汽包水位出現(xiàn)“虛假”測量的探討

呂植訓(xùn)，劉軍，王世新，李名慧

（中石化股份有限公司天津分公司煉油部，天津300271）

工業(yè)鍋爐種類繁多，廣泛用于發(fā)電、石油化工、冶金、輕工等諸多工業(yè)領(lǐng)域，其生產(chǎn)過程基本相似，即在汽包內(nèi)將水加熱產(chǎn)生蒸汽，為工業(yè)生產(chǎn)過程提供能源。一般工業(yè)鍋爐的主要控制參數(shù)包括汽包水位、給水質(zhì)量流量、蒸汽質(zhì)量流量、汽包壓力、蒸汽壓力、蒸汽溫度和爐膛溫度等，其中關(guān)系到鍋爐生產(chǎn)運行安全的重要參數(shù)是汽包水位。

以往自控教科書中對鍋爐汽包水位測量出現(xiàn)“虛假”檢測結(jié)果原因的描述存在誤區(qū)。在蒸汽負(fù)荷出現(xiàn)突發(fā)性上升時，水位測量信號也會隨之突然上升，這個現(xiàn)象被解釋為氣泡堆積造成。其實該現(xiàn)象是汽包的動特性所致，并非“虛假”，它真實地反映了汽包這個特殊工業(yè)對象在常規(guī)運行中汽包水位與水汽系統(tǒng)的動特性。筆者根據(jù)工作中積累的經(jīng)驗就此問題做如下討論。

1 鍋爐水位測量原理

現(xiàn)代工業(yè)鍋爐的水位測量一般都采用靜壓檢測方式。在不同的液柱高度下會產(chǎn)生不同的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)大小與液柱高度成正比，此壓強(qiáng)被稱之為液體靜壓力。

由圖1可知，當(dāng)液位發(fā)生變化時，由于p大氣是一個相對恒定的值，當(dāng)遷移p大氣后，則液位Δh與液體靜壓力Δp的變化呈線性關(guān)系，則：

圖1 水位測量原理

由式（3）可知，水位高度的變化量Δh與Δp之間呈線性關(guān)系，即通過測量Δp可計算出水位的確切高度。

利用差壓變送器測量密封容器內(nèi)的水位的原理如圖2所示，以下分析差壓變送器的測量原理。

圖2 利用差壓變送器測量水位示意

差壓變送器正壓側(cè)受力：

差壓變送器負(fù)壓側(cè)受力：

則差壓變送器受力應(yīng)為p＋與p－之差，則：

式（6）為利用靜壓法測量密閉容器內(nèi)液位的基本公式，也就是利用物質(zhì)的密度來進(jìn)行測量。液體靜壓力的傳遞是依靠正負(fù)導(dǎo)壓管的連接來實現(xiàn)的。

2 “虛假水位”產(chǎn)生機(jī)理及影響

2.1 人眼觀察到的現(xiàn)象

鍋爐汽包產(chǎn)生的“虛假水位”現(xiàn)象，一般都是由于蒸汽系統(tǒng)的負(fù)荷突然增大，造成汽包內(nèi)壓力突然減小、蒸發(fā)突然加劇，此時水位會驟然下降。與此同時，飽和蒸汽與溶解于水中的其他氣體也因水面壓力的減小很快地從水中逃逸出來。一部分蒸汽和其他微量氣體，克服了水表面的張力，離開水面直接進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)；而另一部分飽和蒸汽和其他氣體在逃逸時，由于逃逸時間不足（克服水表面的張力需要時間），在水表面形成了氣泡堆積的現(xiàn)象，如圖3所示。這種現(xiàn)象即人們通常說的“虛假水位”，類似給啤酒瓶或汽水瓶突然開蓋減壓時發(fā)生的現(xiàn)象，此時看到的液面要比真實的液面“高”出一些。

