连通器式汽包水位取样测量装置及其几何尺寸的确定方法

摘要

本发明公开了一种连通器式汽包水位取样测量装置以及该装置的几何尺寸确定方法，它包括汽连通管、水连通管、测量筒和排污冲洗管，密闭的测量筒中包括一个安装有水位检测传感装置的计量段，测量筒中计量段的上下部分别通过汽连通管和水连通管与汽包上的汽测孔接管和水测孔接管相连通，排污冲洗管设在测量筒的下部，在测量筒上方设有向计量段输送凝结水的附加汽室。本发明以简单的装置结构和取样管路系统，解决了连通器式测量装置取样严重超差问题，使取样精度能满足高压、超高压、亚临界锅炉汽包水位监控和停炉保护允许的要求，并符合国家相关技术标准。

说明书

技术领域：

本发明涉及热工测量技术领域，特别涉及高压、超高压、亚临界锅炉汽包水位测量技术，具体是一种连通器式汽包水位取样测量装置，本发明还提供了该装置的几何尺寸确定方法。

背景技术：

汽包水位计是锅炉重要的安全附件。目前，汽包水位测量系统配置的只有连通器式、差压式两类测量装置。

在用的连通器类测量装置大致有4种：云母水位计、电接点水位计、磁翻板水位计、电容水位计。如图1所示，这几种水位计的主体结构是一个直筒体(或直壳体)，它的水取样管、汽取样管与汽包上的汽、水测孔分别相连接后，筒体与汽包就组成了连通器，汽包内的汽、水进入测量装置，连通器两侧静压平衡后，筒体内水柱就是测量汽包水位的取样水柱，其高度与汽包内水位相对应。水位计各自的水位传感部件直接检测取样水柱与汽柱的界面，从而间接测出汽包内水位。

上述4种水位计区别是检测筒体内部水位的原理不同：云母水位计由云母视窗刻度直读水位；电接点水位计，是借助于在筒体内安装多个电接点，按汽水侧电接点对地电阻值差异检测水位并向远方传感水位测量信号；电容水位计，是借助于在筒体内安装的绝缘棒与筒体壁组成电容式传感器，根据汽水的介电常数不同，水位与电容量一一对应的原理，检测水位并向远方传感水位测量信号；磁翻板水位计，是借助于在筒体内的、能漂浮在水柱顶部的磁性浮子标识筒内水位，并依靠浮子的磁力向外部传感并显示水位。前3种装置直接检测筒体内水位的误差都很小，则间接测量汽包水位的误差取决于水柱与汽包内水位的高度差，即取样误差。磁翻板水位计检测筒内水位的误差等于浮子吃水深度的变化值，但由于浮子的身高与取样水柱相比很小，吃水深度变化值比取样水柱因温度降低的冷缩值小得多，故其间接测量汽包水位误差取也决于取样水柱误差。

取样水柱低于汽包内水位形成取样误差的原因是，取样水柱的温度、密度低于汽包内饱和水温度、密度。取样水柱温度不仅与装置水柱部分向周围环境的散热量有关，还与装置汽柱部分的表面散热产生的凝结水带入取样水柱的热量有关，后者尚未引起人们关注而没有用来解决传统连通器类测量装置的取样误差问题。

传统连通器类测量装置设计的缺陷是，水柱升高到一定高度时，汽柱产生的凝结水带入水柱的热量比水柱部分的散热量小得多，取样水柱平均温度比汽包内水温低得多，形成很大取样误差。取样误差随着汽包压力的升高而增大，且水位愈高误差愈大。当锅炉压力级别的提高到超高压(15Mpa)、亚临界压力(20Mpa)级别时：0水位(即锅炉正常运行水位)的取样误差分别达100mm、150mm，已为运行监视规定所不允许；高水位停炉值取样分别偏低200mm、250mm(注：高水位停炉值已接近水位计量程上限)，更会导致保护动作严重滞后而危及锅炉和汽轮机的安全，已显然不能用于满水停炉保护。

根据汽包水位运行特点和安全保障的实际需要，锅炉和热工行业资深人士认为，对水位计性能的要求应体现“可靠第一，准确第二”原则。锅炉厂为了保证饱和汽品质合格，规定汽包正常运行水位(0水位)变化范围是-50mm至+50mm，这意味着，测量允许最大的误差是50mm，从运行角度考虑，只要测量值是稳定的，水位计的可靠性可保证不会引发保护误动停炉，0水位的50mm误差也是可以承受的。2004年发布的《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定DRZ/T 01-2004》要求，水位计测量偏差不大于30mm，可以进一步保证0水位运行控制水平。从安全保障的实际需要考虑，当水位到达高水位停炉值时，即便测量偏差大到50mm，只要水位计能可靠地发出高水位停炉信号启动停炉保护，就能保证设备安全，这意味着停炉保护水位测量允许最大的误差是50mm。

