分布不均勻,因此使得各處水位也不相同。一般沿汽包軸向中間水位高,兩端較低;沿橫向,在上升管較密的一側,水位較高。

(4)虛假水位。正常情況下,水位的變化反映了給水量與蒸發量的物質平衡情況。例如,當給水量小于蒸發量時,水位下降;給水量大于蒸發量時,水位上升。但是當鍋爐蒸汽負荷突然變化(如增大)時,由于鍋爐熱負荷不能及時跟上,汽包內蒸汽壓力將下降,使飽和水自生沸騰,水中氣泡量驟增,產生短暫的水位涌高現象(形似開啤酒瓶一樣),這種現象與物質平衡原則(即蒸發量大于給水量時水位下降)相違,因此稱這時上升了的水位為虛假水位。當蒸汽負荷突然下降時,也會產生暫降的虛假水位。虛假水位往往引起控制系統的誤動作,甚至引起事故,因此必須認識其規律,并采取相應措施。

此外,由于爐水水質變壞,黏度增加,汽水分離效果變差,泡沫增加,也會引起汽水界面模糊(即所謂汽水共騰現象)。因此,為保證水位正確測量,鍋爐運行中應正確進行排污,保證爐水品質。

2.就地式水位計的原理及基本結構

就地式水位計是一種使用最早和最簡單的水位計,是監視汽包水位最可靠的儀表。常用的有玻璃管式和玻璃板式兩種。根據連通管的原理,玻璃管(或玻璃板)中的水位與汽包中的水位是一致的(假設它們的溫度是相同的),因此從玻璃管水位計便能知道汽包中的水位。就地式水位計的原理及基本結構如圖2?69所示。

根據鍋爐壓力的不同,就地式水位計的顯示窗可以采用平板玻璃(中、低壓鍋爐用)、石英玻璃管(中、高壓鍋爐用)及云母片(高壓及超高壓鍋爐用,如圖2?70所示)制作。

現在有些高壓鍋爐的就地式水位計,采用了具有光學折射原理的牛眼水位計或雙色顯示玻璃水位計。雙色水位計的殼體做成棱鏡形式,水位計背面裝有紅、綠雙色光源,通過照射折射率不同的汽水進行雙色顯示;汽側呈紅色,水側呈綠色,汽水界面顯示清晰。

3.雙色水位計

(1)雙色水位計工作原理。雙色水位計是利用光學系統改進其顯示方式的一種連通器式就地水位計。雙色水位計將云母水位計的汽水兩相無色顯示變成紅綠兩色顯示,即汽柱顯紅色,水柱顯綠色,提高了顯示清晰度,克服了云母水位計觀察困難的缺點。這種水位計可就地監視水位,也可采用彩色工業電視系統遠傳至控制室進行水位監視。

雙色水位計的原理結構如圖2?71所示。光源8發出的光經過紅色和綠色濾光玻璃10、11后,紅光和綠光平行到達組合透鏡12;由于透鏡的聚光和色散作用,形成了紅、綠兩股光束射入測量室5。測量室是由水位計本體鋼座3、云母片15和兩塊光學玻璃板13等構成的。測量室截面成梯形,內部介質為水柱和蒸汽柱[圖2?71(b)、(c)],連通器內水和蒸汽形成兩段棱鏡。在測量室內蒸汽部

分棱鏡效應較弱,使得紅光束正好到達觀察窗口,而綠光因沒發生折射不能射到觀察窗口,因此汽柱呈紅色;當紅、綠光束射入測量室時,綠光折射率較紅光大(光的折射率與介質和光的波長有關)。在有水部分,由于水形成的棱鏡作用,綠光偏轉較大,正好射到觀察窗口17,因此水柱呈綠色;紅光束因出射角度不同未能到達觀察窗口。

測量超高壓及以上壓力的鍋爐汽包水位時,水位計的光學玻璃由長條形板改為多個圓形板,這樣玻璃板小,受力較好;而水位計顯示窗也由長條形(稱為單窗式)變為沿水位高度排列的圓形窗口,稱為多窗式雙色牛眼水位計。該結構的缺點是水位顯示存在盲區,觀察水位變化趨勢方面不如單窗式。

為了減小由于測量室溫度低于被測容器內水溫引起的誤差,雙色水位計還設有加熱室4對測量室進行加熱,使測量室的溫度接近容器內水溫。當測量汽包水位時,加熱室應使測量室水溫接近飽和溫度,并維持測量室中的水有一定的過冷度;否則汽包壓力波動時,水位計內的水可能自生沸騰而影響測量。