圖3 鍋爐汽包“虛假水位”現(xiàn)象示意

2.2 氣泡堆積對液體靜壓的影響

a）只有輸出沒有輸入的有限空間。在圖3中，當(dāng)視圓A為一個只有輸出沒有輸入的有限空間時，從物料平衡的角度來分析在A空間內(nèi)存在的主要變量。很明顯，在A空間內(nèi)存在著一個影響液位的主要變量，即蒸汽質(zhì)量流量qm2。利用質(zhì)量平衡方程，即汽包中介質(zhì)質(zhì)量變化＝原有介質(zhì)質(zhì)量－流出汽包的介質(zhì)質(zhì)量。圖中進(jìn)入A空間的介質(zhì)為零，隨著時間t的延續(xù)，負(fù)荷增大所導(dǎo)致的qm2的增大會導(dǎo)致汽包蒸發(fā)空間增加，汽包壓力降低，汽包內(nèi)出現(xiàn)了水位上升的“虛假”現(xiàn)象，且空間內(nèi)的介質(zhì)會發(fā)生體積膨脹。此時介質(zhì)的密度也會下降，由于沒有新鮮水的及時補(bǔ)充，空間內(nèi)的介質(zhì)被不斷蒸發(fā)，液位高度h將持續(xù)下降。由此得出結(jié)論，在只有輸出沒有輸入的有限空間，由于介質(zhì)的減少，液體靜壓只會下降，不可能上升。

b）有輸出和輸入的有限空間。蒸發(fā)器的實際流程如圖4所示，圓B為一個有輸出、輸入環(huán)節(jié)的有限空間，從物料平衡的角度來分析在B空間內(nèi)存在的主要變量。很明顯，在B空間內(nèi)存在著兩個影響液位高度h變化的主要變量：蒸汽出口質(zhì)量流量qm2和給水質(zhì)量流量qm1。

由圖4可以看出：（在沒有任何人為及自動調(diào)節(jié)的干擾下）當(dāng)qm2突然增加時，汽包內(nèi)的壓力會突然減小。由于qm1在泵出口壓力基本保持恒定，從而導(dǎo)致給水壓力與汽包壓力的壓力差會突然增大，這時會有大量的新鮮除氧水涌入汽包內(nèi)（由于液體是不可壓縮的），同時由于汽包壓力下降導(dǎo)致飽和溫度降低，液面下的水發(fā)生汽化，使液面下的汽水混合體體積增大，造成了水位的上升。隨時間t的延續(xù)，汽包內(nèi)的汽體蒸發(fā)空間會減小，在蒸汽流出阻力相對恒定的情況下，汽包內(nèi)的蒸發(fā)空間減小，壓力將較快回升，涌入汽包內(nèi)的新鮮除氧水也隨之減少。由于進(jìn)水量的逐漸減少，蒸汽輸出卻沒有改變，于是水位高度便出現(xiàn)了回落的現(xiàn)象。在沒有人為擾動（或自動調(diào)節(jié)的情況下）汽包內(nèi)的水位總體將呈現(xiàn)短時間內(nèi)上升，然后持續(xù)下降的現(xiàn)象，這就是人們通常測量到的結(jié)果。

因為汽包內(nèi)液體的靜壓力與液位的高低成正比，所以得出結(jié)論：在圓B內(nèi)的液體靜壓會出現(xiàn)短時間內(nèi)突然增大，然后持續(xù)減小的現(xiàn)象。

c）鍋爐汽包水位動態(tài)特性。鍋爐汽包的假水位現(xiàn)象主要涉及汽包實際水位、qm2和qm1這三個主要變量，根據(jù)目前國內(nèi)對鍋爐汽包水位動態(tài)特性和模型的研究［1－3］，建立蒸汽鍋爐的質(zhì)量平衡方程，即：進(jìn)汽包的介質(zhì)質(zhì)量－出汽包的介質(zhì)質(zhì)量＝汽包中介質(zhì)質(zhì)量的變化，并由此建立汽包水位的動態(tài)特性方程：

式中：h—汽包水位高度；qm1—進(jìn)入汽包的給水質(zhì)量流量；qm2—流出汽包的蒸汽質(zhì)量流量；A—汽水分界面的面積；ρ1—汽包內(nèi)飽和水的密度；ρ2—汽包內(nèi)飽和蒸汽的密度；p—汽包內(nèi)壓力；V1—汽包液面下飽和水的體積；V2—汽包內(nèi)液面上的飽和蒸汽的體積（VS）與汽包液面下的蒸汽體積（VX）之和，即汽包中蒸汽的總體積V2＝VS＋VX。

圖4 蒸發(fā)器的實際流程示意

該模型假設(shè)汽包體積由VS和VX組成，且液面下只有飽和水和蒸汽（即暫不考慮或忽略高溫狀態(tài)下飽和水中含有極微量其他氣體對汽包水位的影響），即汽包系統(tǒng)總體積V＝V1＋V2＝V1＋（VS＋VX），密度ρ1和ρ2隨汽包內(nèi)壓力的變化而變化。

