第四节　水 位 测 量

水位测量属于物位测量的一种。所谓物位测量,就是指容器中固体、液体的表面高度或位置测量。物位测量仪表种类很多,按其工作原理分为差压式、浮子式、连通管式、电量式、声波式、光学式等。图2⁃66及图2⁃67为各种原理的液位及固体料位测量示意图。

各种物位测量仪表的工作原理为:

① 连通式水位计。它是利用连通管原理制成的直读式仪表,如玻璃管水位计等。仪表读数直观、准确,但不能直接远传指示。目前,常采用闭路电视将水位信号传送到控制室的电视显示屏上。

② 差压式水位计。利用水位高度产生的压力或压差来实现水位测量。仪表一般由水位⁃差压转换部件和差压显示仪表两部分构成。仪表结构简单,便于远传指示;但由于液体介质温度、压力的变化会影响到水位⁃差压转换的单值关系,因此应采取补偿措施。

③ 浮子式水位计。利用浮子浮在液体表面上的高度来测量水位。

④ 电量式物位计。将物位信号转变为电容、电感、电阻等信号来实现物位测量。如电接点水位计,就是利用汽、水介质电阻率明显不同的性质来实现水位测量的。该仪表便于实现信号的远传显示。

⑤ 声波式物位计。利用物位界面对声波或超声波的反射、遮断等来实现物位测量。

⑥ 光学式物位计。利用物位对光波的遮断和反射原理工作。

一、就地式水位计

汽包水位是热力生产过程中的一个重要参数,汽包水位测量具有很重要的意义。

1.汽包水位的特点

汽包水位具有如下特点:

(1)水位很不平稳。由于各蒸发受热面受热工况的波动,使得进入汽包的汽水混合物中的汽水比例不断变化,同时汽包内部各点压力也处于不断波动状态,因此水面很不平稳。

(2)汽水界面模糊不清。尽管汽包内装有各种汽水分离装置,但汽包水中还是有不少气泡,蒸汽中也含有不少水滴。特别是在汽水界面附近,由于汽水混合物引入时产生的冲击以及水中气泡上升积聚到界面破裂时溅起的水滴,使得汽包内实际汽水界面模糊不清。严格地说,汽包水位只是沿汽包垂直方向上蒸汽湿度变化率最大部位所对应的高度,如图2⁃68所示。

(3)沿汽包轴向及横向各处水位不一致。由于受锅炉结构的限制,沿汽包轴向及横向汽水混合物引入管口分布不均匀,因此使得各处水位也不相同。一般沿汽包轴向中间水位高,两端较低;沿横向,在上升管较密的一侧,水位较高。

(4)虚假水位。正常情况下,水位的变化反映了给水量与蒸发量的物质平衡情况。例如,当给水量小于蒸发量时,水位下降;给水量大于蒸发量时,水位上升。但是当锅炉蒸汽负荷突然变化(如增大)时,由于锅炉热负荷不能及时跟上,汽包内蒸汽压力将下降,使饱和水自生沸腾,水中气泡量骤增,产生短暂的水位涌高现象(形似开啤酒瓶一样),这种现象与物质平衡原则(即蒸发量大于给水量时水位下降)相违,因此称这时上升了的水位为虚假水位。当蒸汽负荷突然下降时,也会产生暂降的虚假水位。虚假水位往往引起控制系统的误动作,甚至引起事故,因此必须认识其规律,并采取相应措施。

此外,由于炉水水质变坏,黏度增加,汽水分离效果变差,泡沫增加,也会引起汽水界面模糊(即所谓汽水共腾现象)。因此,为保证水位正确测量,锅炉运行中应正确进行排污,保证炉水品质。

2.就地式水位计的原理及基本结构

就地式水位计是一种使用最早和最简单的水位计,是监视汽包水位最可靠的仪表。常用的有玻璃管式和玻璃板式两种。根据连通管的原理,玻璃管(或玻璃板)中的水位与汽包中的水位是一致的(假设它们的温度是相同的),因此从玻璃管水位计便能知道汽包中的水位。就地式水位计的原理及基本结构如图2⁃69所示。