上述情况表明，连通器式测量装置用于超高压、亚临界压力存在严重的取样误差，是运行和安全保障所不允许的，应将其取样误差降低到允许范围内。

在传统连通器式测量装置的技改中，有些技术过度地追求高精度取样，例如在装置内部设置蒸汽加热装置以求消除取样误差，导致准确性余度过大，其代价是：使测量装置的结构复杂化，取样管路系统需要安装蒸汽加热的排水管路，需要在管壁很厚的下降管上开孔安装排水管，无疑地增加了测量装置成本和安装工作量；结构的复杂和管路的增多加大了运行维护和故障诊断难度。这些因素在一定程度上影响新产品的推广应用。

锅炉和热工行业的资深人士认为，有必要研发一种新型连通器式测量装置，其取样装置结构和取样管路系统依然很简单，安装与维护依然最方便，但取样精度仍能达到汽包水位安全监控和设备保安要求，符合国家相关技术标准。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种结构简单、低成本的连通器式汽包水位取样测量装置，旨在解决传统连通器式测量装置取样严重超差问题，使其取样误差、动态响应速度均能满足高压、超高压、亚临界锅炉汽包水位监控和停炉保护的要求，此外，本发明还提供了该测量装置的几何尺寸确定方法。

本发明所述的一种连通器式汽包水位取样测量装置，它包括汽连通管、水连通管、测量筒和排污冲洗管，密闭的测量筒中包括一个安装有水位检测传感装置的计量段，测量筒中计量段的上下部分别通过汽连通管和水连通管与汽包上的汽测孔接管和水测孔接管相连通，排污冲洗管设在测量筒的底部，其特征是：在测量筒上方设有向计量段输送凝结水的附加汽室。

上述附加汽室筒体的散热表面积应当大于测量筒计量段部分的散热表面积。

上述附加汽室筒体可以是一个与计量段筒体直接相连的筒体，也可以是多个相对独立的封闭容器、并由管道和计量段筒体相连接。为了提高散热效果，在附加汽室上还可以设置散热肋片。

上述的计量段部分是指，水连通管和汽连通管管口中心线之间的容器部分，其长度是装置所能选择的最大量程。测量计量段水位可采用不同原理、不同形式的检测传感装置测量，例如电接点、电容器、磁性浮子、云母片视窗与标尺。计量段部分通常为筒体或壳体。

令测量装置计量段水柱部分的散热表面积与测量装置汽室部分(包括计量段汽柱和附加汽室部分)散热段表面积之比值为β。本发明按运行监控保护给定的取样误差目标设定值，计算所需要的β值。如果要求测量装置的取样误差不大于目标设定值，则β值不能大于1，即计量段部分的散热表面积不大于附加汽室筒体的散热表面积。所以，本发明采取的小β值设计，与传统连通器式测量装置结构相比，其技术措施是：①，在满足传感检测部件能正常检测和方便于安装、以及符合强度要求的前提下，尽可能减小测量装置的计量段部分横截面尺寸，以减小计量段部分的散热表面积；②，在测量筒上方，即在计量段部分上方设置附加汽室筒体，以加大测量装置进行水位取样的汽室部分容积和汽室部分筒体的散热表面积，附加汽室的构成见前述；③，同时采取措施①与②，或在措施①难以实施时而只能单一采取措施②。这些措施可使计量段部分和附加汽室部分的散热段表面积比值不大于β计算值。

在筒体计量段长度等几何参数是一些已知参数，或由经验可以确定的参数，那么就可由β计算值，计算出附加汽室部分的表面积，继而确定附加汽室部分筒体的具体设计参数。

此项技术方案的理论依据如下：

要减小取样误差，需减小取样水柱与汽包内水体的密度差，则需提高水柱底点温度t_d。

影响水柱底点温度t_d的因素分析。以取样水柱为研究对象，研究热量输入与热量输出的平衡条件，建立水柱热平衡方程，在汽包压力、汽包水位、环境温度为已知值时，可得到水柱底点温度值t_d的解析式t_d＝t_c+(t_h-t_c)/e^m，式中，t_h为饱和水温度，t_c为环境温度。e^m的指数m值是C_p、r、β值的函数，C_p是在汽包压力下水的平均定压比热，r是汽包压力下饱和水的汽化潜热。m值又是β值的一次线性函数，正比于水柱筒体表面积F_s、反比于汽柱筒体表面积F_q，即β＝F_s/F_q。β值小，则m小；β值大，则m大。显然，要提高水柱底点温度值t_d，需要降低β(F_s/F_q)值，这就需要：减小取样水柱筒体的散热面积F_s，减小水柱的散热量；增大整个容器装置汽柱部分的表面积F_q，以增加饱和汽凝结水输入水柱的热量，这是设置附加汽室的理论依据。