綜上分析，式（7）中第一項反映了由于進(jìn)出汽包介質(zhì)質(zhì)量（物料）不平衡所導(dǎo)致的汽包液位變化；第二項反映了由于壓力變化引起的飽和水與飽和蒸汽體積變化所導(dǎo)致的汽包液位變化；第三項反映了汽包液位下蒸汽體積變化所導(dǎo)致的汽包內(nèi)液體體積變化。通過該模型可以判斷出汽包液位的變化與進(jìn)出介質(zhì)質(zhì)量差為同向變化，與汽包壓力變化為反向。

由于蒸汽系統(tǒng)（如汽輪機(jī)）負(fù)荷增大，引起鍋爐流出蒸汽量增大，此時汽液平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致汽包壓力下降，鍋爐給水量未進(jìn)行調(diào)整，如式（7）中第一項qm1－qm2＜0，進(jìn)出介質(zhì)質(zhì)量差由零減小為負(fù)值，這時將導(dǎo)致汽包液位下降。同時，由于汽包壓力下降會導(dǎo)致飽和溫度降低，液面下的水發(fā)生激烈汽化，使液面下的汽水混合體體積增大（即一定質(zhì)量的水汽化后變成相同質(zhì)量的蒸汽后體積變大），如式（7）中第三項dVX／Adt引起水位上升，并形成液面氣泡堆積的現(xiàn)象，正是兩種相反力量的共同作用決定了汽包液位的實際變化方向是先上升后下降（如對圖3的分析）。

由于蒸汽系統(tǒng)（如汽輪機(jī)）負(fù)荷增大，引起鍋爐流出蒸汽量增大，此時汽液平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致汽包壓力下降。由于鍋爐給水壓力基本恒定，在一段時間內(nèi)進(jìn)出介質(zhì)質(zhì)量差由零增加為正值，如式（7）中qm1－qm2＞0，在這段時間內(nèi)將有大量的新鮮水涌入汽包；同時，由于汽包壓力下降會導(dǎo)致飽和溫度降低，液面下的水發(fā)生激烈汽化，使液面下的汽水混合體體積增大（即一定質(zhì)量的水，汽化后變成相同質(zhì)量的蒸汽后體積變大，體積增大的量為式（7）中第二項與第三項的和），引起水位上升；同時形成液面氣泡堆積的現(xiàn)象。正是三種力量的共同作用決定了汽包液位的實際變化方向是先上升后下降（如對圖4的分析）。

由此，可以得出以下結(jié)論：汽包液位的變化是由以上三種力量共同作用導(dǎo)致的結(jié)果，水位變化有真實的質(zhì)量變化，即涌入汽包內(nèi)的新鮮水，也有虛假的非質(zhì)量變化，即水的膨脹及氣泡堆積。

2.3 氣泡堆積對靜壓式測量儀表的影響

從表面上看，測量波動產(chǎn)生的原因是大量的氣泡堆積后又逐漸消失所致，時間上似乎也合理，堆積的氣泡對靜壓式測量儀表是否會產(chǎn)生實質(zhì)性影響，通過以下分析將得出結(jié)論。

在有限空間內(nèi)，液體h與qm1及qm2之間的連續(xù)方程式：

式（8）表述了在有限空間內(nèi)液體儲存質(zhì)量（h為液位高度）與qm1及qm2之間的關(guān)系。若t→∞，當(dāng)qm1＞qm2時，h將上升，有限空間內(nèi)液體儲存質(zhì)量將增加；當(dāng)qm1＜qm2時，h將下降，有限空間內(nèi)液體儲存的質(zhì)量將減少。

a）從質(zhì)量上考慮，堆積在水面上的汽泡體積雖然很大，但質(zhì)量很輕，其質(zhì)量與汽包內(nèi)水的質(zhì)量相比微不足道。

b）這些汽泡的生成源于汽包中的水，而不是外來物質(zhì)產(chǎn)生的，根據(jù)物質(zhì)不滅定律，汽包中水的質(zhì)量由于被大量蒸發(fā)而只會減小，不可能增加。

c）在有限空間內(nèi)由于汽水混合導(dǎo)致液體體積膨脹，發(fā)生液位上升，一定會導(dǎo)致該液體的密度同時做指數(shù)下降。

結(jié)論：因為常規(guī)使用的靜壓式檢測儀表利用液體靜力學(xué)的原理進(jìn)行液位檢測，所以檢測值的上升與物質(zhì)體積的膨脹及氣泡堆積無關(guān)。

