一種連通器式汽包水位取樣測量裝置的製作方法

2023-04-23 14:59:46 1

專利名稱：一種連通器式汽包水位取樣測量裝置的製作方法
專利說明 技術領域 本實用新型涉及熱工測量技術領域，特別涉及高壓、超高壓、亞臨界鍋爐汽包水位測量技術，具體是一種連通器式汽包水位取樣測量裝置。
背景技術 汽包水位計是鍋爐重要的安全附件。目前，汽包水位測量系統配置的只有連通器式、差壓式兩類測量裝置。
在用的連通器類測量裝置大致有4種雲母水位計、電接點水位計、磁翻板水位計、電容水位計。如圖1所示，這幾種水位計的主體結構是一個直筒體(或直殼體)，它的水取樣管、汽取樣管與汽包上的汽、水測孔分別相連接後，筒體與汽包就組成了連通器，汽包內的汽、水進入測量裝置，連通器兩側靜壓平衡後，筒體內水柱就是測量汽包水位的取樣水柱，其高度與汽包內水位相對應。水位計各自的水位傳感部件直接檢測取樣水柱與汽柱的界面，從而間接測出汽包內水位。
上述4種水位計區別是檢測筒體內部水位的原理不同雲母水位計由雲母視窗刻度直讀水位；電接點水位計，是藉助於在筒體內安裝多個電接點，按汽水側電接點對地電阻值差異檢測水位並向遠方傳感水位測量信號；電容水位計，是藉助於在筒體內安裝的絕緣棒與筒體壁組成電容式傳感器，根據汽水的介電常數不同，水位與電容量一一對應的原理，檢測水位並向遠方傳感水位測量信號；磁翻板水位計，是藉助於在筒體內的、能漂浮在水柱頂部的磁性浮子標識筒內水位，並依靠浮子的磁力向外部傳感並顯示水位。前3種裝置直接檢測筒體內水位的誤差都很小，則間接測量汽包水位的誤差取決於水柱與汽包內水位的高度差，即取樣誤差。磁翻板水位計檢測筒內水位的誤差等於浮子吃水深度的變化值，但由於浮子的身高與取樣水柱相比很小，吃水深度變化值比取樣水柱因溫度降低的冷縮值小得多，故其間接測量汽包水位誤差取也決於取樣水柱誤差。
取樣水柱低於汽包內水位形成取樣誤差的原因是，取樣水柱的溫度、密度低於汽包內飽和水溫度、密度。取樣水柱溫度不僅與裝置水柱部分向周圍環境的散熱量有關，還與裝置汽柱部分的表面散熱產生的凝結水帶入取樣水柱的熱量有關，後者尚未引起人們關注而沒有用來解決傳統連通器類測量裝置的取樣誤差問題。
傳統連通器類測量裝置設計的缺陷是，水柱升高到一定高度時，汽柱產生的凝結水帶入水柱的熱量比水柱部分的散熱量小得多，取樣水柱平均溫度比汽包內水溫低得多，形成很大取樣誤差。取樣誤差隨著汽包壓力的升高而增大，且水位愈高誤差愈大。當鍋爐壓力級別的提高到超高壓(15Mpa)、亞臨界壓力(20Mpa)級別時0水位(即鍋爐正常運行水位)的取樣誤差分別達100mm、150mm，已為運行監視規定所不允許；高水位停爐值取樣分別偏低200mm、250mm(注高水位停爐值已接近水位計量程上限)，更會導致保護動作嚴重滯後而危及鍋爐和汽輪機的安全，已顯然不能用於滿水停爐保護。
根據汽包水位運行特點和安全保障的實際需要，鍋爐和熱工行業資深人士認為，對水位計性能的要求應體現「可靠第一，準確第二」原則。鍋爐廠為了保證飽和汽品質合格，規定汽包正常運行水位(0水位)變化範圍是-50mm至+50mm，這意味著，測量允許最大的誤差是50mm，從運行角度考慮，只要測量值是穩定的，水位計的可靠性可保證不會引發保護誤動停爐，0水位的50mm誤差也是可以承受的。2004年發布的《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定DRZ/T 01-2004》要求，水位計測量偏差不大於30mm，可以進一步保證0水位運行控制水平。從安全保障的實際需要考慮，當水位到達高水位停爐值時，即便測量偏差大到50mm，只要水位計能可靠地發出高水位停爐信號啟動停爐保護，就能保證設備安全，這意味著停爐保護水位測量允許最大的誤差是50mm。
上述情況表明，連通器式測量裝置用於超高壓、亞臨界壓力存在嚴重的取樣誤差，是運行和安全保障所不允許的，應將其取樣誤差降低到允許範圍內。
在傳統連通器式測量裝置的技改中，有些技術過度地追求高精度取樣，例如在裝置內部設置蒸汽加熱裝置以求消除取樣誤差，導致準確性餘度過大，其代價是使測量裝置的結構複雜化，取樣管路系統需要安裝蒸汽加熱的排水管路，需要在管壁很厚的下降管上開孔安裝排水管，無疑地增加了測量裝置成本和安裝工作量；結構的複雜和管路的增多加大了運行維護和故障診斷難度。這些因素在一定程度上影響新產品的推廣應用。
鍋爐和熱工行業的資深人士認為，有必要研發一種新型連通器式測量裝置，其取樣裝置結構和取樣管路系統依然很簡單，安裝與維護依然最方便，但取樣精度仍能達到汽包水位安全監控和設備保安要求，符合國家相關技術標準。