(2)雙色水位計的安裝。雙色水位計通過汽、水閥門分別與汽包汽側、水側相連接,形成連通器,如圖2?72所示。

水位計與汽包間連通管的傾斜度應不小于100∶1,汽側取樣管應使取樣孔側高,水側取樣管應使取樣孔側低。汽水側取樣管、取樣閥門和連通管均應良好保溫。由于水位計安裝位置的環境溫度比汽包內飽和溫度低很多,因此,水位計的顯示水位低于汽包實際水位。

4.汽包水位電視監視系統

汽包水位電視監視系統是對各種鍋爐就地直讀式水位計進行安全監視的專用電視設備,它能將汽包水位的清晰圖像直接送入集控室,彌補就地直讀式水位計不能快速遠傳信號的缺點,為鍋爐運行人員準確操作提供可靠依據。

水位電視監視系統攝像探頭前端的鏡頭一般選用電動三可變鏡頭,可遠程控制其焦距、變倍及光圈大小,可根據需要調節監視效果;攝像機選用CCD彩色攝像機,并經高溫固化工藝處理,在耐高溫性能上得到了大大提高;攝像探頭所配用的不銹鋼防護罩,經密封處理,具有較高的防塵、防水性能,可直接用水沖洗,在使用過程中無需維護;云臺一般選用室外全方位電動云臺,可帶動攝像探頭上、下、左、右轉動,實現全方位監測。

汽包水位電視監視系統不同廠家的產品構成形式有所不同,但基本原理是一樣的。如圖2?73所示為YTV系列汽包水位電視監視系統構成。

汽包水位電視監視系統簡單地說,是人類視覺的延伸。鏡頭、攝像機、保護罩等安裝在要觀測的現場區域,通過有線連接,把現場儀表圖像實時傳輸到控制室內的監視器。運行人員通過按鍵,可遠距離對監視現場的攝像機鏡頭進行變倍調焦及光欄大小和觀測方向的控制,從而能全面清晰地掌握鍋爐運行情況,給安全生產提供了可靠的保證。汽包水位監視電視系統原理如圖2?74所示。

二、差壓式水位計

差壓式水位計主要由水位?差壓轉換裝置(又稱平衡容器)、壓力信號導管(又稱平衡容器)和差壓顯示儀表(差壓計)三部分組成,如圖2?75所示。

1.平衡容器的工作原理

差壓式水位計是將水位信號轉換為差壓信號來實現水位測量的。水位?差壓轉換容器是儀表的感受部件。圖2?76是一種簡單的凝汽筒式平衡容器,圖2?77是一種雙室平衡容器。因為汽包內的蒸汽在凝汽筒內不斷地凝結,筒內液面總是保持恒定,所以正壓管內的水柱高度L是恒定的;負壓管的水柱高度則隨汽包水位H而變化,因此平衡容器的輸出差壓為

Δp=p+-p-=Lρ1g-[Hρ'g+(L-H)ρ″g]=Lg(ρ1-ρ″)-Hg(ρ'-ρ″)(2?30)

式中　L——平衡容器的安裝尺寸;

g——重力加速度;

ρ',ρ″——汽包壓力下飽和水與飽和蒸汽的密度;

H——汽包水位。

由上式可見,當平衡容器的結構一定、汽包壓力一定及ρ1一定時,平衡容器的輸出差壓Δp與汽包水位H呈線性關系,水位越高,差壓越小。這就是平衡容器的工作原理。

用上述平衡容器測量水位時主要存在兩個問題:

① 由于平衡容器的向外散熱,凝汽筒內凝結水溫度由上至下逐步降低,且溫度分布不易確定,因此ρ1很難確定。

② 汽包壓力變化時,會引起ρ'、ρ″發生變化,產生誤差。ρ'、ρ″與壓力的關系曲線如圖2?78所示。

這種與壓力變化相聯系的系統誤差,目前常采用兩種措施來減小或消除。一是改進平衡容器的結構,力圖得到僅與水位有關的差壓值;二是對平衡容器的輸出信號引入壓力校正,即采用自動補償運算裝置。

2.平衡容器的改進

圖2?79是一種具有壓力補償作用的平衡容器,它可保證在正常水位H0時,水位指示(即輸出差壓Δp0)基本不隨汽包壓力變化。設汽包額定工作壓力為pN,補償到最低壓力為pD。若要求在汽包壓力pN下降到pD時,相同水位H下對應的差壓輸出不變,即ΔpN=ΔpD,則可以推導出

L=(2?31)

l=H0+(L-H0)(2?32)

