李艷利 杜華偉 何瑞鳳

作者通聯(lián)：河南豫光金鉛股份有限公司動(dòng)力設(shè)備部 河南濟(jì)源市荊梁南街1號(hào) 454650

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鍋爐汽包液位計(jì)是鍋爐的重要附屬設(shè)備，汽包液位過(guò)高會(huì)直接影響汽水分離效果，容易造成過(guò)熱器和汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢，引起過(guò)熱器爆管，機(jī)組熱效率降低。因鍋爐里的水在高溫時(shí)汽化，水和汽損耗較大，要不斷地補(bǔ)充水，才能使鍋爐的水位保持一定高度，當(dāng)水位高到一定程度，蒸汽就會(huì)帶水，可能引起破壞性事故。水位過(guò)低，鍋爐有爆炸的危險(xiǎn)。汽包液位計(jì)在實(shí)際運(yùn)行中存在諸多因素，屬于儀表中比較難處理的一類(lèi)。

1.雙室平衡容器

（1）簡(jiǎn)介。雙室平衡容器是中、高壓鍋爐常用的差壓式液位計(jì)，一般資料均有簡(jiǎn)要介紹及分析，但由于雙室平衡容器對(duì)應(yīng)用技術(shù)要求相對(duì)較高，很多人仍無(wú)法正常使用雙室平衡容器，甚至將雙室改單室使用，造成資源浪費(fèi)。

目前雙室平衡容器仍以其無(wú)法比擬的準(zhǔn)確性和良好的適應(yīng)性，在中、高壓鍋爐水位控制中，仍作為首選的水位輸入信號(hào)。對(duì)此，在《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》第8.3條中就明確規(guī)定：對(duì)于過(guò)熱器出口壓力為13.5MPa及以上的鍋爐，其汽包水位計(jì)應(yīng)以差壓式(帶壓力修正回路)水位計(jì)為基準(zhǔn)。汽包水位信號(hào)應(yīng)采用三選中值的方式進(jìn)行優(yōu)選。

（2）雙室平衡容器特性。雙室平衡容器是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有一定自我補(bǔ)償能力的汽包水位測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。在基準(zhǔn)杯上方的圓環(huán)形漏斗結(jié)構(gòu)，將整個(gè)雙室平衡容器分隔成上下兩個(gè)部分，故稱(chēng)為雙室平衡容器。

參照?qǐng)D1，在理想狀態(tài)下，來(lái)自汽包的飽和水蒸汽經(jīng)過(guò)凝汽室時(shí)釋放掉汽化潛熱，形成飽和的凝結(jié)水供給基準(zhǔn)杯及后續(xù)環(huán)節(jié)使用?；鶞?zhǔn)杯的作用是收集來(lái)自凝汽室的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水產(chǎn)生的壓力導(dǎo)出容器，傳向差壓測(cè)量?jī)x表（差壓變送器，簡(jiǎn)稱(chēng)變送器）的正壓側(cè)。基準(zhǔn)杯的容積有限，當(dāng)凝結(jié)水充滿后則溢出流向溢流室。由于基準(zhǔn)杯的杯口高度固定，故而稱(chēng)為基準(zhǔn)杯。

圖1

溢流室占據(jù)了容器的大部分空間，主要功能是收集基準(zhǔn)杯溢出的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水排入鍋爐下降管，在流動(dòng)過(guò)程中為整個(gè)容器進(jìn)行加熱和蓄熱，確保與汽包中的溫度達(dá)到一致。正常情況下，由于鍋爐下降管中流體的動(dòng)力作用，溢流室中基本上沒(méi)有積水或只有少量積水。

倒T字形連通器，其水平部分一端接汽包，另一端接入變送器的負(fù)壓側(cè)，作用是將汽包中動(dòng)態(tài)水位產(chǎn)生的壓力，傳遞給變送器的負(fù)壓側(cè)，與正壓側(cè)的（基準(zhǔn)）壓力比較，以得知汽包中的水位。之所以被做成倒T字形，是因?yàn)榭梢员ＷC連通器中的介質(zhì)具有一定的流動(dòng)性，防止其延伸到汽包之間的管線冬季凍結(jié)。連通器內(nèi)部介質(zhì)溫度與汽包中的溫度很可能不一致，致使其中的液位與汽包中不同，但由于流體的自平衡作用，對(duì)汽包水位測(cè)量沒(méi)有任何影響。