根据锅炉压力的不同,就地式水位计的显示窗可以采用平板玻璃(中、低压锅炉用)、石英玻璃管(中、高压锅炉用)及云母片(高压及超高压锅炉用,如图2⁃70所示)制作。

现在有些高压锅炉的就地式水位计,采用了具有光学折射原理的牛眼水位计或双色显示玻璃水位计。双色水位计的壳体做成棱镜形式,水位计背面装有红、绿双色光源,通过照射折射率不同的汽水进行双色显示;汽侧呈红色,水侧呈绿色,汽水界面显示清晰。

3.双色水位计

(1)双色水位计工作原理。双色水位计是利用光学系统改进其显示方式的一种连通器式就地水位计。双色水位计将云母水位计的汽水两相无色显示变成红绿两色显示,即汽柱显红色,水柱显绿色,提高了显示清晰度,克服了云母水位计观察困难的缺点。这种水位计可就地监视水位,也可采用彩色工业电视系统远传至控制室进行水位监视。

双色水位计的原理结构如图2⁃71所示。光源8发出的光经过红色和绿色滤光玻璃10、11后,红光和绿光平行到达组合透镜12;由于透镜的聚光和色散作用,形成了红、绿两股光束射入测量室5。测量室是由水位计本体钢座3、云母片15和两块光学玻璃板13等构成的。测量室截面成梯形,内部介质为水柱和蒸汽柱[图2⁃71(b)、(c)],连通器内水和蒸汽形成两段棱镜。在测量室内蒸汽部

分棱镜效应较弱,使得红光束正好到达观察窗口,而绿光因没发生折射不能射到观察窗口,因此汽柱呈红色;当红、绿光束射入测量室时,绿光折射率较红光大(光的折射率与介质和光的波长有关)。在有水部分,由于水形成的棱镜作用,绿光偏转较大,正好射到观察窗口17,因此水柱呈绿色;红光束因出射角度不同未能到达观察窗口。

测量超高压及以上压力的锅炉汽包水位时,水位计的光学玻璃由长条形板改为多个圆形板,这样玻璃板小,受力较好;而水位计显示窗也由长条形(称为单窗式)变为沿水位高度排列的圆形窗口,称为多窗式双色牛眼水位计。该结构的缺点是水位显示存在盲区,观察水位变化趋势方面不如单窗式。

为了减小由于测量室温度低于被测容器内水温引起的误差,双色水位计还设有加热室4对测量室进行加热,使测量室的温度接近容器内水温。当测量汽包水位时,加热室应使测量室水温接近饱和温度,并维持测量室中的水有一定的过冷度;否则汽包压力波动时,水位计内的水可能自生沸腾而影响测量。

(2)双色水位计的安装。双色水位计通过汽、水阀门分别与汽包汽侧、水侧相连接,形成连通器,如图2⁃72所示。

水位计与汽包间连通管的倾斜度应不小于100∶1,汽侧取样管应使取样孔侧高,水侧取样管应使取样孔侧低。汽水侧取样管、取样阀门和连通管均应良好保温。由于水位计安装位置的环境温度比汽包内饱和温度低很多,因此,水位计的显示水位低于汽包实际水位。

4.汽包水位电视监视系统

汽包水位电视监视系统是对各种锅炉就地直读式水位计进行安全监视的专用电视设备,它能将汽包水位的清晰图像直接送入集控室,弥补就地直读式水位计不能快速远传信号的缺点,为锅炉运行人员准确操作提供可靠依据。

水位电视监视系统摄像探头前端的镜头一般选用电动三可变镜头,可远程控制其焦距、变倍及光圈大小,可根据需要调节监视效果;摄像机选用CCD彩色摄像机,并经高温固化工艺处理,在耐高温性能上得到了大大提高;摄像探头所配用的不锈钢防护罩,经密封处理,具有较高的防尘、防水性能,可直接用水冲洗,在使用过程中无需维护;云台一般选用室外全方位电动云台,可带动摄像探头上、下、左、右转动,实现全方位监测。

