冶金锅炉常用汽包液位计类型及应用

李艳利 杜华伟 何瑞凤

作者通联：河南豫光金铅股份有限公司动力设备部 河南济源市荆梁南街1号 454650

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锅炉汽包液位计是锅炉的重要附属设备，汽包液位过高会直接影响汽水分离效果，容易造成过热器和汽轮机通流部分结垢，引起过热器爆管，机组热效率降低。因锅炉里的水在高温时汽化，水和汽损耗较大，要不断地补充水，才能使锅炉的水位保持一定高度，当水位高到一定程度，蒸汽就会带水，可能引起破坏性事故。水位过低，锅炉有爆炸的危险。汽包液位计在实际运行中存在诸多因素，属于仪表中比较难处理的一类。

1.双室平衡容器

（1）简介。双室平衡容器是中、高压锅炉常用的差压式液位计，一般资料均有简要介绍及分析，但由于双室平衡容器对应用技术要求相对较高，很多人仍无法正常使用双室平衡容器，甚至将双室改单室使用，造成资源浪费。

目前双室平衡容器仍以其无法比拟的准确性和良好的适应性，在中、高压锅炉水位控制中，仍作为首选的水位输入信号。对此，在《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第8.3条中就明确规定：对于过热器出口压力为13.5MPa及以上的锅炉，其汽包水位计应以差压式(带压力修正回路)水位计为基准。汽包水位信号应采用三选中值的方式进行优选。

（2）双室平衡容器特性。双室平衡容器是内部结构复杂、具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置，结构见图1所示。在基准杯上方的圆环形漏斗结构，将整个双室平衡容器分隔成上下两个部分，故称为双室平衡容器。

参照图1，在理想状态下，来自汽包的饱和水蒸汽经过凝汽室时释放掉汽化潜热，形成饱和的凝结水供给基准杯及后续环节使用。基准杯的作用是收集来自凝汽室的凝结水，并将凝结水产生的压力导出容器，传向差压测量仪表（差压变送器，简称变送器）的正压侧。基准杯的容积有限，当凝结水充满后则溢出流向溢流室。由于基准杯的杯口高度固定，故而称为基准杯。

图1

溢流室占据了容器的大部分空间，主要功能是收集基准杯溢出的凝结水，并将凝结水排入锅炉下降管，在流动过程中为整个容器进行加热和蓄热，确保与汽包中的温度达到一致。正常情况下，由于锅炉下降管中流体的动力作用，溢流室中基本上没有积水或只有少量积水。

倒T字形连通器，其水平部分一端接汽包，另一端接入变送器的负压侧，作用是将汽包中动态水位产生的压力，传递给变送器的负压侧，与正压侧的（基准）压力比较，以得知汽包中的水位。之所以被做成倒T字形，是因为可以保证连通器中的介质具有一定的流动性，防止其延伸到汽包之间的管线冬季冻结。连通器内部介质温度与汽包中的温度很可能不一致，致使其中的液位与汽包中不同，但由于流体的自平衡作用，对汽包水位测量没有任何影响。

（3）双室平衡容器的补偿特性。汽包水位测量补偿方法通常有两种，一种是压力补偿，另一种是温度补偿。两种方法但略有区别，温度补偿可以从0℃开始（也可以从100℃开始），而压力补偿只能从100℃开始。这是因为温度可以一一对应饱和密度以及100℃以下时的非饱和密度，而压力却只能一一对应饱和密度，即最低压力0时，只能对应100℃时的饱和密度，故两种方法构成的补偿系统，各自对应的补偿起始点不同，即差压变送器量程有所不同。

从容器的特性中可以看到，双室平衡容器不能完全满足生产的需要，原因是由于介质密度的变化所造成的。因此必须采取措施，进一步消除密度变化对汽包水位测量的影响，这种用来消除密度变化带来影响的措施就叫做补偿。

（4）双室容器保温问题。为了使容器达到理想工作状态，容器的外部必须做适当保温。关于容器的凝汽室及顶部的保温问题目前有些争议，部分用户认为这里的保温可有可无，还有可能造成冷凝效果不好。但通过多年观察发现，一般汽包均处于最顶层，特别是北方，冬季极容易上冻并出现假水位，即使不冻，由仪表显示的汽包水位，冬季会比夏季低8～12mm。分析原因，是因为一般情况下凝汽室的温度都要比环境高280～320℃，甚至更高，因此其热辐射能力很强。当凝汽室外部没有保温或保温条件比较差时，尽管凝结水的速度会加快并导致更多的饱和水蒸汽流到凝汽室并补充凝汽室的热量，但由于凝汽室里的介质处于自然对流状态且受到管路阻力的制约，使补充的热量难以维持凝汽室的温度，进而影响了测量的准确性。

