差压式水位测量系统的分析与设计.doc
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差压式水位测量系统的分析与设计
摘要
在现代工业和日常生活中,常常需要测量各种固体、液体物料的高度、体积等参数。
由于测量是瞬时的动态信号,数据的精确性、稳定性、可靠性要受到诸多环境因素的影响,如温度、油压、油管的阻尼比、变频器的高频干扰、油路的泄漏等。
而液位测量常常需要借助各种各样的液位测量系统进行测量,由于受到液位和环境的不同,每种液位计的应用范围也各不相同。
这其中差压式水位计就在电厂的锅炉汽包水位中发挥着重要的作用。
作为液位测量中最广泛的无疑是水位测量,水位是重要的水力学参数,在汛期关系到水库、大坝、以及河流沿岸堤防的安全,关系到城镇和人民群众的安全;水位在平时也是关系到电厂、化工厂的运行安全和运行效益。
如何高精度、智能化的对水位进行测量,就成为很多科研工作者关注的问题。
本文将介绍差压式水位计的结构和工作原理,并且介绍曲线拟合密度与压力关系、压力表的选型以及差压水位测量系统零点迁移和压力补偿问题。
关键字差压式水位计液位测量锅炉汽包水位
AnalysisandDesignofDifferentialPressureLevelMeasurementSystem
Abstract
Inmodernindustryanddailylife,oftenneedtomeasureavarietyofsolid,highlyliquidmass,volumeandotherparameters.Sincethemeasurementisinstantaneousdynamicsignals,dataaccuracy,stability,reliabilityshouldbeaffectedbymanyenvironmentalfactors,suchastemperature,oilpressure,tubingdampingratio,high-frequencyinterferenceinverter,oilleaks,etc.Levelmeasuringmeansandthemeasurementsystemoftenrequiresavarietyofgaugeconsistingmeasuredlevelandduetothedifferentenvironments,eachapplicationlevelmeterisalsodifferent.Differentialpressuretypelevelgaugewhichwillplayanimportantroleintheplant'sboilerfeedwater.Astheliquidlevelmeasurementisundoubtedlythemostwidelylevelmeasurement,Waterlevelisanimportantmechanicalparameters,inrelationtofloodreservoirs,dams,dikesalongtheriverandsecurity,andtothetownandthepeople'ssafety;Waterlevelusuallyisrelatedtooperationalsafetyandoperationalefficiencypowerplants,chemicalplantsThisarticledescribesthestructureandworkingprincipleofdifferentialpressuretypelevelgauge,andintroducesthedensityandpressurerelationshipcurvefitting,pressuregaugeanddifferentialpressurelevelmeasurementsystemselectionzeromigrationandpressurecompensation.
Keyword:
DifferentialpressuretypelevelgaugeLevelMeasurementBoilerDrumLevel
目录
差压式水位测量系统的分析与设计 I
摘要 I
Abstract II
1.液位测量的描述 IV
1.1液位测量的意义 IV
1.2液位测量在国外的研究状况 IV
1.3液位测量在国内的研究状况 V
2.液位测量的方法 V
2.1液位测量方法的概述 V
2.2超声波液位测量仪 VI
2.3光学液位计 VII
2.4双色水位计 VII
2.5磁浮球液位计 VII
3.差压式水位测量系统的介绍 VIII
3.1平衡容器的类型 VIII
3.2差压式液位变送器的零点迁移问题 X
3.3锅炉汽包水位的测量 X
