昌暉儀表以實踐為基礎，剖析了雙室平衡容器工作原理與特性。重點論述了汽包水位補償系統的建立方法與步驟，同時指出了雙室平衡容器應用中的常見錯誤并提出了解決方案。
1、雙室平衡容器概述
汽包水位是鍋爐及其控制系統中最重要的參數之一，雙室平衡容器在其中充當著不可或缺的重要角色。但是由于一些用戶對于雙室平衡容器及其測量補等方面缺少全面的必要的了解或者疏漏，致使應用中時有錯誤發生，甚至形成安全隱患。例如勝利油田勝利發電廠一期工程，該工程投入運行早期其汽包水位測量系統的誤差竟達70-90mm，特殊情況下誤差將會更大(曾因此造成汽包滿水停機事故)。迄今為止，據不完全了解，目前仍有個別用戶存在一些類似的問題或者其它問題。汽包水位是涉及機組安全與和運行的重要參數和指標，因此不允許任何人為的誤差。為使用戶能夠更好地掌握雙室平衡容器在汽包水位測量中的應用，謹撰此文。不足之處，請不吝指正。
2、雙室平衡容器工作原理
雙室平衡容器是一種結構巧妙，具有一定自我補償能力的汽包水位測量裝置。它的主要結構如圖1所示。在基準杯的上方有一個圓環形漏斗結構將整個雙室平衡容器分隔成上下兩個部分，為了區別于單室平衡容器，故稱為雙室平衡容器。為便于介紹，這里結合各主要部分的功能特點，將它們分別命名為凝汽室、基準杯、溢流室和連通器，另外文中把雙室平衡容器汽包水位測量裝置簡稱為容器。
圖1 雙室平衡容器結構示意圖
①凝汽室
理想狀態下，來自汽包的飽和水蒸汽經過這里時釋放掉汽化潛熱，形成飽和的凝結水供給基準杯及后續環節使用。
②基準杯
它的作用是收集來自凝汽室的凝結水，并將凝結水產生的壓力導出容器，傳向差壓測量儀表-差壓變送器的正壓側。基準杯的容積是有限的，當凝結水充滿后則溢出流向溢流室。由于基準杯的杯口高度是固定的，故而稱為基準杯。
③溢流室
溢流室占據了容器的大部分空間，它的主要功能是收集基準杯溢出的凝結水，并將凝結水排入鍋爐下降管，在流動過程中為整個容器進行加熱和蓄熱，確保與汽包中的溫度達到一致。正常情況下，由于鍋爐下降管中流體的動力作用，溢流室中基本上沒有積水或少量的積水。
④連通器
倒T字形連通器，其水平部分一端接入汽包，另一端接入差壓變送器的負壓側。毋庸置疑，它的主要作用是將汽包中動態的水位產生的壓力傳遞給差壓變送器的負壓側，與正壓側的(基準)壓力比較以得知汽包中的水位。它之所以被做成倒T字形，是因為可以保證連通器中的介質具有一定的流動性，防止其延伸到汽包之間的管線冬季發生凍結。連通器內部介質的溫度與汽包中的溫度很可能不一致，致使其中的液位與汽包中不同，但是由于流體的自平衡作用，對使汽包水位測量沒有任何影響。
⑤差壓的計算
通過前面的介紹可以知道，凝汽室、基準杯及其底部位于容器內部的導壓管中的介質溫度與汽包中的介質溫度是相等的，即ρ1=ρ2，ρ3=ρ4。故而不難得到容器所輸出的差壓。本文以東方鍋爐廠DG670-13.73-8A型鍋爐所采用的測量范圍為±300mm雙室平衡容器為例加以介紹(如圖2所示)。
圖2 東方鍋爐廠DG670-13.73-8A型鍋爐所采用雙室平衡容器
a、通過圖2可知，容器正壓側輸出的壓力等于基準杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準杯口至L形導壓管的水平軸線之間這段垂直區間的凝結水壓力，再加上L形導壓管的水平軸線至連通器水平軸線之間，位于容器的外部的這段垂直管段中的介質產生的壓力。顯而易見，其中的最后部分壓力，由于其中的介質為靜止的且距容器較遠，因此其中的介質密度應為環境溫度下的密度。因此
P+=PJ+320×ρ3+(580-320)×ρ0 ，公式中“P+”為容器正壓側輸出的壓力，“ρ3”汽包中飽和水密度(ρ3=ρ4)，“ρ0”為環境溫度下水的密度，“PJ”為基準杯口以上總的靜壓力。
b、通過圖2可知，容器負壓側的壓力等于基準杯口所在水平面以上總的靜壓力，加上基準杯口水平面至汽包中汽水分界面之間的飽和水蒸汽產生的壓力，再加上汽包中汽水分界面至連通器水平軸線之間飽和水產生的壓力，即P-=PJ+(580-Hw)×ρ1+Hw×ρ3