汽包水位电视监视系统不同厂家的产品构成形式有所不同,但基本原理是一样的。如图2⁃73所示为YTV系列汽包水位电视监视系统构成。

汽包水位电视监视系统简单地说,是人类视觉的延伸。镜头、摄像机、保护罩等安装在要观测的现场区域,通过有线连接,把现场仪表图像实时传输到控制室内的监视器。运行人员通过按键,可远距离对监视现场的摄像机镜头进行变倍调焦及光栏大小和观测方向的控制,从而能全面清晰地掌握锅炉运行情况,给安全生产提供了可靠的保证。汽包水位监视电视系统原理如图2⁃74所示。

二、差压式水位计

差压式水位计主要由水位⁃差压转换装置(又称平衡容器)、压力信号导管(又称平衡容器)和差压显示仪表(差压计)三部分组成,如图2⁃75所示。

1.平衡容器的工作原理

差压式水位计是将水位信号转换为差压信号来实现水位测量的。水位⁃差压转换容器是仪表的感受部件。图2⁃76是一种简单的凝汽筒式平衡容器,图2⁃77是一种双室平衡容器。因为汽包内的蒸汽在凝汽筒内不断地凝结,筒内液面总是保持恒定,所以正压管内的水柱高度L是恒定的;负压管的水柱高度则随汽包水位H而变化,因此平衡容器的输出差压为

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

式中　L——平衡容器的安装尺寸;

g——重力加速度;

ρ',ρ″——汽包压力下饱和水与饱和蒸汽的密度;

H——汽包水位。

由上式可见,当平衡容器的结构一定、汽包压力一定及ρ1一定时,平衡容器的输出差压Δp与汽包水位H呈线性关系,水位越高,差压越小。这就是平衡容器的工作原理。

用上述平衡容器测量水位时主要存在两个问题:

① 由于平衡容器的向外散热,凝汽筒内凝结水温度由上至下逐步降低,且温度分布不易确定,因此ρ1很难确定。

② 汽包压力变化时,会引起ρ'、ρ″发生变化,产生误差。ρ'、ρ″与压力的关系曲线如图2⁃78所示。

这种与压力变化相联系的系统误差,目前常采用两种措施来减小或消除。一是改进平衡容器的结构,力图得到仅与水位有关的差压值;二是对平衡容器的输出信号引入压力校正,即采用自动补偿运算装置。

2.平衡容器的改进

图2⁃79是一种具有压力补偿作用的平衡容器,它可保证在正常水位H0时,水位指示(即输出差压Δp0)基本不随汽包压力变化。设汽包额定工作压力为pN,补偿到最低压力为pD。若要求在汽包压力pN下降到pD时,相同水位H下对应的差压输出不变,即ΔpN=ΔpD,则可以推导出

L=(2⁃31)

l=H0+(L-H0)(2⁃32)

式中　Δρ'——Δρ'=ρ'N-ρ'D;

Δρ″——Δρ″=ρ″N-ρ″D;

Δpmax——差压计量程上限值;

ρ'D,ρ″D——汽包压力为pD时饱和水、汽的密度;

ρ1——平衡容器正压室外露管段(L-l)中水的密度,一般按50℃温度查取。

某电厂的改进型平衡容器如图2⁃80、图2⁃81所示。

3.差压式水位测量系统

以电厂锅炉汽包水位测量为例,其测量装置主要由连通管、平衡容器、引压管、1151变送器等组成,如图2⁃82所示。在对不同的对象进行测量时,其结构略有不同。

1151差压式水位测量装置的安装涉及取样管、平衡容器、连通管、截止阀、变送器的选型、材质、安装尺寸等诸多方面。对于不同的测量对象和要求,安装方法各不相同。现仅从正负取压管和1151变送器的连接方式进行分析。

一般情况下,1151变送器上标有H(高)和L(低)字样,前者表示高压侧,后者表示低压侧。三阀组与变送器连接后,人面对三阀组,若变送器左侧为H(高)、右侧为L(低),则称为正安装;反之称为反安装。