（3）雙室平衡容器的補(bǔ)償特性。汽包水位測(cè)量補(bǔ)償方法通常有兩種，一種是壓力補(bǔ)償，另一種是溫度補(bǔ)償。兩種方法但略有區(qū)別，溫度補(bǔ)償可以從0℃開(kāi)始（也可以從100℃開(kāi)始），而壓力補(bǔ)償只能從100℃開(kāi)始。這是因?yàn)闇囟瓤梢砸灰粚?duì)應(yīng)飽和密度以及100℃以下時(shí)的非飽和密度，而壓力卻只能一一對(duì)應(yīng)飽和密度，即最低壓力0時(shí)，只能對(duì)應(yīng)100℃時(shí)的飽和密度，故兩種方法構(gòu)成的補(bǔ)償系統(tǒng)，各自對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償起始點(diǎn)不同，即差壓變送器量程有所不同。

從容器的特性中可以看到，雙室平衡容器不能完全滿足生產(chǎn)的需要，原因是由于介質(zhì)密度的變化所造成的。因此必須采取措施，進(jìn)一步消除密度變化對(duì)汽包水位測(cè)量的影響，這種用來(lái)消除密度變化帶來(lái)影響的措施就叫做補(bǔ)償。

（4）雙室容器保溫問(wèn)題。為了使容器達(dá)到理想工作狀態(tài)，容器的外部必須做適當(dāng)保溫。關(guān)于容器的凝汽室及頂部的保溫問(wèn)題目前有些爭(zhēng)議，部分用戶認(rèn)為這里的保溫可有可無(wú)，還有可能造成冷凝效果不好。但通過(guò)多年觀察發(fā)現(xiàn)，一般汽包均處于最頂層，特別是北方，冬季極容易上凍并出現(xiàn)假水位，即使不凍，由儀表顯示的汽包水位，冬季會(huì)比夏季低8～12mm。分析原因，是因?yàn)橐话闱闆r下凝汽室的溫度都要比環(huán)境高280～320℃，甚至更高，因此其熱輻射能力很強(qiáng)。當(dāng)凝汽室外部沒(méi)有保溫或保溫條件比較差時(shí)，盡管凝結(jié)水的速度會(huì)加快并導(dǎo)致更多的飽和水蒸汽流到凝汽室并補(bǔ)充凝汽室的熱量，但由于凝汽室里的介質(zhì)處于自然對(duì)流狀態(tài)且受到管路阻力的制約，使補(bǔ)充的熱量難以維持凝汽室的溫度，進(jìn)而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

對(duì)于額定工作壓力為16MPa的鍋爐而言，如果儀表冬季顯示的汽包水位比真實(shí)水位低8～12mm，將意味著容器內(nèi)部的溫度比飽和溫度低7℃。所以，為確保汽包水位測(cè)量的準(zhǔn)確性，凝汽室必須加以適當(dāng)保溫。但夏天務(wù)必將保溫取消，否則極易造成汽室冷凝水不夠，引起誤差。

（5）雙室平衡容器差壓式液位測(cè)量方式的缺陷。①不能實(shí)施全工況測(cè)量，存在假水位測(cè)量，在鍋爐啟停、排空、連排、事故等不穩(wěn)定運(yùn)行工況下，建立穩(wěn)定差壓條件時(shí)間較長(zhǎng)、恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)或干脆不能建立正常差壓，需要人工干預(yù)。②在穩(wěn)定工況條件下，由于結(jié)構(gòu)限制，不能徹底解決因水側(cè)絕溫造成的系統(tǒng)測(cè)量誤差的補(bǔ)償問(wèn)題。在鍋爐缺、滿水等事故工況條件下，系統(tǒng)測(cè)量誤差過(guò)大可能帶來(lái)嚴(yán)重后果。③結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靜密封點(diǎn)多，施工規(guī)模大并存在冬季保溫問(wèn)題。④測(cè)量時(shí)滯較長(zhǎng)，不能即時(shí)反應(yīng)鍋爐水位變化，測(cè)量信號(hào)調(diào)節(jié)質(zhì)量差。⑤儀表需要定期排污，且排污后恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。由于儀表工作在高靜壓、小量程的條件下，所以負(fù)壓管的微小不平衡壓差均會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。⑥由于存在冷凝筒放熱，使用成本極高。