式中“P-”為容器負壓側輸出的壓力，“Hw”為汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度，“ρ1”汽包中飽和蒸汽密度(ρ2=ρ1)，“ρ3”為汽包中飽和水的密度(ρ3=ρ4)，“ρ0”為環境溫度下水的密度
因此差壓ΔP=P+P－=320×ρ1+260×ρ0－(580－Hw)×ρ1－Hw×ρ3，經推導得：
ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw，公式中“ρ0”為環境溫度下水的密度，“ρ1”為汽包飽和蒸汽密度(ρ2=ρ1)，“ρ3”為汽包中飽和水密度(ρ3=ρ4)，“Hw”為汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度。
這里有一點需要說明：
公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，環境溫度下水的密度ρ0通常情況下它會隨著季節的變化而變化，它的變化將會影響汽包水位測量的準確性。就本例中的容器而言，當環境溫度由25℃升高到50℃時，由于密度的變化對于差壓產生的影響為－2.3mm水柱，經過補償系統補償后對最終得到的汽包水位的影響將為+2.3～5.5mm之間。通常情況下這樣的誤差是可以忽略的，也就是說可以認為這里的溫度是恒定的。但是為了盡量減小誤差，必須恰當地確定這里的溫度。確定溫度可以遵循這樣一條原則，就高不就低，視當地氣候及冬季伴熱等因素確定。比如此處的環境溫度一年當中通常在0-50℃之間變化，平均溫度為25℃，則可以令這里的溫度為35℃。這是因為水的密度隨著溫度升高它的變化梯度越來越大，確定的溫度高些，將會使環境溫度變化對整個系統的影響更小。就本例中的容器而言，當溫度從0℃升高到25℃時，溫度的變化對測量系統的最終結果影響只有1mm左右，而環境溫度從25℃升高到50℃所帶來的影響卻為+2.3～5.5mm之間。故而，確定溫度應就高不就低。
3、雙室平衡容器的工作特性
雙室平衡容器的工作特性對于汽包水位測量和補償系統來說非常重要，了解這種特性利于用戶的應用和掌握應用中的技巧。查《飽和水與飽和水蒸汽密度表》可以獲得各種壓力下飽和水與飽和水蒸汽的密度。把0mm、±50mm、±100mm等汽包水位分別代入公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，可得到雙室平衡容器輸出的一系列差壓，見下表1《雙室平衡容器固有補償特性參照表》。通過表1可以得知雙室平衡容器的工作特性。
表1 雙室平衡容器固有補償特性參照表
從表1中可以看到，各水位所對應的由容器所輸出的差壓隨著壓力的變化(相關飽和汽、水密度)各自發生著不同的變化。這里首先注意0水位所對應的差壓，它的變化規律較其它水位有明顯不同，只在一個較小的范圍內波動。由于該容器的設計壓力為13.73MPa，因此14.5MPa以下它的波動范圍更小，僅在±5mm水柱以內。也就是說當汽包中的水位為0水位時，無論壓力如何變化，即使在沒有補償系統的情況下，對0水位測量影響都極小或者基本沒有影響。關于其它水位，則當汽包水位越接近于0水位，其對應的差壓受壓力的變化影響越小，反之則大。
因此，雙室平衡容器是一種具有一定的自我補償能力的汽包水位測量裝置。它的這種能力主要體現在，當汽包中的水位越接近于0水位，其輸出的差壓受壓力變化的影響越小，即對汽包水位測量的影響越小。毫無疑問，容器特性由于容器的自身結構決定的，故又稱為固有補償特性。表1中，0MPa對應兩行差壓值，其原因后文將會提到。之所以雙室平衡容器會有這種特性，其實質是由于雙室平衡容器在設計制造時采取了特殊的結構，這種結構最大限度地削弱了汽水密度變化對常規運行水位差壓的影響。但是盡管如此，它并不能完全滿足生產的需要，仍然需要繼續補償。