式中　Δρ'——Δρ'=ρ'N-ρ'D;

Δρ″——Δρ″=ρ″N-ρ″D;

Δpmax——差壓計量程上限值;

ρ'D,ρ″D——汽包壓力為pD時飽和水、汽的密度;

ρ1——平衡容器正壓室外露管段(L-l)中水的密度,一般按50℃溫度查取。

某電廠的改進型平衡容器如圖2?80、圖2?81所示。

3.差壓式水位測量系統

以電廠鍋爐汽包水位測量為例,其測量裝置主要由連通管、平衡容器、引壓管、1151變送器等組成,如圖2?82所示。在對不同的對象進行測量時,其結構略有不同。

1151差壓式水位測量裝置的安裝涉及取樣管、平衡容器、連通管、截止閥、變送器的選型、材質、安裝尺寸等諸多方面。對于不同的測量對象和要求,安裝方法各不相同?，F僅從正負取壓管和1151變送器的連接方式進行分析。

一般情況下,1151變送器上標有H(高)和L(低)字樣,前者表示高壓側,后者表示低壓側。三閥組與變送器連接后,人面對三閥組,若變送器左側為H(高)、右側為L(低),則稱為正安裝;反之稱為反安裝。

當變送器零差壓校驗輸出信號為4mA時,有以下情況:

① 若變送器和正負取壓管均正安裝或變送器和正負取壓管均反安裝,則水位越高,差壓越小,變送器輸出的電流信號越小,4mA對應滿水位;

② 若變送器和正負取壓管一為正安裝、另一為反安裝,則水位越高,差壓越小,變送器輸出的電流信號越大,20mA對應滿水位。

當變送器零差壓校驗輸出信號為20mA時,以上情況正好相反。

從實際情況看,變送器正反安裝和正負取壓管的正反安裝現象均存在。在具體安裝時,應根據對差壓信號進行處理的裝置不同進行選擇。

使用中為了保護變送器,應按正確的順序開啟和關閉三閥組。變送器啟動時應先打開正壓閥,再關閉平衡閥,最后打開負壓閥。變送器停運時應先關閉負壓閥,再打開平衡閥,最后關閉正壓閥。

4.差壓式水位計的汽包壓力自動補償

由平衡容器的輸出差壓可得

H=(2?33)

根據水蒸氣圖(表)可得如下經驗公式

g(ρ'-ρ″)=k1p+a(2?34)

Lg(ρ1-ρ″)=k2p+b(2?35)

于是H=(2?36)

因此,只要測出汽包壓力和平衡容器的輸出差壓,就可以通過運算得到汽包水位。

水位的壓力校正原理如圖2?83所示。

用智能儀表組成的水位自動校正系統如圖2?84所示。用溫度、壓力和差壓三臺變送器分別將引出管內水溫、汽包壓力和平衡容器的輸出差壓送至智能水位計,在智能水位計內進行補償運算后顯示出汽包水位的數值。

在水位測量中,三臺差壓變送器的輸出經壓力修正后,必須采用三選中的優選邏輯才能作為水位監視、水位調節的信號使用。在水位保護中,為防止誤動作和拒動作,必須采用三取二的邏輯提供保護信息。

三、電接點水位計

電接點水位計是20世紀60年代發展起來的一種水位計。其突出優點是指示值不受汽包壓力變化的影響,在鍋爐啟停過程中能準確地反映水位情況;儀表構造簡單,遲延小,不需要進行誤差計算和調整,應用十分廣泛。

1.工作原理

電接點水位計是利用汽、水介質電阻率相差很大的性質來實現水位測量的,它屬于電阻式水位測量儀表。在360℃以下,純水的電阻率小于106Ω·cm,蒸汽的電阻率大于108Ω·cm。由于爐水含鹽,電阻率較純水低,因此爐水與蒸汽的電阻率相差就更大了。電接點水位計可以用于22MPa壓力以下鍋爐的水位測量。該水位計主要由水位容器、電接點及水位顯示儀表等構成,如圖2?85所示。

可見,電接點水位計能把水位信號轉變為一系列電路開關信號,由燃亮氖燈的數量就可以知道水位的高低。

2.電接點及水位容器

(1)電接點。電接點是儀表的重要部件,其電極芯既要與水位容器金屬壁面可靠地絕緣,又要能耐受汽包的工作壓力及汽水的化學腐蝕,所以其制作及材料要求很高。目前電接點的損壞泄漏仍然是影響水位計長期可靠工作的一個問題。

