锅炉液位检测与双室平衡器的使用

锅炉液位检测的重要性

锅炉是一种能源转换设备，通过燃烧一次能源把水加热成蒸汽的方法，把难于输送的固态（煤炭）能源转换为输送方便使用灵活的气态能源——水蒸气，方便了能源的利用，在民用生产中得到大量的使用。

为提高锅炉的热效率，工业锅炉普遍采用加热与产气分离的生产模式，蒸汽从锅炉的蒸发器——汽包中产生。汽包是一个容积较小的长椭圆形压力卧罐，垂直高度大部分在1.5米左右。正常生产中为保证所产蒸汽的质量，汽包上侧要预留一定高度作为产气空间，下侧要预留一定高度作为锅炉水排污使用，锅炉中间是等待蒸发的高压高温锅炉水。运行中对于汽包内水位的控制要求特别严格，汽包水位过高，会造成蒸发空间不足，所产蒸汽带水影响蒸汽质量；汽包水位过低，易造成蒸发器烧干，引起汽包过热变形甚至发生爆炸事故。

锅炉液位检测的难点

锅炉是一种压力容器，为保证使用安全，国家对锅炉使用中的压力、液位的检测控制有严格的要求。不同于民用的微小型锅炉，工业锅炉具有压力高，产气量大，连续生产的特点，对压力、液位参数的检测依赖性更强，相对于压力的检测，锅炉液位检测具有多重影响的复杂性和难测量性。

锅炉安全运行的重点之一就是保证汽包内水位处于安全范围之内，所以要求汽包内的水位测量要非常可靠精确。汽包水位的垂直检测距离大都在2000px高度，液位检测仪表的任何一点小小波动都会造成液位显示百分比的大幅度变动，给锅炉的安全生产带来隐患。

汽包液位检测是工业锅炉使用中的一个难点，由于汽包所产蒸汽量不仅受锅炉所吸收热量的影响，也受后方用户所用蒸汽量的影响。用户开启用汽量大的设备就会引起蒸汽用量较大范围的突变，造成汽包内压力出现波动，水的蒸发凝析平衡被打破，造成锅炉水突然沸腾，显示到表面上就是汽包液位突然变高。实际上汽包由于压力突然减小，水的蒸发瞬间加大，其汽包内水量瞬间减少，水位实际变低。这种虚假的液位升高现象，易造成液位自动控制系统的错误动作，引发汽包内液位持续减小的危险后果，因此对于大型的负荷变化大的锅炉的液位控制，使用多参数仪表检测的方式来得出真实的液位数值，作为直接测量汽包液位的液位检测仪表的使用性能则更加重要。

汽包液位检测仪表的使用现状

锅炉汽包液位检测仪表的使用，现主要有三种不同的工作原理可供选择。

1、基于反射原理的液面检测仪表，雷达液位计。虽然雷达液位计发展了多种电磁波的传播和接受形式的天线，以及使用导播管来屏蔽干扰信号等措施来提高使用效果，但由于受到汽包水蒸汽对电磁波能量的衰减以及高温水对电路板的影响，在汽包液位检测中使用效果并不好。

2、基于浮力原理的液位检测仪表，浮子液位计、浮筒液位计。浮子液位计又可分为带磁性的浮子液位计和磁致伸缩液位计，两者都因为高温水的消磁以及对电路板的影响使用效果不好；浮筒液位计是锅炉液位检测中使用较多的液位检测仪表，但因为浮筒液位计安装中距汽包过近，对于浮筒液位计的密封已经变送器的电路板都有高温老化现象，而且浮筒液位计的零点、满度的校准工作繁琐，使用量并不太多。

3、基于水位静压原理的差压变送器检测仪表，双法兰差压变送器，双室平衡器+差压变送器。双法兰变送器虽然安装方便，维护量小，但由于双法兰隔离膜片的使用，其精度低于普通差压变送器，而且双法兰变送器安装以后对仪表的零点和满度校准不容易实现，且正负两侧的双法兰膜片因受热不同造成硅油隔离液的膨胀率不同，引起测量误差加大，在锅炉液位仪表设计选型中使用并不多。

双室平衡器+差压变送器的锅炉汽包液位检测，虽然结构比双法兰变送器复杂，维护量也较大，但由于双室平衡容器的使用，差压变送器可以远离高温汽包安装，差压变送器的引压管接管内的介质为20度左右的低温水，对于变送器是一个很好地使用条件，提高变送器的使用质量，延长使用寿命。变送器的引压管上安装有引源截止阀门和排污阀门，变送器本体下方安装有三阀组，可以方便的对差压变送器进行零点满度校准及各种维护操作。由此这种组合模式在锅炉液位检测中使用最多，也是锅炉汽包液位选型设计的首选方案。