4、補償系統
①基礎知識與基本概念
從容器的特性中可以看到，雙室平衡容器不能完全滿足生產的需要。究其原因，是由于介質密度的變化所造成的。因此，必須要采取一定的措施，進一步消除密度變化對汽包水位測量的影響。這種被用來消除密度變化帶來的影響的措施就叫做補償。通過補償以準確地測定汽包中的水位。
汽包水位測量補償的方法通常有兩種，一種是壓力補償，另一種是溫度補償，無論采取哪種方法補償效果都一樣。但是它們之間略有區別，即溫度補償可以從0℃開始，而壓力補償只能從100℃開始。這是因為溫度可以一一對應飽和密度以及100℃以下時的非飽和密度，而壓力卻只能一一對應飽和密度，即最低壓力0MPa只能對應100℃時的飽和密度。故而由這兩種方法構成的補償系統各自對應的補償起始點有所不同，即差壓變送器量程有所不同。表1中0MPa對應兩行差壓值，其原因即在于此；其中上一行對應的是溫度補償，下一行對應壓力補償。很顯然，溫度補償也可以從100℃開始。
②建立補償系統的步驟
第一步：確定雙室平衡容器的0水位位置
容器的0水位的位置一般情況下比較容易確定，通過查閱鍋爐制造廠家有關汽包(學名鍋筒)及附件方面的圖紙和資料，進行比較和計算即可獲得。文中例舉的容器0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm處，即基準杯口水所在的平面下方215mm處。但是，偶爾由于圖紙的疏漏缺少與確定0水位相關的數據，無法計算出0水位的位置，那么確定起來就比較復雜。如圖1中就缺少數據。這種情況下就只有根據容器的自我補償特性在0水位所體現的特點通過反復驗算來獲得。由于容器本身就是用這樣的方法經反復驗算而設計制造的，只要驗算的方法正確通過驗算得到的數據會很準確可靠，當然這只限于圖紙不詳的情況下。由于限于篇幅，這里只提供思路，具體的驗算的方法本文不予介紹。對此感興趣的讀者可以試一試。
第二步 確定汽包水位測量差壓變送器的量程
差壓變送器的量程是由汽包水位的測量范圍、容器的0水位位置以及補償系統的補償起始點等三方面因素決定的。一些用戶一般只考慮了前兩方面因素，而忽略了補償起始點因素，甚至極個別的用戶只簡單地根據汽包水位的測量范圍確定變送器的量程，造成很大的測量誤差。一般情況下，忽略容器的0水位位置所造成的誤差在70-90mm之間，忽略補償起始點所產生的誤差在30mm以下，特別情況下誤差都將會更大。此外，這里特別提醒用戶，在進行汽包水位測量工作時，關于汽包水位測量差壓變送器的量程，在沒有得到確認的情況下，切不可單純依賴設計部門的圖紙。事實上，多數情況下，設計部門在進行此類設計，對差壓變送器選型時，只確定基本量程，而不給出應用量程。
如何確定汽包水位差壓變送器量程
本文的例子中容器的0水位位置位于連通器水平管軸線以上365mm處。由于該容器的量程為±300mm，因此公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中的Hw的最大值和最小值分別為665mm和65mm。如果采用壓力補償，從《飽和水與飽和水蒸汽密度表》中查出100℃時的飽和水與飽和水蒸汽的密度代入公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，再分別將665mm和65mm代入公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw中，即得最小差壓ΔPmin=-70.5mm水柱和最大差壓ΔPmax=504mm水柱。
這兩個差壓值就是差壓變送器的量程范圍(見表1中0MPa對應的下行)，即-70.5～504mm水柱。如果采用溫度補償，且從0℃開始補償，則由于水的密度極其接近1mg/mm3，誤差可以忽略，令蒸汽的密度為0。用同樣方法即可得到差壓變送器的量程為-85～515mm水柱(見表1中0MPa對應的上行)。實際上，從0℃開始補償是完全沒有必要的，其原因這里不再累述。