我國生產的電接點,有以超純氧化鋁瓷管作絕緣子和以聚四氟乙烯作絕緣子的兩大類。前者用于高壓、超高壓鍋爐,后者用于中、低壓鍋爐。

① 超純氧化鋁絕緣電接點。電極芯和瓷封件釬焊在一起,作為一個極;電極螺栓和瓷封件焊在一起,作為另一個極,兩者之間用超純氧化鋁管和芯桿絕緣套隔離開,如圖2?86所示。

瓷封件由可伐合金加工而成,它的線膨脹系數與氧化鋁瓷管很相近,這使兩者相接觸能承受溫度的變化。

② 聚四氟乙烯絕緣電接點。聚四氟乙烯絕緣電接點的結構如圖2?87所示。聚四氟乙烯具有很好的抗腐蝕性能,對于強酸、強堿和強氧化劑,即使在較高溫度下也不發生任何作用。其使用溫度為-180~250℃,適合于水質較差的中壓鍋爐。

(2)水位容器。水位容器通常用直徑為76mm或89mm的20無縫鋼管制造,如圖2?88所示。其內壁應加工得光滑些,以減少湍流。水位容器的水側連通管應加以保溫。為了保證容器有足夠的強度,安裝電接點的開孔位置通常呈120°(或90°)夾角,在筒體上分三列(或四列)排列。一般在正常水位附近,電接點的間距較小,以減小誤差。

3.顯示方式

電接點水位計的顯示方式主要有氖燈顯示、雙色顯示及數字顯示三種。

(1)氖燈顯示。氖燈顯示是最簡單的一種顯示方式,其電源有交流和直流兩種類型。電接點水位計一般采用交流氖燈,這樣可以省去整流電路和避免極化現象。由于氖燈內阻高、功耗小,因此在沒有放大電路的情況下也能可靠地顯示。

圖2?89為氖燈顯示電路。供給氖燈的電源電壓必須高于氖燈的極限起輝電壓。由于氖燈允許通過的電流很小,為了保護氖燈,延長氖燈的使用壽命,故應串聯一電阻R2。此外由于氖燈顯示裝置距離水位容器較遠,其電纜長度達50~80m,因此電纜分布電容不可忽略。在交流供電的情況下,分布電容(圖2?89中虛線所示)將提供一個電流通路,有可能使處于蒸汽中接點對應的氖燈也燃亮。為了防止這種情況,在每一氖燈支路上并聯了一個分流電阻R1。恰當地選擇R1的電阻值,可以保證電接點處于蒸汽中時氖燈不會燃亮。

(2)雙色顯示。二次儀表若采用雙色顯示,即以“汽紅”“水綠”色光在顯示屏上所占的高度來顯示水位高低,則可達到更醒目直觀的效果。

雙色顯示屏的外形如圖2?90(a)所示。其內部結構如圖2?90(b)所示,為一個長方槽形盒子,盒內用很薄的隔光片隔成與電接點數相同的一系列暗室,每個室內水平裝有紅、綠燈(或用普通燈加紅、綠透光片)。暗室上下排列順序與電接點相對應。槽形盒子面板上蓋有截面為半圓形的有機玻璃屏,使燈光分散,以便在顯示屏上得到光色均勻的紅綠光帶。

(3)數字顯示。電接點工作時輸出的開關信號,很便于實現數字顯示。DYS?19型電接點水位計就是常用于汽包水位測量的數字顯示儀表。該儀表的一次水位容器共有19個電接點,二次儀表原理框圖如圖2?91所示。輸入信號經阻抗變換、整形及邏輯環節后譯碼顯示水位數值,并附有模擬電流輸出及報警、保護信號輸出。數字顯示式水位計顯示的水位值為處于水中且離水面最近的電接點的高度。

4.智能電接點水位計

智能電接點水位計是一種智能化、高可靠性的新一代液位監測儀表,在保持傳統電接點水位計所有功能的前提下,進行了重大改進,具有智能化、高度的容錯性、抗干擾能力強、可靠性高、報警點可調、電極測試功能、可精確調整水汽阻臨界值等特點。

智能電接點水位監控系統是一種介質接觸型、多點水位檢測控制器。由于電接點及測量筒具有耐高溫、耐高壓的特性,因此廣泛用于鍋爐汽包、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、蒸發器、直流鍋爐啟動分離器、汽包連排擴容器、水箱等液位的測量和控制,也適用于其他導電液體的測量控制,但不適合易燃、易爆液體及腐蝕性液體的測量。