现场一废气利用锅炉液位检测中使用的双室平衡容器

差压式测量汽包液位的原理

根据流体力学中的静压原理，液面以上没有气相压力的物质在自身密度一定的情况下，产生的静压力与物质液位高度成正比P=ρgH。由此测量物质的高度可以使用压力检测的方法来实现H=P/ρg ，在容器的底部安装压力取源部件，接入压力变送器即可实现物质液位的检测。由此可以推出，如果被测物质的液位以上有气相压力，只要在压力检测中减去这一个气相压力的附加数值，同样可以实现这个有压状况下物质的液位检测，这就需要一个差压变送器来实现液位的检测。差压变送器的正压侧接入物质的液位的底部，负压侧接入物质液位上侧，通过变送器的压差值来实现压力与物质的液位高度成正比的关系：ΔP=P₊-P_-=(P_气+ρgH)-( P_气)= ρgH ，同样可以测量出物质的液位高度H=ΔP/ρg，实现测量的目的。

差压变送器测量汽包液位的误差

对于汽包液位的检测，普通差压变送器的正压侧取压在汽包水位的底部，正压侧引压管内的介质为一个密度温度成梯度变化的液态水。密度可用ρ1表示，变送器距离锅炉汽包底部取压的垂直高度为H1，引压管内的水产生一个附加的静态压力ρ1 H1g 。此时变送器正压侧的压力值P1= P₊+ρ1 H1g=(P_气+ρgH) +ρ1 H1g。

差压变送器负压侧取压在汽包的上侧，正常状况下在锅炉液位之上，负引压管内的介质为气相的高温蒸汽。汽包上取源口距离变送器的垂直距离为H2，由于气相物质产生的高度静压可以忽略不计，变送器的负取压管内的水蒸气可以看做自身不产生附加高度压力值。变送器的负压侧的压力值P2就是汽包的气相压力P_气，P2= P_气。

差压式变送器测量汽包液位的示意图如下：

差压变送器所测压力值ΔP=P₊-P_-=P1-P2=[(P_气+ρgH) +ρ1 H1g] -P_气-=ρgH+ρ1 H1g有一个附加的正引压管误差ρ1 H1g，在变送器的测量范围设定中需要把这个附加误差迁移掉。但正引压管内液态水的温度不恒定，从汽包取源口开始到变送器接口处呈现梯度变化，而且受环境的温度影响，所以引压管内水的密度ρ1无法准确的测定，导致在变送器的组态中对附加误差无法彻底消除，增加了汽包液位测量的误差。

众所周知水蒸汽有一个特性遇冷后易冷凝成液态的水，差压变送器负引压管内的水蒸气在传输到变送器负压侧接管的过程中受环境温度的影响，水蒸气温度逐渐降低，有密度为ρ2的冷凝水析出，在负压侧引压管底部集聚。随着时间的增长，负引压管内凝聚的冷凝水的高度会不断变高设为H2，负引压管内就会产生一个附加的冷凝水高度静压ρ2 H2g ，此时的变送器负压侧的压力为P2= P_气+ρ2 H2g 。不同于变送器正压侧的引压管内的冷凝水高度H1保持不变，变送器负压侧引压管内的冷凝水高度H2是一个随时变化的不确定量，加上冷凝水的密度ρ2也随着环境的温度而变化，导致负引压管内的冷凝水的附加高度误差ρ2 H2g更加难以确定。

负取压管内蒸汽的冷凝，造成负引压管内冷凝水高度H2不断变化，示意图如下：

实际使用中普通引压管差压变送器测量汽包液位时其变送器所测量的差压值ΔP=P₊-P_-=P1-P2=[(P_气+ρgH) +ρ1 H1g] –[P_气+ρ2 H2g]=ρgH+ρ1 H1g –ρ2 H2g=ρgH+g(ρ1 H1 –ρ2 H2)。由此可见这种方法测量汽包液位存在这三个不确定的变量ρ1，ρ2，H2 ，这三个不确定的数值产生的附加测量误差无法得到准确的数值，由此加到液位测量的差压值中，产生的误差无法彻底消除，无法实现差压值与汽包液位成正比的关系。

附加误差的消除方法

一、两引压管内冷凝水密度不同的消除方法

对g(ρ1 H1 –ρ2 H2)看做这种方法测量汽包液位的总附加静压误差P3进行分析，P3= g(ρ1 H1 –ρ2 H2)由于ρ1，ρ2分别是变送器正负引压管内冷凝水的密度，两者数值虽然不同，但相差不大。是否可用一种方法把这两密度的数值尽可能的靠近。这种改进方法可从工程实施中进行，引压管铺设焊接过程中让两者尽可能的靠近，在两引压管之间设置一个伴热源，最后三者作为一个整体进行保温，这样两引压管内冷凝水基本在同一温度，两者的密度可认为是一样的ρ1=ρ2。