对于额定工作压力为16MPa的锅炉而言，如果仪表冬季显示的汽包水位比真实水位低8～12mm，将意味着容器内部的温度比饱和温度低7℃。所以，为确保汽包水位测量的准确性，凝汽室必须加以适当保温。但夏天务必将保温取消，否则极易造成汽室冷凝水不够，引起误差。

（5）双室平衡容器差压式液位测量方式的缺陷。①不能实施全工况测量，存在假水位测量，在锅炉启停、排空、连排、事故等不稳定运行工况下，建立稳定差压条件时间较长、恢复时间较长或干脆不能建立正常差压，需要人工干预。②在稳定工况条件下，由于结构限制，不能彻底解决因水侧绝温造成的系统测量误差的补偿问题。在锅炉缺、满水等事故工况条件下，系统测量误差过大可能带来严重后果。③结构复杂，静密封点多，施工规模大并存在冬季保温问题。④测量时滞较长，不能即时反应锅炉水位变化，测量信号调节质量差。⑤仪表需要定期排污，且排污后恢复时间较长。由于仪表工作在高静压、小量程的条件下，所以负压管的微小不平衡压差均会对测量结果产生较大的误差。⑥由于存在冷凝筒放热，使用成本极高。

2.双色液位计

（1）双色液位计，主要用于锅炉设备现场液位测量与控制。选用优质不锈钢及进口电子元件制造，显示部位采用高亮度LED双色发光管，组成柱状显示屏，通过LED光柱的红绿变化来检测所测液位的高低；显示亮度高，可视距离远，标尺清晰，显示角度大，产品更具系列化，智能化。全过程测量防雨防雷，防腐防爆，可耐高温、高压，高密封、防泄漏、无盲区，显示醒目，读数直观，且测量范围磊，适用于各种塔、罐、槽球形容器及锅炉等设备的介质液位测量。选配限位开关，可实现液位上、下限报警和控制；选 配液位变送器，可将液位信号转换成直流4～20mA模拟未准信号，实现远距离检测、指示、记录与控制，亦可与计算机系统直接通信。

（2）双色液位计原理该类型的仪表都有一个容纳浮球的腔体（称为主体管或外壳），腔体通过法兰或其他接口与容器组成一个连通器。仪表腔体内的液面与容器内的液面是相同的高度，所以腔体内的浮球会随着容器内液面的升降而升降，此时并不能看到液位，所以在腔体外面装一个翻柱显示器，因为制造浮球时，在浮球沉入液体与浮出部分的交界处安装了磁钢，与浮球随液面升降时，其磁性透过外壳传递给翻柱显示器，推动磁翻柱翻转180°。由于磁翻柱是由红、白两个半圆柱合成的圆柱体，所以翻转180°后，朝向翻柱显示器外的会改变颜色（液面以下红色、以上白色），两色交界处即是液面的高度。

（3）为扩大使用范围，可根据相关标准及要求增加液位变送装置，以输出多种电信号（如电阻信号、电压信号或电流信号）。其中4～20mA电流信号是比较常用的一种。比如在监测液位的同时，磁控开关信号可用于对液位进行控制或报警；在翻柱液位计的基础上增加 4～20mA变送传感器，在现场监测液位的同时，将液位的变化通过变送传感器、线缆及仪表传到控制室，实现远程监测和控制。

（4）安装方式。垂直安装，跟随速度≤0.08m/s，浮子材料可选304、PTFE/304外村PTFE、铝、钛LED显示器，可选低亮型，高亮型，雾状散光型三种，主导管材料可选304、1Cr18Ni9Ti、316L、304内衬 PTFE、钛、PP 或 PTFE（聚四氟乙烯），可根据不同使用地点斟酌。

（5）双色液位计可结合工业电视辅助。设计简单、紧凑、坚固可靠寿命长。无维护工作量，能长年在户内外安装使用。远传一体化结构，使工业自动化管理变得轻松方便。电子发光双色显示，适宜在光线暗的场所中应用，夜间观察更醒目。目前有厂家采用独特的进口雾状散光型LED发光管，显示效果穿透性强、清晰不刺眼，供工业摄像头远程清晰监控。还可选配直流4～20mA液位变送器，实现远距离集中测量与控制。

（6）缺点。工业电视辅助测量系统是由石英管液位计、摄像头和显示器组成，其本身就需要人工参与及受现场环境影响（如反吹）等。锅炉运行时看不见真实液位，所见的液位一定是假液位。这是为防止石英体受气蚀而采取的降温措施造成的内外容器液体密度差形成的，误差达可视结果的25%。