智能電接點水位計原理框圖如圖2?92所示。儀表的核心是一塊微控制器,在它的控制下,水阻測試電路通過多路電子開關逐個地測試每一個電極與測量筒體之間的阻抗;微控制器得到這些阻值后首先用數字濾波程序濾去干擾,然后由智能水位識別程序識別出當前的水位,最后由面板上的標尺和數碼顯示出來。如果水位超過預先設定的上下限,則產生聲光報警,并觸發相應的報警輸出。

為防止誤報警,并不是水位一超限就馬上產生報警,而是要待這個超限的水位穩定一段時間后再報警,這就是延遲報警。

在智能水位識別程序識別水位的同時,也將一些表現異常的電極識別出來,并使面板標尺上的相應點閃爍以提醒維護人員注意。

使用方法:

① 數碼顯示。正常工作時顯示水位值,在電極測試狀態顯示被測電極與測量筒體之間的電阻值。

② 水位標尺。汽紅水綠,直觀顯示水位。如果某一點閃爍,則表示對應點的電極失效。

③ 狀態指示燈。共有5個指示燈,上下兩端的四個燈分別指示上限、下限、上極限、下極限四種報警狀態,報警時對應燈閃爍紅色;中間一個燈指示排污狀態,在排污狀態時閃爍紅色。

④ 按鍵。智能電接點水位計共有3個按鍵,每個按鍵都是復用的,在不同的場合下有不同的用途,所以實際上有六種鍵,如消音和Δ在同一個按鍵上,如圖2?93所示。

四、雷達式水位計

雷達波是一種特殊形式的電磁波,其頻率為0.3~3000GHz。雷達波的物理特性與電磁波相似,傳播速度相當于光速。電磁波可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源,遇到障礙物易于被反射;被測介質導電性越好或介電常數越大,回波信號的反射效果越好。

雷達式水位計利用了電磁波的特殊性能來進行料位檢測。

雷達式水位計主要由發射和接收裝置、信號處理器、天線、操作面板、顯示、故障報警等部分組成,其外形如圖2?94所示。

雷達式水位計根據脈沖?回波方式工作,發射?反射?接收是它的基本原理,如圖2?95所示。其工作天線向被測對象發射出波長較短的微波脈沖,一部分微波穿過了被測介質,另一部分在被測液面的表面產生反射后,由天線接收,也就是說,天線同時還起著接收器的作用。雷達通過測量發射波與反射波之間的時間間隔t來確定天線與液面之間的距離,天線到液面的距離正比于微波脈沖的運行時間t。因此,通過測量時間間隔t即可得到液位。液位的高度為

h=L-(2?37)

式中　L——安裝高度;

h——液位;

v——雷達波速度;

t——雷達波從發射到接受的間隔時間。

如果希望高精度測量,需要應用頻差原理。于是,復合脈沖雷達技術應運而生。應用這種技術,一段經調制的脈沖被同一天線發射和接收,由被測介質表面返回的脈沖信號不斷地與天線發射的一個固定頻段的脈沖信號做比較,其頻差代表了所測距離,從而測得液位高度。

根據測量原理的不同,雷達式液位計可分為兩類:一類是控制級雷達式液位計,其精度在10mm 左右;另一類是計量級雷達式液位計,它可用于準確測量,精度達1mm。從結構上看,又可分為桿式天線、喇叭天線和纜式天線等幾種。

雷達波的頻率越高,發射角越小,單位面積上能量(磁通量或場強)越大,波的衰減越小,雷達式水位計的測量效果越好。

雷達式水位計屬于非接觸式測量儀表,它可在惡劣條件下連續準確地測量,操作簡單、調試方便,幾乎可以測量所有介質。

使用注意事項如下:

① 當測量液態物料時,傳感器的軸線和介質表面應保持垂直;當測量固態料位時,由于固體介質會有一個堆角,傳感器要傾斜一定的角度。

② 盡量避免在發射角內有造成假反射的裝置。特別要注意在距離天線最近的1/3錐形發射區內不應有障礙裝置,因為障礙裝置越近,虛假反射信號越強。

③ 要避開進料口,以免產生虛假反射。

④ 傳感器不要安裝在拱形罐的中心處(否則傳感器收到的虛假回波會增強),也不能距離罐壁很近,最佳安裝位置在容器半徑的1/2處。

⑤ 要避免安裝在有很強渦流的地方,否則應采用導波管或旁路管測量。

⑥ 若傳感器安裝在接管上,天線必須從接管伸出來。

⑦ 導波管內壁一定要光滑,下面開口的導波管必須達到需要的最低液位。