当变送器零差压校验输出信号为4mA时,有以下情况:

① 若变送器和正负取压管均正安装或变送器和正负取压管均反安装,则水位越高,差压越小,变送器输出的电流信号越小,4mA对应满水位;

② 若变送器和正负取压管一为正安装、另一为反安装,则水位越高,差压越小,变送器输出的电流信号越大,20mA对应满水位。

当变送器零差压校验输出信号为20mA时,以上情况正好相反。

从实际情况看,变送器正反安装和正负取压管的正反安装现象均存在。在具体安装时,应根据对差压信号进行处理的装置不同进行选择。

使用中为了保护变送器,应按正确的顺序开启和关闭三阀组。变送器启动时应先打开正压阀,再关闭平衡阀,最后打开负压阀。变送器停运时应先关闭负压阀,再打开平衡阀,最后关闭正压阀。

4.差压式水位计的汽包压力自动补偿

由平衡容器的输出差压可得

H=(2⁃33)

根据水蒸气图(表)可得如下经验公式

g(ρ'-ρ″)=k1p+a(2⁃34)

Lg(ρ1-ρ″)=k2p+b(2⁃35)

于是H=(2⁃36)

因此,只要测出汽包压力和平衡容器的输出差压,就可以通过运算得到汽包水位。

水位的压力校正原理如图2⁃83所示。

用智能仪表组成的水位自动校正系统如图2⁃84所示。用温度、压力和差压三台变送器分别将引出管内水温、汽包压力和平衡容器的输出差压送至智能水位计,在智能水位计内进行补偿运算后显示出汽包水位的数值。

在水位测量中,三台差压变送器的输出经压力修正后,必须采用三选中的优选逻辑才能作为水位监视、水位调节的信号使用。在水位保护中,为防止误动作和拒动作,必须采用三取二的逻辑提供保护信息。

三、电接点水位计

电接点水位计是20世纪60年代发展起来的一种水位计。其突出优点是指示值不受汽包压力变化的影响,在锅炉启停过程中能准确地反映水位情况;仪表构造简单,迟延小,不需要进行误差计算和调整,应用十分广泛。

1.工作原理

电接点水位计是利用汽、水介质电阻率相差很大的性质来实现水位测量的,它属于电阻式水位测量仪表。在360℃以下,纯水的电阻率小于106Ω·cm,蒸汽的电阻率大于108Ω·cm。由于炉水含盐,电阻率较纯水低,因此炉水与蒸汽的电阻率相差就更大了。电接点水位计可以用于22MPa压力以下锅炉的水位测量。该水位计主要由水位容器、电接点及水位显示仪表等构成,如图2⁃85所示。

可见,电接点水位计能把水位信号转变为一系列电路开关信号,由燃亮氖灯的数量就可以知道水位的高低。

2.电接点及水位容器

(1)电接点。电接点是仪表的重要部件,其电极芯既要与水位容器金属壁面可靠地绝缘,又要能耐受汽包的工作压力及汽水的化学腐蚀,所以其制作及材料要求很高。目前电接点的损坏泄漏仍然是影响水位计长期可靠工作的一个问题。

我国生产的电接点,有以超纯氧化铝瓷管作绝缘子和以聚四氟乙烯作绝缘子的两大类。前者用于高压、超高压锅炉,后者用于中、低压锅炉。

① 超纯氧化铝绝缘电接点。电极芯和瓷封件钎焊在一起,作为一个极;电极螺栓和瓷封件焊在一起,作为另一个极,两者之间用超纯氧化铝管和芯杆绝缘套隔离开,如图2⁃86所示。

瓷封件由可伐合金加工而成,它的线膨胀系数与氧化铝瓷管很相近,这使两者相接触能承受温度的变化。

② 聚四氟乙烯绝缘电接点。聚四氟乙烯绝缘电接点的结构如图2⁃87所示。聚四氟乙烯具有很好的抗腐蚀性能,对于强酸、强碱和强氧化剂,即使在较高温度下也不发生任何作用。其使用温度为-180~250℃,适合于水质较差的中压锅炉。

