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第六章液位检测及仪表本章的主要内容:●液位测量概述●汽包水位测量概述●锅炉汽包水位测量的对象特性●云母水位计及双色水位计●差压水位计●电接点水位计●锅炉汽包水位测量系统误差的评定●本章小结第一节液位测量概述一、液位测量的重要性在工业生产过程中，液位往往是很重要的控制参数。对于一般储液装置内所储存液体的多少对生产过程的影响是不可忽视的。比如火电生产过程中的锅炉汽包内的水位就直接影响汽水系统循环的效果以及送出蒸汽的质量。二、液位测量的特点（l）稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。（2）大型容器中常会有各处液体的温度、密度和粘度等物理量分布不均匀的现象。（3）容器中的液体呈高温、高压、高粘度或含有大量杂质、悬浮物等。以汽包水位为例，汽包水位具有以下特点：①汽包内水汽无明显分界面。②汽包内水位忽上忽下剧烈周期波动。③炉水中含有盐碱，受汽水冲击形成泡沫，如水质严重恶化，会形成大量泡沫。④汽包水位横切面特点是中间凸起，水位在汽包壁成带状升高，并超过中间部位。⑤虚假水位的存在三、测量液位的方法1.浮力式2.静压式液位—压力转换的方式主要有压力式和差压式。3.电气式电气式液位测量是直接将液位转换为电阻、电容、电感等量值的变化。4.声波式第二节汽包水位测量概述一、锅炉汽包水位测量的重要性●由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。●水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成炉管大面积爆破。●锅炉运行中，通过水位测量系统来监视和控制汽包水位。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。●锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。二、锅炉汽包水位测量的基本要求根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求：(1)准确性好。锅炉汽包水位相对主蒸汽压力、温度这类参数而言，并不是需要精确控制的参数，一般情况下，两个汽包水位计的测量示值偏差在30mm以内是可以接受的。而在正常条件下保持这样的精确度不是十分困难的。但是，由于汽包水位测量对象十分复杂，而汽包水位测量采用联通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比的条件在变化时会造成非常大的误差。(2)可靠性高汽包水位测量系统从取样开始，到信号转换、控制和保护回路以及供电回路，均应十分可靠。此外，除了提高装置本身的可靠性外，还应提高系统的可靠性，包括对汽包水位测量、控制和保护系统的配置应采取严格的冗余要求，应采用两种或以上工作原理共存的配置原则；锅炉汽包水位控制和保护用的水位测量信号应采取三重冗余等。(3)维护性好锅炉汽包水位测量系统的维护应简单，维护工作量应尽可能少，而且应便于进行在线实际水位信号的保护联动试验等。第三节云母水位计及双色水位计一、云母水位计云母水位计是锅炉汽包一般都装设的就地显示水位表。它是一连通器，结构简单，显示直观。由于云母水位计温度低于汽包内温度，因此云母水位计的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。式中——汽包内饱和蒸汽密度；——汽包内饱和水密度；——云母水位计测量管内水柱的平均密度；——汽包内重量水位;——显示值。'HHswsaswaH'H二、双色水位计双色水位计是基于联通管式原理的水位计，它是由云母水位计发展而来的。云母水位计只能就地监视，且汽水界面不清晰，而双色水位计改进了云母水位计结构，辅以光学系统，利用光从空气进人蒸汽或水产生不同的折射，使汽水界面显示成红、绿两色的分界面，显示清晰，并可利用工业摄像系统等方式远传显示。