2.雙色液位計(jì)

（1）雙色液位計(jì)，主要用于鍋爐設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)液位測(cè)量與控制。選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼及進(jìn)口電子元件制造，顯示部位采用高亮度LED雙色發(fā)光管，組成柱狀顯示屏，通過(guò)LED光柱的紅綠變化來(lái)檢測(cè)所測(cè)液位的高低；顯示亮度高，可視距離遠(yuǎn)，標(biāo)尺清晰，顯示角度大，產(chǎn)品更具系列化，智能化。全過(guò)程測(cè)量防雨防雷，防腐防爆，可耐高溫、高壓，高密封、防泄漏、無(wú)盲區(qū)，顯示醒目，讀數(shù)直觀，且測(cè)量范圍磊，適用于各種塔、罐、槽球形容器及鍋爐等設(shè)備的介質(zhì)液位測(cè)量。選配限位開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)液位上、下限報(bào)警和控制；選 配液位變送器，可將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流4～20mA模擬未準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)、指示、記錄與控制，亦可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接通信。

（2）雙色液位計(jì)原理該類(lèi)型的儀表都有一個(gè)容納浮球的腔體（稱(chēng)為主體管或外殼），腔體通過(guò)法蘭或其他接口與容器組成一個(gè)連通器。儀表腔體內(nèi)的液面與容器內(nèi)的液面是相同的高度，所以腔體內(nèi)的浮球會(huì)隨著容器內(nèi)液面的升降而升降，此時(shí)并不能看到液位，所以在腔體外面裝一個(gè)翻柱顯示器，因?yàn)橹圃旄∏驎r(shí)，在浮球沉入液體與浮出部分的交界處安裝了磁鋼，與浮球隨液面升降時(shí)，其磁性透過(guò)外殼傳遞給翻柱顯示器，推動(dòng)磁翻柱翻轉(zhuǎn)180°。由于磁翻柱是由紅、白兩個(gè)半圓柱合成的圓柱體，所以翻轉(zhuǎn)180°后，朝向翻柱顯示器外的會(huì)改變顏色（液面以下紅色、以上白色），兩色交界處即是液面的高度。

（3）為擴(kuò)大使用范圍，可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求增加液位變送裝置，以輸出多種電信號(hào)（如電阻信號(hào)、電壓信號(hào)或電流信號(hào)）。其中4～20mA電流信號(hào)是比較常用的一種。比如在監(jiān)測(cè)液位的同時(shí)，磁控開(kāi)關(guān)信號(hào)可用于對(duì)液位進(jìn)行控制或報(bào)警；在翻柱液位計(jì)的基礎(chǔ)上增加 4～20mA變送傳感器，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)液位的同時(shí)，將液位的變化通過(guò)變送傳感器、線纜及儀表傳到控制室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

（4）安裝方式。垂直安裝，跟隨速度≤0.08m/s，浮子材料可選304、PTFE/304外村PTFE、鋁、鈦LED顯示器，可選低亮型，高亮型，霧狀散光型三種，主導(dǎo)管材料可選304、1Cr18Ni9Ti、316L、304內(nèi)襯 PTFE、鈦、PP 或 PTFE（聚四氟乙烯），可根據(jù)不同使用地點(diǎn)斟酌。