在非常規(guī)情況下，筆者就蒸汽負(fù)荷突增對靜壓式液位測量儀表的影響進(jìn)行了數(shù)次實驗：

試驗1：在汽包水位穩(wěn)定在50%時，將水位調(diào)節(jié)閥暫時關(guān)閉，將蒸汽體積流量由45%突變到50%，觀察玻璃板水位計及儀表的檢測情況。汽包壓力從3.5MPa瞬間跌至3.2MPa，汽包中的水位持續(xù)下降，經(jīng)20s左右，水位從50%下降至35%左右。對照玻璃板水位計，水位測量儀表檢測準(zhǔn)確無誤沒有發(fā)生振蕩現(xiàn)象。當(dāng)打開上水調(diào)節(jié)閥時，水位測量出現(xiàn)了突然上升反彈約5%～8%，與玻璃板水位計的反應(yīng)相一致。

試驗2：將水位調(diào)節(jié)閥放在手動位置，使其保持相對恒定的開度，汽包水位穩(wěn)定在50%，當(dāng)蒸汽體積流量由45%突變到50%，觀察玻璃板水位計及儀表的檢測情況。汽包壓力仍從3.5MPa瞬間跌至3.2MPa左右，qm1和汽包中的水位幾乎同時發(fā)生向上的波動，qm1變化6%～10%，汽包中的水位從50%突變到52%～56%，持續(xù)時間為7～15s，然后雙雙持續(xù)下降，經(jīng)數(shù)秒之后qm1回到原來的數(shù)值左右，又經(jīng)60s左右水位持續(xù)下降至35%左右，對照玻璃板水位計，水位測量儀表準(zhǔn)確無誤，沒有發(fā)生檢測失誤的現(xiàn)象。

通過對兩種環(huán)境（圖3，圖4）實驗過程的觀察及數(shù)據(jù)的分析，汽包中出現(xiàn)氣泡堆積——即“虛假水位”現(xiàn)象后，不會導(dǎo)致靜壓式測量儀表出現(xiàn)測量失誤，檢測結(jié)果真實可靠，也與理論趨勢相吻合。

2.4 實際液位上升的原因分析

在鍋爐正常運行中，蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷突增會導(dǎo)致汽包中的壓力突然下降。由于給水泵的出口壓力是恒定的，給水壓力與汽包壓力的差值比正常調(diào)節(jié)時大，造成單位時間內(nèi)進(jìn)入汽包水的質(zhì)量比蒸發(fā)掉的水的質(zhì)量要大得多，因而出現(xiàn)了短時間內(nèi)實際水位不但沒有下降反而上升的現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由給水壓力與汽包壓力的壓差增加和鍋爐蒸汽及給水系統(tǒng)的自衡特性所致，但持續(xù)時間較短，一般1～20s就基本結(jié)束了（視蒸汽負(fù)荷突變的幅度而定）。這個短時上升的測量趨勢，反映了汽包水位（質(zhì)量）正常的變化，儀表的測量趨勢是準(zhǔn)確無誤的，不存在“虛假”測量問題。

3 結(jié) 論

當(dāng)鍋爐正常運行時，蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷突然增加，汽包內(nèi)的水位測量值（采用靜壓式測量）首先出現(xiàn)短時間內(nèi)快速上升是因為短時間內(nèi)涌入汽包內(nèi)的大量新鮮水造成的；繼而很快持續(xù)下降（在沒有人為擾動或自動調(diào)節(jié)的情況下），是由于汽包壓力恢復(fù)后，阻礙了新鮮水的繼續(xù)涌入。這一檢測結(jié)果不是液體膨脹及氣泡堆積造成的，也不存在“虛假”測量的問題，而是真實地反映了汽包在正常運行中其水位與水汽系統(tǒng)的動特性，測量結(jié)果是準(zhǔn)確無誤的。

［1］ 陳鴻偉，林阿彪，方月蘭，等.鍋爐汽包水位動態(tài)特性分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2008，24（02）：21－22.

［2］ 劉鑫屏，田亮，劉吉臻.鍋爐汽包虛假水位特性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（32）：44－48.

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