(2)水位容器。水位容器通常用直径为76mm或89mm的20无缝钢管制造,如图2⁃88所示。其内壁应加工得光滑些,以减少湍流。水位容器的水侧连通管应加以保温。为了保证容器有足够的强度,安装电接点的开孔位置通常呈120°(或90°)夹角,在筒体上分三列(或四列)排列。一般在正常水位附近,电接点的间距较小,以减小误差。

3.显示方式

电接点水位计的显示方式主要有氖灯显示、双色显示及数字显示三种。

(1)氖灯显示。氖灯显示是最简单的一种显示方式,其电源有交流和直流两种类型。电接点水位计一般采用交流氖灯,这样可以省去整流电路和避免极化现象。由于氖灯内阻高、功耗小,因此在没有放大电路的情况下也能可靠地显示。

图2⁃89为氖灯显示电路。供给氖灯的电源电压必须高于氖灯的极限起辉电压。由于氖灯允许通过的电流很小,为了保护氖灯,延长氖灯的使用寿命,故应串联一电阻R2。此外由于氖灯显示装置距离水位容器较远,其电缆长度达50~80m,因此电缆分布电容不可忽略。在交流供电的情况下,分布电容(图2⁃89中虚线所示)将提供一个电流通路,有可能使处于蒸汽中接点对应的氖灯也燃亮。为了防止这种情况,在每一氖灯支路上并联了一个分流电阻R1。恰当地选择R1的电阻值,可以保证电接点处于蒸汽中时氖灯不会燃亮。

(2)双色显示。二次仪表若采用双色显示,即以“汽红”“水绿”色光在显示屏上所占的高度来显示水位高低,则可达到更醒目直观的效果。

双色显示屏的外形如图2⁃90(a)所示。其内部结构如图2⁃90(b)所示,为一个长方槽形盒子,盒内用很薄的隔光片隔成与电接点数相同的一系列暗室,每个室内水平装有红、绿灯(或用普通灯加红、绿透光片)。暗室上下排列顺序与电接点相对应。槽形盒子面板上盖有截面为半圆形的有机玻璃屏,使灯光分散,以便在显示屏上得到光色均匀的红绿光带。

(3)数字显示。电接点工作时输出的开关信号,很便于实现数字显示。DYS⁃19型电接点水位计就是常用于汽包水位测量的数字显示仪表。该仪表的一次水位容器共有19个电接点,二次仪表原理框图如图2⁃91所示。输入信号经阻抗变换、整形及逻辑环节后译码显示水位数值,并附有模拟电流输出及报警、保护信号输出。数字显示式水位计显示的水位值为处于水中且离水面最近的电接点的高度。

4.智能电接点水位计

智能电接点水位计是一种智能化、高可靠性的新一代液位监测仪表,在保持传统电接点水位计所有功能的前提下,进行了重大改进,具有智能化、高度的容错性、抗干扰能力强、可靠性高、报警点可调、电极测试功能、可精确调整水汽阻临界值等特点。

智能电接点水位监控系统是一种介质接触型、多点水位检测控制器。由于电接点及测量筒具有耐高温、耐高压的特性,因此广泛用于锅炉汽包、高压加热器、低压加热器、除氧器、蒸发器、直流锅炉启动分离器、汽包连排扩容器、水箱等液位的测量和控制,也适用于其他导电液体的测量控制,但不适合易燃、易爆液体及腐蚀性液体的测量。

智能电接点水位计原理框图如图2⁃92所示。仪表的核心是一块微控制器,在它的控制下,水阻测试电路通过多路电子开关逐个地测试每一个电极与测量筒体之间的阻抗;微控制器得到这些阻值后首先用数字滤波程序滤去干扰,然后由智能水位识别程序识别出当前的水位,最后由面板上的标尺和数码显示出来。如果水位超过预先设定的上下限,则产生声光报警,并触发相应的报警输出。