（5）雙色液位計(jì)可結(jié)合工業(yè)電視輔助。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊、堅(jiān)固可靠壽命長(zhǎng)。無(wú)維護(hù)工作量，能長(zhǎng)年在戶內(nèi)外安裝使用。遠(yuǎn)傳一體化結(jié)構(gòu)，使工業(yè)自動(dòng)化管理變得輕松方便。電子發(fā)光雙色顯示，適宜在光線暗的場(chǎng)所中應(yīng)用，夜間觀察更醒目。目前有廠家采用獨(dú)特的進(jìn)口霧狀散光型LED發(fā)光管，顯示效果穿透性強(qiáng)、清晰不刺眼，供工業(yè)攝像頭遠(yuǎn)程清晰監(jiān)控。還可選配直流4～20mA液位變送器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中測(cè)量與控制。

（6）缺點(diǎn)。工業(yè)電視輔助測(cè)量系統(tǒng)是由石英管液位計(jì)、攝像頭和顯示器組成，其本身就需要人工參與及受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響（如反吹）等。鍋爐運(yùn)行時(shí)看不見(jiàn)真實(shí)液位，所見(jiàn)的液位一定是假液位。這是為防止石英體受氣蝕而采取的降溫措施造成的內(nèi)外容器液體密度差形成的，誤差達(dá)可視結(jié)果的25%。

3.彩色石英管液位計(jì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)彩色液位計(jì)）

彩色液位計(jì)是利用自然光在液體中的折、反射原理，測(cè)量時(shí)借助紅、綠片，使液相顯示綠色，氣相顯示為紅色。由于液氣相顯示反差大，指示鮮明清晰，所以對(duì)遠(yuǎn)距離操作和夜巡視更為有利。如果帶LED光源則顯示會(huì)更清晰，因此廣泛用于石油、化工、電力、冶金等行業(yè)的各種透明液體容器和鍋爐上，如水、汽油、液化氣、液氨、丙烷、丙烯、芳烴、酸等油品和化工原料的液位測(cè)量。

對(duì)于兩種不同介質(zhì)密度的界面測(cè)量，可選用三色界面石英管液位計(jì)。三色界面石英管液位計(jì)是利用浮力與比重差的原理而設(shè)計(jì)的，石英管中的小浮子懸浮于兩種介質(zhì)的分界部分，由于浮子呈黑色，上下部分液體顏色有異，所以顯示醒目，從而解決了一直困擾在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中兩種混合介質(zhì)界面分辨不清的難題，是目前國(guó)內(nèi)外最理想的直讀式液位計(jì)。

根據(jù)《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第156條規(guī)定，鍋爐遠(yuǎn)程控制水位計(jì)必須有兩個(gè)獨(dú)立的同時(shí)運(yùn)行中必須保證一個(gè)直讀水位計(jì)正常工作。可見(jiàn)直讀式水位計(jì)在汽包液位中占據(jù)相當(dāng)重要的位置。

UGS（UNS）系列彩色石英管液位計(jì)，它成功地克服了普通板式液位計(jì)笨重、密封面積大、易滲漏、顯示不清晰、近距離不易判斷的缺點(diǎn)。液、氣相顯示清晰、無(wú)盲區(qū)、密封性能好、耐高溫耐高壓、防黏稠、重量輕、壽命長(zhǎng)且無(wú)泄漏。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，無(wú)需電源、防爆。材料是特制的99.99%SiO2透明石英管，變形點(diǎn)在1077℃，軟化點(diǎn)1730℃，膨脹系統(tǒng)數(shù)5.5×10-7。經(jīng)特殊工藝處理后具有耐高溫、高壓和優(yōu)良的機(jī)械特性。

因汽包壓力或水溫過(guò)高或水質(zhì)問(wèn)題，對(duì)石英管有一定腐蝕性，另外石英管液位計(jì)制作廠家較多，質(zhì)量不一，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，石英管液位計(jì)會(huì)出現(xiàn)石英管爆裂，使用一定時(shí)間后石英管模糊不清的問(wèn)題。

4.云母水位計(jì)