小β值连通器式测量装置的设计方法合理性分析如下。

给定的目标水位H、取样误差dH和计量段水柱底点温度t_d是一一对应的。那么，由连通器取样重力平衡方程就可计算出计量段水柱平均密度、水柱平均温度，水柱底点温度t_d。

水柱底点温度t_d和测量装置计量段水柱部分的散热表面积与测量装置汽室部分散热表面积之比值β也是一一对应的。那么，在建立取样水柱的热平衡方程后，由水柱底点温度t_d，就可以计算出β值，β＝C_p(t_h-t_d)·r^-1·ln[(t_h-t_c)/(_td-t_c)]，式中：t_h为饱和水温度，t_c为环境温度，t_d为水柱底点温度，C_p是在汽包压力下自t_h至t_d温度区间内水的平均定压比热，r为汽包压力下饱和水的汽化潜热，ln自然对数符号。

所以，β值计算值是本发明能满足取样误差要求的技术参数。

本发明的汽包水位测量装置的几何尺寸按下述方法步骤确定：

(1)选定测量装置的计量段几何尺寸。

根据传感检测部件的尺寸确定计量段筒体的内径，并由受压元件强度计算确定计量段筒体壁厚，算出外径与圆周长。对于电接点测量筒和电容式测量筒，其外径d_c是传统测量筒直径的0.45~0.6倍为宜。同样可由经验和强度计算确定方形壳体横截面外轮廓线最小周长与边长。

计量段长度即水位计的最大量程，是锅炉设计配套水位计制造已确定的数据。

有了计量段数据、计量段筒体直径或横截面外轮廓线最小周长，则可算出计量段筒体的表面积。

(2)选定允许误差值。

由于测量上限的取样误差最大，又由于高水位停炉值接近计量段测量上限，其取样误差也接近上限取样误差，所以选定上限取样误差dH_sx为1个主要设计目标值。dH_sx的含义是，在水柱高度h等于计量段长度L时的取样误差。

由于0水位是水位长期运行的监控水位，允许误差往往较小，所以选定0水位取样误差dH_o为1个辅助设计目标值。dH_o的含义是，在水柱高度为h_o的取样误差。

(3)按dH_ax、dH_o值，分别算出其水柱筒体与汽室筒体所需要的表面积比值β。

根据连通器汽、水重力平衡方程和计量段的长度L、dH_sx及0水位取样水柱高度h_o、dH_o值，分别计算出其对应的取样水柱平均密度ρ_cp，可得ρ_cp对应的水柱平均温度t_cp，水柱底点温度t_d由经验公式t_d＝3t_cp-2t_h计算(式中的t_h是饱和水温度)。

由β＝C_p(t_h-t_d)·r^-1·ln[(t_h-t_c)/(t_d-t_c)]，分别算出dH_sx、dH_o值所对应的β值(β计算式中物理量含义见前述)。

(4)确定附加汽室筒体几何尺寸。

由dH_sx算出的β值就是整个计量段部分和附加汽室部分的表面积比值。由于计量段筒体部分的表面积已经确定，即可以计算出附加汽室部分的表面积F_qb。

对于由dH_o算出的β值，水柱段筒体表面积F_s是按水柱高度h_o计算的，计量段内的汽柱筒体表面积F_qJ按汽柱高度为L-h_o计算的。令计量段以上的附加汽室部分表面积F_qb，那么，对于整个测量装置而言，汽室筒体表面积F_q为计量段内的汽柱筒体与附加汽室部分表面积之和，即F_q＝F_qJ+F_qb，dH_o所对应的β＝F_s/(F_qJ+F_qb)，则算出dH_o所对应的附加汽室部分表面积值F_qb。

在dH_o、dH_gt值所需要的附加汽室部分表面积F_qb值中，取F_qb值大者确定附加汽室筒体外形、直径、长度，以及属于附加汽室部分的管道等参数。

由于面积为F_qd的附加汽室筒体可有不同几何形状与尺寸，且补偿室筒体与计量段筒体的连接方式也有多样。如果相对于计量段筒体来说，附加汽室筒体的容积也大得多，为了方便于制造与安装，附加汽室筒体也可以是二、三个小汽室筒体的组合体，由管道与计量段筒体相连接。如果附加汽室筒体是圆柱形，以圆平均外径是计量段筒体直径d_c的1.7~2.5倍为最相宜。又由于计量段安装的水位检测传感装置具有多样性，因此本发明有多个实施例。