4.差压式水位测量系统的设计 XII
4.1设计的基本说明 XII
4.2关于密度与压力关系的公式曲线拟合 XII
4.3平衡容器尺寸的确定 XXIV
4.4差压计的选型 XXV
4.5系统的压力补偿 XXVII
结论 XXIX
参考文献 XXX
致谢 XXXI
1液位测量的描述
1.1液位测量的意义
在很多工业生产过程中,常常需要测量各种固体、液体物料的高度、体积等参数,但是由于测量是瞬时的动态信号,数据的精确性、稳定性、可靠性要受到诸多环境因素的影响,如温度、油压、油管的阻尼比、变频器的高频干扰、油路的泄漏等。
液位测量主要是基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变时引起有关物理参数的变化的原理而实现的【1】,在一般的生产工艺加工过程中,通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存,以作为确保生产工艺、安全等方面的需要【1】。
同时随着生产自动化程度的不断提高、必须首先能对液位进行控制与调节以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态;为了满足各种不同测量条件的要求,人们研制出适合于各种各样要求的液位传感器。
水位是重要的水力学参数,在汛期关系到水库、大坝、以及河流沿岸堤防的安全,关系到城镇和人民群众的安全;水位在平时也是关系到电厂、化工厂的运行安全和运行效益。
因此如何高精度、智能化的对水位进行测量,已经成为很多科研工作者关注的问题。
水位仪作为测量水位的工具,广泛运用于水利、电力、化工等领域的自动测量和控制系统,以上的等等都说明液位测量在国民经济建设中起着举足轻重的作用,所以说对液位测量方法和仪器的改进将成为广大科研工作者的一项艰巨的任务。
1.2液位测量在国外的研究状况
对于液位测量的研究,国外尤其是发达国家的液位测量技术起步较早,且投入资金雄厚,发展很迅速,迄今为止,许多发达国家都研制了很多功能齐全、自动化智能程度较高、精度高的测量系统,例如美国DREXELBROOK公司研制的UniversallⅡTM连续液位变送器,该仪器可以说是目前相当先进的一种测量仪器,其精度可达0.1%,量程最大15米,4-20mA电流输出,上、下限位报警,叠加智能通讯协议—HART、Honeywell等……此外,还有美国Milltronics公司研制的多量程超声波液位监测系统【3】,该系统具有测量液位及液位差的能力,其采用的非接触式超声波传感器,可监视14cm到30m范围的液位变化,在其中专门编制了一种增强回声的软件程序,多量程系统被监视槽的超声波分布图储存在计算机存储器中,采用连续测量确定液位方法来修改分布图。
同时Hybepark电子公司的双液位传感系统采用二只分别调节上限和下限液位的电位计,超声波探头安装在液体之上且与控制装置连接,控制装置在感受到极限液位后去启动继电器,并且启动液位输出。
美国的DREXELBROOK公司与ROSEMOUNT公司以及日本、加拿大等国公司研制开发的产品在国际市场上占有很大的比重。
据统计,DREXELBROOK公司至今在全世界已经有3万多例成功的现场应用。
可以看出当今发达国家已经不仅仅是在研究某种液位器而是形成一种测量的体系,这种大型的体系既保证了测量的精确度同时其应用范围也有更广阔的应用前景,当然还有其它国家和公司研制的液位传感器等产品,这些产品都广泛应用于工业、农业,食品等行业,为人类的生活和生产发挥着作用。
1.3液位测量在国内的研究状况
我国的液位仪表工业起步比较晚,直到上世纪六十年代才开始有些厂生产浮子式等的液位仪表。
在计划经济时代虽然也有几个厂生产物位仪表,如开封仪表厂、银河仪表厂、上海自动化仪表五厂等。
但由于需求不旺,发展不快,而定点生产流量计的开封仪表厂及银河仪表厂都把重点转为流量计,因而只有上海自仪五厂始终以液位仪表为主,但企业规模不大,生产产品以机械型仪表为主。
上世纪七、八十年代,国家经济的发展,大型项目引进国外技术,使我国石化、冶金等工业自动化水平提高很快,对自动化仪表的需求也增长。
进入九十年代,国民经济发展迅猛,自动化程度的提高使液位仪表需求猛增,原有生产能力远远不能满足需求,国外产品大量涌入。
近几年,随着我国经济的高速增长,新兴企业的自动化程度都很高,仪表选型几乎和国外接轨,故对于新型及高端的液位仪表需求量很大,但是我国物位仪表工业相对较落后,制造能力较差,大部分要靠进口。
我国物位仪表市场中,用于贸易结算及库存管理的计量级液位仪表(计量级微波液位计及伺服液位计),基本上全部进口。
主要供货商为Enraf、Emersion、E+H等公司。
从以上的叙述我们可以看到,这液位计的生产和制造方面我国的技术还不是特别的成熟,也因而具有很大的潜力。
2.液位测量的方法