云母水位計(jì)是玻璃水位計(jì)的一種，屬于直讀式液位計(jì)。因云母是晶體結(jié)構(gòu)的，所以其受熱很均勻，不容易損壞。云母水位計(jì)直接與汽包連通，不需要媒介和傳遞，可直觀可靠地指示汽包水位。啟動(dòng)初期應(yīng)以云母水位計(jì)和電接點(diǎn)水位計(jì)為準(zhǔn)，控制汽包水位。電接點(diǎn)水位計(jì)是根據(jù)汽和水導(dǎo)電率不同的原理測(cè)量水位，指示值不受汽包壓力變化影響。而其他水位計(jì)，如差壓型低置水位計(jì)，由“水位、差壓”轉(zhuǎn)換裝置等組成，轉(zhuǎn)換裝置包括熱套管、正壓室、漏斗傳壓管等，在啟動(dòng)初期由于正壓室還未充滿飽和水時(shí)，就不能正確反應(yīng)汽包內(nèi)水位。

（1）工作原理。玻璃液位的上端通過(guò)閥門(mén)與被測(cè)容器中的氣相連接，下端經(jīng)閥門(mén)與被測(cè)容器中液相連接。按照連通器液柱靜壓平衡的原理，只要被測(cè)容器內(nèi)和玻璃管內(nèi)液體的溫度相同，兩邊的液柱高度必然相等。若兩側(cè)介質(zhì)溫度不同，可按式（1）進(jìn)行修正。

式中 H—容器內(nèi)液位高度

h—液位計(jì)讀數(shù)

p＇—液位計(jì)中介質(zhì)在溫度t＇時(shí)的密度

p—容器中介質(zhì)在溫度t時(shí)的密度

（2）云母水位計(jì)的使用。玻璃管(板)一旦被打碎時(shí)，為保證上、下閥內(nèi)的小鋼球能自動(dòng)密封，要求介質(zhì)壓力必須＞2×105Pa。液位計(jì)投入使用時(shí)，先開(kāi)啟連接液位計(jì)上端的閥門(mén)，后開(kāi)啟連接液相的閥門(mén)。當(dāng)設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)，要先停止液位計(jì)的使用。定期清洗玻璃管(板)內(nèi)外壁污垢.使液位顯示清晰。用根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的壓力和溫度合理選用液位計(jì)，不得把低壓產(chǎn)品用在高壓設(shè)備上。當(dāng)以液位指示值來(lái)計(jì)算大容器內(nèi)的介質(zhì)數(shù)量時(shí)，應(yīng)考慮到介質(zhì)溫度，壓力等影響及容器形狀不規(guī)則而引起的誤差。

云母水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜，可以自制，在液位測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)是玻璃強(qiáng)度低，液位信號(hào)不能遠(yuǎn)傳和記錄，而且不適用于黏稠及深色介質(zhì)的液位測(cè)量。

5.電接點(diǎn)水位計(jì)

電接點(diǎn)液位計(jì)由多個(gè)電極按不同高度排列構(gòu)成，當(dāng)水位達(dá)到（或低于）某個(gè)電極時(shí)，電極間的導(dǎo)電率發(fā)生改變，從而檢出水位是否達(dá)到這個(gè)電極所在的位置。多個(gè)電極組合就構(gòu)成電接點(diǎn)液位計(jì)，特點(diǎn)是逐點(diǎn)指示液位，各點(diǎn)互不關(guān)聯(lián)，壞掉幾個(gè)點(diǎn)不影響其他點(diǎn)的顯示，可靠性極高。所以在顯示、報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)回路中經(jīng)常用到，在大型鍋爐中是必備設(shè)備。

缺點(diǎn)是分段顯示，沒(méi)有精度可言，損壞率極高，由于電極在水中腐蝕或結(jié)垢，一般半年左右就必須更換。存在假水位和誤報(bào)警的現(xiàn)象，鍋爐中的水經(jīng)常處于翻滾狀態(tài)，水汽混合物對(duì)電接點(diǎn)式水位計(jì)形成誤顯示和誤報(bào)警現(xiàn)象。密封點(diǎn)多、導(dǎo)線多，維護(hù)工作量大。這些缺點(diǎn)都是其測(cè)量原理本身存在的先天不足，無(wú)法改進(jìn)，不適宜做液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。