3.彩色石英管液位计（以下简称彩色液位计）

彩色液位计是利用自然光在液体中的折、反射原理，测量时借助红、绿片，使液相显示绿色，气相显示为红色。由于液气相显示反差大，指示鲜明清晰，所以对远距离操作和夜巡视更为有利。如果带LED光源则显示会更清晰，因此广泛用于石油、化工、电力、冶金等行业的各种透明液体容器和锅炉上，如水、汽油、液化气、液氨、丙烷、丙烯、芳烃、酸等油品和化工原料的液位测量。

对于两种不同介质密度的界面测量，可选用三色界面石英管液位计。三色界面石英管液位计是利用浮力与比重差的原理而设计的，石英管中的小浮子悬浮于两种介质的分界部分，由于浮子呈黑色，上下部分液体颜色有异，所以显示醒目，从而解决了一直困扰在石油化工生产过程中两种混合介质界面分辨不清的难题，是目前国内外最理想的直读式液位计。

根据《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第156条规定，锅炉远程控制水位计必须有两个独立的同时运行中必须保证一个直读水位计正常工作。可见直读式水位计在汽包液位中占据相当重要的位置。

UGS（UNS）系列彩色石英管液位计，它成功地克服了普通板式液位计笨重、密封面积大、易渗漏、显示不清晰、近距离不易判断的缺点。液、气相显示清晰、无盲区、密封性能好、耐高温耐高压、防黏稠、重量轻、寿命长且无泄漏。结构简单，安装维护方便，无需电源、防爆。材料是特制的99.99%SiO2透明石英管，变形点在1077℃，软化点1730℃，膨胀系统数5.5×10-7。经特殊工艺处理后具有耐高温、高压和优良的机械特性。

因汽包压力或水温过高或水质问题，对石英管有一定腐蚀性，另外石英管液位计制作厂家较多，质量不一，根据多年经验，石英管液位计会出现石英管爆裂，使用一定时间后石英管模糊不清的问题。

4.云母水位计

云母水位计是玻璃水位计的一种，属于直读式液位计。因云母是晶体结构的，所以其受热很均匀，不容易损坏。云母水位计直接与汽包连通，不需要媒介和传递，可直观可靠地指示汽包水位。启动初期应以云母水位计和电接点水位计为准，控制汽包水位。电接点水位计是根据汽和水导电率不同的原理测量水位，指示值不受汽包压力变化影响。而其他水位计，如差压型低置水位计，由“水位、差压”转换装置等组成，转换装置包括热套管、正压室、漏斗传压管等，在启动初期由于正压室还未充满饱和水时，就不能正确反应汽包内水位。

（1）工作原理。玻璃液位的上端通过阀门与被测容器中的气相连接，下端经阀门与被测容器中液相连接。按照连通器液柱静压平衡的原理，只要被测容器内和玻璃管内液体的温度相同，两边的液柱高度必然相等。若两侧介质温度不同，可按式（1）进行修正。

式中 H—容器内液位高度

h—液位计读数

p＇—液位计中介质在温度t＇时的密度

p—容器中介质在温度t时的密度

（2）云母水位计的使用。玻璃管(板)一旦被打碎时，为保证上、下阀内的小钢球能自动密封，要求介质压力必须＞2×105Pa。液位计投入使用时，先开启连接液位计上端的阀门，后开启连接液相的阀门。当设备停止运行时，要先停止液位计的使用。定期清洗玻璃管(板)内外壁污垢.使液位显示清晰。用根据被测介质的压力和温度合理选用液位计，不得把低压产品用在高压设备上。当以液位指示值来计算大容器内的介质数量时，应考虑到介质温度，压力等影响及容器形状不规则而引起的误差。

云母水位计结构简单、使用方便、价格便宜，可以自制，在液位测量中得到广泛应用。缺点是玻璃强度低，液位信号不能远传和记录，而且不适用于黏稠及深色介质的液位测量。

5.电接点水位计

电接点液位计由多个电极按不同高度排列构成，当水位达到（或低于）某个电极时，电极间的导电率发生改变，从而检出水位是否达到这个电极所在的位置。多个电极组合就构成电接点液位计，特点是逐点指示液位，各点互不关联，坏掉几个点不影响其他点的显示，可靠性极高。所以在显示、报警、联锁保护回路中经常用到，在大型锅炉中是必备设备。

缺点是分段显示，没有精度可言，损坏率极高，由于电极在水中腐蚀或结垢，一般半年左右就必须更换。存在假水位和误报警的现象，锅炉中的水经常处于翻滚状态，水汽混合物对电接点式水位计形成误显示和误报警现象。密封点多、导线多，维护工作量大。这些缺点都是其测量原理本身存在的先天不足，无法改进，不适宜做液位调节系统。