用于超高压及以上锅炉的双色水位计，考虑其强度，窗口玻璃不做成长条形，而是沿水位计高度上开若干个圆形窗口，称为多窗式双色水位计，其缺点是小窗之间的一段是水位显示的盲区。双色水位计采用把普通光经滤光玻璃(红、绿两种)使红光、绿光透过，再经被测液体或气体折射，在光路上设置窗口予以显现，可测知光路上是液体或气体。测量技术的进展——无盲区低偏差双色水位计传统的双色水位计测量误差大、云母片易结垢而使显示模糊、频繁排污易造成表计热变形而泄漏以及存在显示盲区等缺点。现推出了无盲区低偏差双色水位计。水位计组成：由光源箱3、水位计表体4、平衡管６、排污管７、双色水位计８、汽侧取样管2、水侧取样阀门10、饱和汽伴热管11、排水管12、冷凝罐14等组成。原理：利用汽包内的饱和蒸汽经汽侧取样管2和汽侧取样阀门1进入伴热管１１，给水位计表体4加热，阻止双色水位计8内的饱和水向外传热；再利用冷凝器14内冷凝后的饱和水给双色水位计8内的水置换，加速双色水位计8内的水循环，使双色水位计8内的水接近饱和水温度；从而消除水位计测量管内水柱密度对水位测量造成的偏差，使得双色水位计8内的水位在任何时候，任何工况下接近汽包内的真实水位，达到准确监视汽包水位的目的。饱和汽伴热管11在安装时将排水管12接至低于汽包中心下15m的汽包下降管处。进入饱和汽伴热管11的饱和蒸汽在其中冷凝后流到下降管中，由于排水管与汽包下降管的连接处处于汽包下大于15m的地方，排水管中的水位不会上升到水位计表体内部，使得饱和汽伴热管中始终充满饱和蒸汽，起到对表体和水位计管中的水进行加热的目的。利用冷凝器内冷凝后的饱和水置换表计内的水，加速了表计内的水循环，由于置换的新水为饱和蒸汽冷凝后的饱和水，含盐低，这样减少了云母片结垢，延长了表计的排污周期，从而减少了表计的热变形，也就减少了表体的泄漏，延长了表体的检修周期，降低了维护费用。它的显示部分是由两侧水位管的五窗云母组成，相邻云母窗口有一定重叠度，因而消除了显示盲区。第四节电接点水位计电接点水位测量装置是一种基于联通器式原理的测量装置，与普通就地云母水位计(或双色水位计)不同之处在于测量筒内有一系列组成测量标尺的电极，由于汽、水电导率的很大差别，造成处于汽和水中的电极电阻值有很大差别，以此来判断电极是处于水空间，还是处于汽空间。利用多个电极即可判断当前的水面位置。优点：结构简单，电接点信号可以远传，时延很小，不存在仪表的机械变差及分度误差，显示直观，可靠性高。应用：火电厂锅炉汽包、高压加热器、除氧器水位测量中普遍应用。组成：由水位测量筒(水位传感器)和显示仪表组成。一、水位转换原理水位测量筒通过连通方式形成相应水柱高度，该水柱的压力平衡压力容器内的被测量水位的压力。在水位测量筒的筒壁上安装了数个电极。转换原理：锅炉炉水的电阻率一般在103Ω·cm以下，蒸汽的电阻率一般在106Ω·cm以上，筒内的水浸没的电接点处于低阻状态，未被浸没而处于汽(气)中的电接点处于高阻状态。电接点水位传感器(a)外形；(b)A—A视图；(c)高压炉电接点；(d)电接点固定座1一汽包；2一测量筒壳;3一排污管；4一电接点；5、6一瓷封件；7一瓷管；8一固定螺丝；9一紫铜垫圆；10一接点芯；11一固定座二、水位传感器的结构15点：0，15，30，50，100，150，200，250(单位：mm)17点：0，15，30，50，100，150，200，250，300(单位：mm)19点：0，15，30，50，75，100，150，200，250，300(单位：mm)对于火力发电厂锅炉汽包水位的测量一般采用19点的水位传感器。在使用时，电接点的极芯与筒壁之间的高阻或低阻状态反映了该电接点是否被水浸没。电源的一端接电极芯，另一端接测量简体的公共电极。为了防止电极的极化作用，电极需采用交流电源。炉水水质较好时，一般采用18V，炉水水质较差时，为了与二次仪表配合，可采用较低电压，例如9V。三、显示仪表水位显示采用灯光电路显示较为方便。每个电接点对应一套灯光显示电路。