差压式液位计使用的平衡器结构及原理分析

差压式液位计使用的平衡器结构及原理分析

牛晓蓉 高瞻华 郑海涛

中国石油天然气总公司玉门油田分公司应急与综治中心炼化生产保障部 甘肃玉门 735200

炼化总厂催化、重整等装置都有锅炉汽包设备，锅炉汽包的液位测量就是一个非常重要的参数。锅炉给水的供给及保持汽包中正常水位是保证锅炉安全运行的重要条件，所以对 水位调整要特别重视，不要过高或过低。 如果汽包水位过高，蒸汽空间的有效高度就会减小，汽水分离效果就会降低以致 严重破坏， 从而使饱和蒸汽带水而进入过热器， 使汽温急聚降低， 严重时会把水带入汽轮机， 造成大事故。另一方面由于蒸汽带水会使蒸汽中盐分增加，品质不合格，于是在过热器及汽 轮机的通流部分就会出现积盐现象。 盐分沉积在过热器管内壁上， 会使蒸汽的流动阻力增加， 传热效果降低， 可能导致过热器管过热而损坏， 若盐分沉积在汽轮机的通流部分及叶片和调 整汽门上同，会降低汽轮机的出力和运行的安全、经济性。 如果汽包水位过低，则可能导致小循环破坏。 在正常情况下，炉水进入下降管时，部分静压转变为动压，同时下降管入口又有 局部阻力，所以，当水进入下降管后，压力是要降低的，但在汽包内足够高水位的作用下， 使此处的炉水压力也还比汽包内工作压力高， 但当汽包内水位过低时， 水进入下降管后其压 力便将低于汽包工作压力， 这时引处炉水将立即汽化， 蒸汽又上升返回汽包影响了下降管连 续降水，造成小循环的破坏。这就是所谓的抽空现象。所以，汽包水位过低会破坏小循环以 致造成炉管爆破。这样都会给生产带来安全隐患。

为了得到液位的精确测量，我们会使用差压式液位计，差压式液位计都会用到平衡容器，但有的仪表工对其不太了解，尤其是搞不清楚双室平衡容器的内部结构，而影响了使用。平衡器是从汽包汽侧取样孔引一管至平衡容器，进入平衡容器的饱和蒸汽不断凝结成水，多余的水由于溢流原理自取样管流回汽包，使平衡容器内的水位保持恒定。

因此，差压变送器的正压头由于平衡容器有恒定的水柱而维持不变，负压头则随着汽包水位的变化而变化。为了避免汽包水位变化时，影响平衡容器内水位变化，而影响汽包水位测量的准确性，容器的面积应足够大。

在容器中液体介质的高低叫做液位，测量液位的仪表叫液位计。液位计为物位仪表的一种。

差压式液位计是基于液体静压平衡原理工作的。平衡容器实际上是一个“液位--差压”转换器。其作用是造成一个恒定的液体静压力，使之与被测液位形成的液体静压力相比较，输出二者之差。平衡容器实际上就是个冷凝器，按结构分有单室平衡容器(单层)和双室平衡容器(双层)之分。大型锅炉用的平衡容器结构要复杂些，在此仅介绍工业锅炉常用的FP型平衡容器。

单室平衡容器的结构较简单，如图1所示。测量低压容器的液位时，当容器内外温差大，或气相容易凝结成液体时，如除氧水箱的水位，大多采用单室平衡容器进行测量。测量前应根据所测介质的性质，把平衡容器的堵头拆开，灌入冷水或其他液体。对一些化工生产的有毒有害场合平衡容器内装的是隔离液。 双室平衡容器的结构如下图2所示。测量锅炉汽包水位采用双室平衡容器，平衡容器由内外两层容室构成。平衡器的外层容室与锅炉汽包的蒸汽相连且充了冷凝水；内层容室经平衡器下侧导压管与锅炉汽包的水相连，使用的是连通器原理，所以内层容室水位高度跟随汽包水位而变化。这样结构的双层容器保证了外层容室和内层容室的水温基本相等，因而可以减少由于温度不同所产生的测量误差。双室平衡容器的工作原理包的平衡容器是一种结构巧妙，具有自我补偿能力的汽包水位测量装置。

平衡器的外层容室与锅炉汽包的蒸汽相连，外层容室内充满了冷凝水；当外层容室的水面低于平衡器上端导压管时，靠汽包蒸汽的冷凝水补充，当水面高于平衡器上端导压管时，水经导压管流入锅炉汽包，使外层容室水位高度始终保持不变。内层容室经平衡器下侧导压管与锅炉汽包的水相连，其水位高度随汽包的水位变化而变化。如果蒸汽的压力、温度参数恒定时，差压变送器的输出信号仅与锅炉汽包的水位有关。从平衡容器的工作原理来看，是两根引出的表管之间的压差大小反映了水位的高低。锅炉正常运行时，平衡容器的水温因传热和散热平衡而基本不变，即水的密度基本不变。而在锅炉启停过程中，随着蒸汽压力变化，炉内水温也在不停变化，使得水的密度也处于不停变化之中。正常运行中，蒸汽的密度基本不变，而启停过程中蒸汽的密度也是不断变化的。也就是说，决定水位高度的三个量（水位、炉水密度、蒸汽密度）在正常运行中除汽包水位外其它两个量是基本不变的，而在启停过程中，这三个量全部是变化的。

水的密度近似等于饱和温度下水的密度，所以双室平衡容器内层容器中的水柱高度也就等于汽包中的实际水位高度。由于平衡器外层容室与差压变送器的低压侧连接，内层容室与差压变送器高压侧连接。此时H、L之间产生的差压为：

△P=Lρl-[ρ2H+（L-H）ρQ]

由于ρ1=ρ2

故△P=Lρ1-Hρ1-（L-H）ρQ=（L-H）×（ρl-ρQ）

上式就是“水位--差压”的转换关系算式。也就是说用双室平衡容器测量水位时，其工作原理就是利用液体静压力原理，把汽包水位转换成差压，经差压变送器再将差压转换为电流信号送至显示控制仪表或DCS系统。

上述例子中差压△p都是指水注高度，在实际应用中是要将其换算为Pa的，只要再乘上当地的重力加速度g即可，即△P=g[（L-H）×（ρl-ρQ)]，对于其饱和蒸汽的压力不高时，也可按ρ1=ρQ来处理的，这时差压就是内层容室水位的高度了，即△P=ρ1Hg。

平衡容器的优点：

（1）测量偏差小。

（2）信号稳定，跟踪迅速，能及时反馈汽包实际水位。

（3）寿命长。

汽包的平衡容器的缺点：

（1）由于环境影响较大，参考水柱温度不均匀，无法实时定量标定。

（2）冬季和夏季，白天辐射和周围风向影响较大。

（3）只有当参考水柱温度恒定时，才能达到平衡容器的测量效果。

调试步骤：

1.系统没有工作时(锅炉汽包液位为零):在保障正负压室充满冷凝水的前提下,关闭平衡阀,打开正负相阀,同时打开双室平衡容器的汽液相阀门

2.系统工作时(锅炉汽有液位):在保障正负压室充满冷凝水的前提下,关闭平衡阀,打开正负相阀,同时关闭双室平衡容器的汽液相阀门。

3.测量系统正常工作时,三组阀状况:平衡阀关闭;正负相阀开启.双室平衡容器的汽液相阀门开启。