第三部 確定數學模型
數學模型是補償系統中的最重要環節。
由公式ΔP=260×ρ0+320×ρ3-580×ρ1-(ρ3-ρ1)×Hw得Hw=(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)
由于相對于規定的0水位的汽包水位H=Hw-365mm，所以Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365
在公式Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365中“ρ0”為環境溫度下水的密度，“ρ1”為汽包飽和蒸汽密度(ρ2=ρ1)，“ρ3”為汽包中飽和水密度(ρ3=ρ4)，“Hw”為汽水分界線至連通器水平管中心線之間的垂直高度，ΔP為差壓。
公式Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365即為補償系統的數學模型，公式中ρ0為常數，若令環境溫度為30℃，則ρ0=0.9956mg/mm3，所以Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365為最終數學模型，顯然Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365與Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365的作用完全一樣，在補償系統中可任選其一。
第四步 確定函數、完成系統
在Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365與Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365公式中含都有“320×ρ3-580×ρ1”和“ρ3－ρ3”關于飽和水與飽和水蒸汽密度的兩個子式。查《飽和水與飽和水蒸汽密度表》，可以獲得這兩個子式關于壓力或溫度的函數曲線。將所得到的曲線以及公式Hw=[(258.9-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365或者公式Hw=[(260×ρ0-ΔP+320×ρ3-580×ρ1)÷(ρ3-ρ1)]-365輸入用以執行運算任務硬件設備，補償系統即告完成。
從補償系統的建立過程可以發現，補償系統是根據某一特定構造的容器而建立的。因此，建立補償系統時應根據不同的容器，建立不同的補償系統。建立補償系統時，當確定差壓的計算公式以后，只需重復這里的步驟即可得到新的汽包水位測量補償系統。
5、關于容器保溫問題的釋疑
眾所周知，為了使雙室平衡容器達到理想工作狀態，雙室平衡容器的外部必須作以適當的保溫，保溫以保溫層的外層溫度不超過120℃為佳。然而，關于容器的凝汽室及頂部的保溫問題目前有些爭議，部分用戶認為這里的保溫可有可無。筆者在這里闡述一下個人的觀點。筆者通過多年觀察發現,在這里沒有保溫的情況下，冬季由儀表顯示的汽包水位會比夏季低將近10mm。分析原因，是因為一般情況下凝汽室的溫度都要比環境高300℃左右，甚至更高，因此它的熱輻射能力很強。當凝汽室外部沒有保溫或者保溫條件比較差時，盡管凝結水的速度會加快并導致更多的飽和水蒸汽流到這里補充這里的熱量，但是由于這里的介質處于自然對流狀態且受到管路等的阻力的制約，使補充的熱量難以維持這里的溫度，進而影響了測量的準確性。對于額定工作壓力為13.73MPa的鍋爐而言，如果冬季由儀表顯示的汽包水位比真實水位低10mm，將意味著容器內部的溫度比飽和溫度低7℃左右。所以，為確保其包水位測量的準確性，這里必須加以適當的保溫。筆者以為，這里的保溫以保溫層的外層溫度不超過120℃為佳。
作者：吳業飛、時敏