本发明有益效果：

(一)本发明在已知计量段筒体长度和由经验数据设定其筒体表面积的条件下，由关键点水位的取样误差作为设计目标值，确定取样水柱筒体与汽室筒体的表面积比值β，再按β值算出计量段之上的附加汽室筒体散热表面积，继而完成测量装置设计。那么，所发明的测量装置在使用中，当汽包水位为设计目标水位时，则实际取样误差可达到设计目标值，可小于传统连通器式测量装置目标水位的取样误差。

(二)小β值连通器式测量装置加快了计量段水柱温度变化速度，对压力变化的响应速度大于传统连通器式测量装置。

(三)小β值连通器式测量装置结构加快了饱和汽凝结水对计量段水柱的更换速度，故水柱水质好，利于检测元部件稳定检测传感，并延长排污冲洗周期。

(四)本发明结构简单、易于制造，它需要配套取样管路系统最简单，可减少安装工作量，有利于本发明的实施与推广。

附图说明：

附图1是以电接点测量筒为典型的传统连通器式测量装置及取样系统示意图；

附图2为本发明电接点测量筒(第一实施例)结构及取样系统示意图；

附图3为本发明磁翻板测量筒(第二实施例)结构示意图；

附图4为本发明电容式测量筒(第三例实施例)结构示意图；

附图5为本发明云母水位计(第四实施例)结构示意图。

具体实施方式：

现结合附图叙述之。

附图1和附图2清晰展示，传统电接点测量筒和本发明实施例之一的电接点测量筒的异同。其相同之处：汽包上的汽、水测孔接管1、2的中心距相同，测量筒上的汽、水连通管3与4的中心距也相同，计量段8的长度都是L；汽连通管3的规格相同，水连通管4规格相同。这些相同点可使本发明更换传统电接点测量筒的工作量最小。相同点还有，都是带有排污管6和电接点检测组件7的密闭容器5。不同之处：本发明计量段以上筒体是特别设置的、表面积很大的附加汽室9，传统电接点测量筒则没有附加汽室；本发明的计量段8筒体外径小于传统电接点测量筒的计量段8筒体外径；在汽包内水位H相同时，本发明的取样水柱h比传统电接点测量取样水柱高，即本发明的取样误差dH明显小于传统测量装置的取样误差。

第一实施例：

本实施例见附图2，具体的测量装置是电接点测量筒。带有喇叭缩口的附加汽室筒体9与计量段筒体8之上的延伸段焊接相连，延伸段带有汽连通管3。计量段筒体8上安装电接点电极组件7，计量段筒体8的下部带有水连通管4，密闭容器5下部有排污管6。

第二实施例：

本实施例见附图3，具体的测量装置是磁浮子测量筒。本实施例中的附加汽室筒体9与计量段筒体8之上的延伸段焊接相连，计量段筒体8上下有汽取样接管3、水连通管4。计量段筒体8内部有空心的圆柱形磁浮子10，可漂浮在水柱顶部，磁浮子的重心在下部。计量段筒体8外部安装多个磁翻牌11，磁翻牌在磁浮子接近时可以自动翻转180°，以标识与显示水位。计量段筒体8延伸段和法蓝组件12连接，拆开组件，可取出磁浮子，组件下部有排污管6。

第三实施例：

本实施例见附图4，具体的测量装置是电容式测量筒。本实施例中的附加汽室筒体9的特征是两个汽室的组合筒体，该组合是由管道将两个汽室筒体并联到计量段筒体8之上的延伸段，那么，附加汽室筒体表面积是计量段筒体8以上各部分的表面积之和。计量段筒体8上下有汽取样接管3、水连通管4。计量段筒体8的之上的延伸段顶部焊接有法兰盘14，与法兰电容组件15连接。法兰电容组件15中的带绝缘的电容极棒13插在计量段筒体中，电容极棒13与筒壁组成电容式水位传感器。密闭容器5下部有排污管6连接。

第四实施例：

本实施例见附图5，具体的测量装置是云母水位计。本实施例中的附加汽室特征是带有散热肋片17的附加汽室筒体9。计量段筒体8的之上的延伸段带有汽连通管3，并与附加汽室筒体9焊接相连。计量段筒体8下部带有水连通管4，并排污管6相连接。计量段筒体8带有云母视窗及刻度组件16，该部分筒体横截面外轮廓为方形，透过云母片可以看到筒体内水柱与汽柱的界面，借助于刻度尺测量水柱高度、直读水位。

综上所述，本发明与现有技术相比，在保持最简单的结构与最简单的测量取样系统同时，可使取样测量精度达到汽包水位安全监控和设备保安要求，符合《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定DRZ/T 01-2004》等相关规定的最新要求。