●氖灯显示仪表●红绿灯显示仪表●发光二极管显示仪表●数字显示1.氖灯显示仪表２.红绿灯光显示仪表与电接点水位测量筒配套的红绿灯光显示仪表包括了与电接点数目相同、电路结构一样的灯光电路。3.发光二极管显示仪表UDZ电接点水位表与19点水位测量筒配套使用实现水位显示。实现的功能：●水位显示；●水位低于－50mm时，或达到及高于十50mm时，仪表面板发光二极管给出报警显示，同时有报警继电器接点信号输出；●实现土200mm水位保护显示，当水位低于－200mm时，或达到及高于十200mm时，仪表面板发光二极管给出保护显示，同时有保护继电器接点信号输出。UDZ电接点水位表中共有19套电路。（1）不带报警、保护的电接点显示电路（共有15套）(2)高水位显示报警电路该电路对应的电接点为DJl3(十50mm)，只有一套。（3）高水位显示保护电路该电路对应的电接点为DJ17(+200mm)，只有一套。（4）低水位显示报警电路该电路对应的电接点为DJ7(一50mm)，只有一套。（5）低水位显示保护电路该电路对应的电接点为DJ3(一200mm)，只有一套。4.数字电接点显示仪表与电接点水位测量筒配套的数字显示仪表不同于一般的工业数字显示仪表。◆水位测量筒输出的是数字信号(电接点状态)，显示仪表中没有A／D转换部件。◆水位测量筒只有19个电接点，因此显示仪表只显示19个水位数字量。DYS—19适用于锅炉汽包水位测量，配套使用19个电接点的水位测量筒。其功能为：（1)显示三位数字和十、－号(显示器件为辉光数字管)；（2)报警±50mm水位报警显示并有接点信号输出；（3)保护±200mm水位保护接点信号输出；（4)输出模拟信号0～10mA(对应一300～十300mm)。（a）状态取样及阻抗转换具体的电路（b）整形电路（c）逻辑判断电路（d）正号逻辑判断电路（e）负号逻辑判断电路（f)译码电路(g)驱动显示电路(h)报警电路（1）+50mm报警电路；（2）-50mm报警电路；（3）报警灯光显示电路(i)保护电路（a）+200mm保护；（b）-200mm保护(j)0～10mA模拟电路输出电路思考：电接点水位计测量水位时有哪些误差来源？电接点(电极式)汽包水位测量装置技术的发展经历三个时期：(1)普通测量筒电接点汽包水位测量装置阶段。20世纪70年代初，普通测量筒(单层测量筒)电极式汽包水位测量装置出现，并立即引起人们关注和得到广泛应用。测量筒内水柱平均温度受诸多因素影响而变化，致使水位测量存在较大的、且变化十分复杂的偏差；同时受当时技术限制，电极存在着易污染、挂水、漏电以及电极组件易泄漏等问题，可靠性不高，维护量大。(2)热套式测量筒电接点汽包水位测量装置的出现。采用了热套式测量筒，使测量筒内水柱温度接近饱和温度，以解决测量偏差大的问题。但是，电极易污染、挂水、漏电等缺陷更为严重，这类仪表在我国某些机组上应用后逐渐被淘汰，最后又被迫将测量筒更换为普通的单层测量筒。水位测量装置仍然处于只能作为汽包监视的辅助仪表，更不能用于保护。(3)电接点汽包水位测量装置技术的新进展。20世纪90年代末期，推出了CＪＴ—2000型高精度、高可靠性的电极式汽包水位测量装置。从此，这类电极式汽包水位测量装置被广泛认为是锅炉不可缺少的仪表，并开始逐步用于锅炉汽包水位保护。ＣＪＴ－2000电极传感器测量筒的原理：１.测量筒水柱温度接近饱和水温，水位测量精度高在测量筒内部设置笼式内加热器，利用饱和汽加热水样。加热器由不同传热元件构成。加热方式有内热和外热。内热既有水柱径向传热元件，又有轴向分层传热元件。加热器上口敞开，来自汽侧取样管的饱和蒸汽进入加热器，像汽笼一样加热水柱。传热方式与结构设计既有利于增加加热面积(加热面积是筒体散热面积的1．4倍)，又有利于热交换。饱和蒸汽在加热器中放出汽化潜热，其凝结水由排水管引至下降管。此外，还设置冷凝器使新型测量筒比普通测量筒高出许多，这是专利产品最重要的外形特征。２.采用柔性自密封电极组件和水质自优化措施提高电极的可靠性电极利用筒内本身压力增加密封紧力，自紧力与压力成正比，压力愈高，自紧力