为防止误报警,并不是水位一超限就马上产生报警,而是要待这个超限的水位稳定一段时间后再报警,这就是延迟报警。

在智能水位识别程序识别水位的同时,也将一些表现异常的电极识别出来,并使面板标尺上的相应点闪烁以提醒维护人员注意。

使用方法:

① 数码显示。正常工作时显示水位值,在电极测试状态显示被测电极与测量筒体之间的电阻值。

② 水位标尺。汽红水绿,直观显示水位。如果某一点闪烁,则表示对应点的电极失效。

③ 状态指示灯。共有5个指示灯,上下两端的四个灯分别指示上限、下限、上极限、下极限四种报警状态,报警时对应灯闪烁红色;中间一个灯指示排污状态,在排污状态时闪烁红色。

④ 按键。智能电接点水位计共有3个按键,每个按键都是复用的,在不同的场合下有不同的用途,所以实际上有六种键,如消音和Δ在同一个按键上,如图2⁃93所示。

四、雷达式水位计

雷达波是一种特殊形式的电磁波,其频率为0.3~3000GHz。雷达波的物理特性与电磁波相似,传播速度相当于光速。电磁波可以穿透空间蒸汽、粉尘等干扰源,遇到障碍物易于被反射;被测介质导电性越好或介电常数越大,回波信号的反射效果越好。

雷达式水位计利用了电磁波的特殊性能来进行料位检测。

雷达式水位计主要由发射和接收装置、信号处理器、天线、操作面板、显示、故障报警等部分组成,其外形如图2⁃94所示。

雷达式水位计根据脉冲⁃回波方式工作,发射⁃反射⁃接收是它的基本原理,如图2⁃95所示。其工作天线向被测对象发射出波长较短的微波脉冲,一部分微波穿过了被测介质,另一部分在被测液面的表面产生反射后,由天线接收,也就是说,天线同时还起着接收器的作用。雷达通过测量发射波与反射波之间的时间间隔t来确定天线与液面之间的距离,天线到液面的距离正比于微波脉冲的运行时间t。因此,通过测量时间间隔t即可得到液位。液位的高度为

h=L-(2⁃37)

式中　L——安装高度;

h——液位;

v——雷达波速度;

t——雷达波从发射到接受的间隔时间。

如果希望高精度测量,需要应用频差原理。于是,复合脉冲雷达技术应运而生。应用这种技术,一段经调制的脉冲被同一天线发射和接收,由被测介质表面返回的脉冲信号不断地与天线发射的一个固定频段的脉冲信号做比较,其频差代表了所测距离,从而测得液位高度。

根据测量原理的不同,雷达式液位计可分为两类:一类是控制级雷达式液位计,其精度在10mm 左右;另一类是计量级雷达式液位计,它可用于准确测量,精度达1mm。从结构上看,又可分为杆式天线、喇叭天线和缆式天线等几种。

雷达波的频率越高,发射角越小,单位面积上能量(磁通量或场强)越大,波的衰减越小,雷达式水位计的测量效果越好。

雷达式水位计属于非接触式测量仪表,它可在恶劣条件下连续准确地测量,操作简单、调试方便,几乎可以测量所有介质。

使用注意事项如下:

① 当测量液态物料时,传感器的轴线和介质表面应保持垂直;当测量固态料位时,由于固体介质会有一个堆角,传感器要倾斜一定的角度。

② 尽量避免在发射角内有造成假反射的装置。特别要注意在距离天线最近的1/3锥形发射区内不应有障碍装置,因为障碍装置越近,虚假反射信号越强。

③ 要避开进料口,以免产生虚假反射。

④ 传感器不要安装在拱形罐的中心处(否则传感器收到的虚假回波会增强),也不能距离罐壁很近,最佳安装位置在容器半径的1/2处。

⑤ 要避免安装在有很强涡流的地方,否则应采用导波管或旁路管测量。

⑥ 若传感器安装在接管上,天线必须从接管伸出来。

⑦ 导波管内壁一定要光滑,下面开口的导波管必须达到需要的最低液位。