2.1液位测量方法的概述
液位测量具有一定的特殊性,由于测量是瞬时的动态信号,所以测量数据的精确性、稳定性、可靠性要受到诸多环境因素的影响,如温度、油压、油管的阻尼比、变频器的高频干扰、油路的泄漏等等,对于这种不确定性造成了液位测量的难度及其特殊性。
人们也正是利用了液位测量的特殊性才发明了油罐液位测量的多种方法,液位测量的主要方法就是基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变时引起有关物理参数的变化的原理而实现的【4】。
这些物理参数可能是电量的或非电量的如电阻、电容、电感、差压以及声速和光能等,它们的共同特点是能够反映相应的液位变化并易于检测。
当然液位测量中一些固有存在的问题是无法改变的,液面具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量,被测物具有粘滞性或是导电介质等情况时,如何来提高测量精度。
有时还要考虑容器的密封性,介质是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题。
针对这些问题人们研制了在不同的环境下适合于各种各样要求的液位传感器。
以为将对几类液位计进行介绍。
2.2超声波液位测量仪
该液位计的工作原理:
就是通过一个可以发射能量波(一般为脉冲信号)的装置发射能量波,能量波遇到障碍物反射,由一个接收装置接收反射信号。
根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化情况。
由电子装置对微波信号进行处理,最终转化成与物位相关的电信号。
一次探头向被测介质表面发射超声波脉冲信号,超声波在传输过程中遇到被测介质(障碍物)后反射,反射回来的超声波信号通过电子模块检测,通过专用软件加以处理,分析发射超声波和回波的时间差,结合超声波的传播速度,可以精确计算出超声波传播的路程,进而可以反映出物位的情况。
适用范围及特点
该产品的特点是具有设计合理、性能好、安装方便的特点。
电子模块部分的微处理单元强大的分析能力,可以优化正确的回波,并将错误或虚假的回波加以排除,从而可以得出精确的数值【5】
同时,该产品性能稳定,价格低廉,精度高,具有模拟量,开关量及数字信号同时输出功能,防水外壳,适用于一般场合的液物位检测。
其主要芯片采用飞利普工业级单片机,数字温度补偿和相关专用集成电路,抗干扰性强,可任意(自定义设定)设置上下限及在线输出调节,并带有现场显示,模拟量,开关量输出,可方便与主机连接。
另外,该产品选用专业超声波小角度探头,发射功率大,灵敏度高,寿命长,测量距离远;任意点上下限设定,倒值设定。
可用于以对蒸汽、灰尘、湿气的干扰自动补偿,除可应用于液体/固体、还可用于不间断料/液位控制,罐、贮槽、不间断料/液位测量贮藏室、粮仓等。
广泛应用于石油、化工、自来水、污水处理、水利水文、钢铁、煤矿、电力、交通以及食品加工等行业。
主要技术参数
正常工作条件:
环境温度:
-20~50℃;
相对湿度:
5%~100%(包括直接湿);
环境压力:
86kPa~108kPa;
测量范围:
0.25~5m、8m、10m、12m、15m(大量程可定制)
工作频率:
30KHz;
信号输出:
4-20mA/HART协议、开关量PNP(NPN)、继电器输出(定货约定);
现场显示:
4位LED数显;
最大负载:
24VDC550Ω(4-20mA)
供电电压:
24VDC(18~24V)
最大功消耗:
1.2W(55mA,DC24V)
测量误差:
量程的0.5%(空气中)
分辨率:
≤2mm(温度补偿内置)
响应时间:
1.5s
发射波束角:
≤10°
过程压力:
≤0.2MPa
过程温度:
-40~70℃(耐高温,耐水气须定制)
防护等级:
IP65
2.3光学液位计
主要是光纤液位传感器,光纤液位传感器的主要算法理论依据是基于光强度的变化来实现液位测量。
它可以是用发光元器件将射出来的光通过传输光纤送到光敏感元件上,在敏感元件的球面上,有一部分光透过而残余的光被反射回来。
当敏感元件与液体相接触时,与空气接触相比,球面部的光透射量增大,反射量减少因而,由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体,反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测物质的折射率,并通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。
这类液位传感器结构简单,容易实现、成本低、抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、响应时间短、适用于易爆易燃等场合。