二、负引压管内冷凝水高度H2不断变化的消除方法

对g(ρ1 H1 –ρ2 H2)的附加静压误差进行分析知，正引压管内冷凝水高度H1是一个定值，而负引压管内冷凝水高度H2是一个不确定的变化量，不同的时间H2数值很难保持一致。那么可以用另一种方法保证这个负引压管内冷凝水高度H2恒定。用工程的手段来消除蒸汽在负引压管内的冷凝，直接把负引压管内充满性能稳定的液体介质，使用的方法就是灌装隔离液，可使用硅油等耐高温专用隔离液，也可用水作为隔离液使用。现实使用中专用的隔离液不仅增加费用，而且受隔离液变质、流失的影响，需要定期置换更新，使用效果不好。 灌装冷凝水是最简单的方法，水具有取材方便，安全易操作，几乎没有费用等优点成为最好的选择。

平衡容器工作原理

使用冷凝水作为隔离液的差压变送器测量汽包液位需要一个附属的装置—平衡容器，工业锅炉液位检测中使用的平衡器有两种，单室平衡器和双室平衡器。

单室平衡器

单室平衡器可以理解为一个隔离冷凝罐，安装在汽包上侧的取源阀后。通过隔离罐表体的面积来加速蒸汽的冷凝，来保证隔离罐下侧的取压管到变送器内充满冷凝水，实现负压侧冷凝水的高度H2恒定。实际使用中为保证负引压管内冷凝水的高度H2恒定，可通过隔离罐上方的灌液口，进行人工注水的方法来实现。

单室平衡器虽然能够做到保证变送器负引压管内水的高度H2恒定，但却无法保证从汽包下侧取源口到上侧取源口这一段距离内，负引压管内冷凝水的密度ρ2的稳定性。无法确保整个负引压管内冷凝水的密度与正引压管内冷凝水密度相同，即无法保证ρ1=ρ2，所以对于测量范围很窄的汽包液位检测来说，单室平衡器不如双室平衡器理想。

单式平衡器的工作原理如图所示：

双室平衡器

双室平衡器通过结构设计，把汽包上侧取源口到汽包下侧取源口垂直高度内的负引压管埋入到汽包液位环境中。通过汽包液位水的热量交换来保证单式平衡器无法做到的负引压管那一段冷凝水的密度恒定，以此来保证差压变送器负引压管内冷凝水产生的附加静态误差恒定，从而做到差压变送器正负引压管内冷凝水产生的附加静态误差都可以消除，实现差压变送器的差压值与汽包液位成正比，达到差压变送器测量汽包液位的目的。

双室平衡容器测量汽包液位的内部原理如图所示：

双室平衡器+差压变送器测量汽包液位

对双室平衡器+差压变送器测量汽包液位构造进行分析可知，差压变送器的差压公式为：

ΔP=P₊-P_-=P1-P2=[(P_气+ρgH) +ρ1 H1g] –[P_气+ρ2 H2g]

=ρgH+ρ1 H1g –ρ2 H2g=ρgH+ ( H1 – H2) ρ12 g

     =ρgH+ ΔHρ12 g

变送器两引压管内冷凝水的高度差ΔH= H1–H2= –H12 ， H12为汽包液位检测上下两取源口的垂直高度，即汽包的最大液位高度。

双室平衡器现场接管如图所示：

通过工程实施，可以做到从锅炉底部取源的正取压口高度到变送器的距离内，正负两引压管内冷凝水的密度梯度相同。这段距离内正负引压管冷凝水产生的静压值可以相互抵消，负引压管内冷凝水密度ρ12 为双室平衡器内负引压管里冷凝水的密度。

双室平衡器内正负引压管内的水处于同一个温度环境中，两者之间开口相同处于一个动态的蒸发凝析动态平衡中，热量相互交换，可以看做两者的密度相同，因此双室平衡器内负引压管内冷凝水的密度与双室平衡器内汽包水的密度相同，即ρ12=ρ。由此差压变送器的差压：

ΔP=ρgH +ρ12 gΔH

=ρgH –ρgH12

= –ρg（H12 –H）

锅炉液位高度H的取值范围为：0——H12，所以差压变送器所测差压值只有在汽包液位最高时为0，其余的时候为负压值。差压变送器的测量压差范围为：–ρgH12 —— 0  ，因此差压变送器需要进行负迁移，迁移量为ρgH12 。

总结

综上可以得出，双室平衡器的使用是差压变送器测量汽包液位不可缺少的部件。双室平衡器的使用保证了差压变送器正负引压管内冷凝水产生的静压差是一个恒定的定值，这个 恒定的附加误差就是差压变送器的负迁移。双室平衡器在使用中由于时刻处于锅炉水的蒸发和凝析平衡过程中，其负压侧内的冷凝水高度不会出现消耗损失，确保了差压变送器的附加误差不会发生改变，因此可以准确的测量汽包液位。

双室平衡容器具有结构简单，无可动部件，几乎不会损坏等优点，适用于低中高所有级别的锅炉液位检测中，得到大量的工业化使用，成为锅炉液位检测工程设计中的不二选择。双室平衡容器作为锅炉液位检测中的一个重要组成部分，虽然自身几乎不会出现故障损坏，但要实现与差压变送器完美组合，准确的测量锅炉液位，需要仪表人员熟知其内部构造，工作原理及使用技巧。