然而它受光源强度的波动和连接器损耗变化等影响较大,因此它测量范围小、精度低、能量易损耗,不宜测量低粘度液位(因其表面受到振动后易产生波动),长期稳定性差。
2.4双色水位计
双色水位计是基于连通器的原理工作的水位计,它是由云母水位计发展而来的,双色水位计改进了云母计的一些结构并且辅以光学系统,利用光从空气进入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。
双色水位计是用在锅炉汽包上或其它压力容器上、用来监视水位变化的一种仪表。
它是通过光的反射、折射、透视等不同原理,使护、能耗低,并且可视范围宽,水位计安装后光源基本无需调整,即可看到气红液绿
2.5磁浮球液位计
2.5.1主要原理
气相呈红色,液相呈绿色。
运行人员在现场或集控室的监视器上可直接看到水位计里面水位的变化,直观可靠。
水位计采用二极管冷光源,观看效果好、亮度可调、寿命常、易维
磁浮球液位计(液位开关)结构主要基于浮力和静磁场原理设计生产的。
带有磁体的浮球(简称浮球)在被测介质中的位置受浮力作用影响:
液位的变化导致磁性浮子位置的变化。
浮球中的磁体和传感器(磁簧开关)作用,使串联入电路的元件(如定值电阻)的数量发生变化,进而使仪表电路系统的电学量发生改变。
也就是使磁性浮子位置的变化引起电学量的变化。
通过检测电学量的变化来反映容器内液位的情况。
该液位计可以直接输出电阻值信号,也可以配合使用变送模块,输出电流值(4~20mA)信号;同时配合其他转换器,输出电压信号或者开关信号(也可以按照客户需求转换器由公司配送)。
从而实现电学信号的远程传输、分析与控制。
2.5.2适用范围及特点
该产品采用优质磁体和进口电子元件,使产品具有:
结构简单、使用方便、性能稳定、使用寿命长、便于安装维护等优点。
该产品几乎可以适用与各种工业自动化过程控制中的液位测量与控制,可以广泛运用于石油加工、食品加工、化工、水处理、制药、电力、造纸、冶金、船舶和锅炉等领域中的液位测量、控制与监测。
2.5.3主要技术参数:
正常工作条件:
环境温度:
-20~80℃;
相对湿度:
5%~100%(包括直接湿);
环境压力:
86kPa~108kPa;
工作压力(MPa):
常压、1、2等;
插入深度(mm)∶200~6000,超过6000mm的可选择柔性连杆(也称为投入式浮球液位计);
测量范围(mm)∶8~5840;
测量精度:
测量范围(m)
0~0.5
0.5~2
2~6
测量精度(%)
2
1.5
1
盲区:
66~120mm(以水为介质);
介质温度:
-20~125℃;
介质粘度:
≤0.05Pa·S;
介质密度:
0.35~0.5g/cm3、0.5~0.75g/cm3、0.75~1.5g/cm3;
防爆标志:
ExdⅡCT6、
ExdⅡCT5;
外壳防护等级:
IP65
2.5.4信号输出形式:
UHS系列液位计:
4~20mA电流信号、4~20mA/HART、附带开关信号等UHK系列液位开关:
常开或常闭的报警信号
3.差压式水位测量系统的介绍
差压式水位测量系由水位—差压转换装置、压力信号管路和差压计组成。
水位与差压的转换是通过平衡容器实现的。
利用平衡容器可形成一个恒定的水静压力,与被测水位形成的水静压力相比较输出二者之差。
3.1平衡容器的类型
平衡容器是一种结构巧妙,具有自我补偿能力的汽包水位测量装置。
它的结构一般分为单室平衡容器、双室平衡容器和双差压平衡容器。
3.1.1单室平衡容器
单室平衡容器是一款利用正压测、负压侧形成的差压信号到变送器,变送器将信号传送到DCS内进行公示计算,最后实现水位的测量。
主要包含如下几个部分:
平衡容器、正压测取样管、负压侧侧取样管、二次表、DCS装置等相关部件组成
主要测量原理:
利用正压测、负压侧形成的差压信号到变送器,变送器将信号传送到DCS内进行公示计算,最后实现水位的测量。
单室平衡容器的特点:
优点:
1测量偏差小
2信号稳定,跟随及时,能及时的反馈汽包内的真实水位
3寿命长。
缺点:
1受环境影响较大,参比水柱温度不均匀,无法实时量化标定。
2冬季、夏季,白天照射、环境风向等影响较大。
3只有保证参比水柱温度恒定,才能达到平衡容器的测量效果。
3.1.2双室平衡容器
双室平衡容器是一种结构巧妙,具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置。
在基准杯的上方有一个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【6】。
优点:
相对于单室平衡容器,双室平衡容器给固定水柱增装了蒸汽保温室,使得固定水柱的温度叨叨了其保内的汽水温度,因而消除了固定水柱温度的影响。
缺点:
尽管双室平衡容器消除了固定水柱温度的影响,但是它受工作压力的影响比较大,这久需要在后期进行相应的补偿。
3.1.3双差压平衡容器
双差压平衡容器是针对双室和单室平衡容器的受到压力温度的影响,对他们在结构上进行的一些结构改进,光从结构上看,他是经过运算所得到的信号只与平衡容器的尺寸和结构有关,表面上消除了工作压力的影响,但是它却有两个明显的缺陷:
1。
结构极其复杂;2.需要装设矫正用差压变送器,同时易产生附加误差。
正是因为它的这些缺陷所以基本上应用的不是很广泛。
3.2差压式液位变送器的零点迁移问题
差压变送器的输入是差压信号△P=P+-P-,输出是4~20mA的直流电流信号。
设差压变送器输出为4mA时,其对应输入为△P=△Pmin(此为差压变送器的零点);差压变送器输出为20mA时,其对应输入为△P=△Pmax。
差压送器的量程为△Pmax-△Pmin。
【7】
差压变送器一般的使用情况是零点为△Pmin=0时,差压变送器的输出为4mA;△Pmax的值为量程上限时,差压变送器输出为20mA。
而用平衡容器法测量液位时,△P=P+-P-=ρgh2-ρgh。
可以看出,h2总是小于或等于h,即△P总是负值。
△Pmin=-ρgh时,差压变送器输出为4mA;△Pmax=0时,差压变送器输出为20mA,即差压变送器的零点为△Pmin=-ρgh,量程为△Pmax-△Pmin=0-(-ρgh)=ρgh。
因为调校智能变送器时调整零点并不影响量程,因此在调校采用平衡容器测量汽包水位的差压变送器时,可按照差压变送器的一般使用方法将零点和量程调整好,再进行零点迁移。
零点迁移是在不改变量程的条件下改变零点,它的大小和方向取决于新的零点的大小和正负,即零点迁移量为△Pmin。
当△Pmin>0时,称为正迁移,又叫右迁移;当△Pmin<0时,称为负迁移,又叫左迁移。
负迁移的形成原因:
加隔离罐或采用法兰式测差压。
正迁移的形成原因:
变送器位置低于页面基准面。
3.3锅炉汽包水位的测量
3.3.1锅炉汽包水位测量的重要性
保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。
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。
众所周知,水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水,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。
由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故的情况时有发生,严重影响火电厂运行的安全性。
【9】
锅炉运行中,我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。
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。
因此,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
3.3.2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
众所周知,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,二个汽包水位测量示值偏差在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的联通管式或差压式测量原理,使得汽包压力和测量参比条件变化时会造成远远超出上述要求的非常大的误差。
所以长期以来,保证汽包水位测量准确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题。
2.可靠性高
汽包水位测量系统应从取样开始,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。
3.3.3影响汽包水位测量的原因
根据对几种水位测量方式的分析,影响水位测量的原因主要有以下几个方面:
1汽包水位计安装条件、位置、环境的影响,水位计定位偏差一般在10~50mm,各水位计所处的环境存在着差别,影响散热;
2 汽包安装条件的影响,汽包安装时的水平度要求应≤5mm,但在锅炉运行几年后,均会发生变化,达到15~20mm,水位计安装时是依据汽包中心线为标准,致使水位计安装时产生误差;
3从给水、水冷壁进入汽包内的水的影响,给水温度因受各加热环境的影响,不可能恒定不变,且水温低于相应压力下的饱和温度;水冷壁进入的水含大量的汽泡,并不断蒸发,其密度将
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