實用新型內容鑑於上述問題，本實用新型提供了一種結構簡單、低成本的連通器式汽包水位取樣測量裝置，旨在解決傳統連通器式測量裝置取樣嚴重超差問題，使其取樣誤差、動態響應速度均能滿足高壓、超高壓、亞臨界鍋爐汽包水位監控和停爐保護的要求。
本實用新型所述的一種連通器式汽包水位取樣測量裝置，它包括汽連通管、水連通管、測量筒和排汙衝洗管，密閉的測量筒中包括一個安裝有水位檢測傳感裝置的計量段，測量筒中計量段的上下部分別通過汽連通管和水連通管與汽包上的汽測孔接管和水測孔接管相連通，排汙衝洗管設在測量筒的底部，其特徵是在測量筒上方設有向計量段輸送凝結水的附加汽室。
上述附加汽室筒體的散熱表面積應當大於測量筒計量段部分的散熱表面積。
上述附加汽室筒體可以是一個與計量段筒體直接相連的筒體，也可以是多個相對獨立的封閉容器、並由管道和計量段筒體相連接。為了提高散熱效果，在附加汽室上還可以設置散熱肋片。
上述的計量段部分是指，水連通管和汽連通管管口中心線之間的容器部分，其長度是裝置所能選擇的最大量程。測量計量段水位可採用不同原理、不同形式的檢測傳感裝置測量，例如電接點、電容器、磁性浮子、雲母片視窗與標尺。計量段部分通常為筒體或殼體。
令測量裝置計量段水柱部分的散熱表面積與測量裝置汽室部分(包括計量段汽柱和附加汽室部分)散熱段表面積之比值為β。本實用新型按運行監控保護給定的取樣誤差目標設定值，計算所需要的β值。如果要求測量裝置的取樣誤差不大於目標設定值，則β值不能大於1，即計量段部分的散熱表面積不大於附加汽室筒體的散熱表面積。所以，本實用新型採取的小β值設計，與傳統連通器式測量裝置結構相比，其技術措施是①，在滿足傳感檢測部件能正常檢測和方便於安裝、以及符合強度要求的前提下，儘可能減小測量裝置的計量段部分橫截面尺寸，以減小計量段部分的散熱表面積；②，在測量筒上方，即在計量段部分上方設置附加汽室筒體，以加大測量裝置進行水位取樣的汽室部分容積和汽室部分筒體的散熱表面積，附加汽室的構成見前述；③，同時採取措施①與②，或在措施①難以實施時而只能單一採取措施②。這些措施可使計量段部分和附加汽室部分的散熱段表面積比值不大於β計算值。
在筒體計量段長度等幾何參數是一些已知參數，或由經驗可以確定的參數，那麼就可由β計算值，計算出附加汽室部分的表面積，繼而確定附加汽室部分筒體的具體設計參數。
此項技術方案的理論依據如下 要減小取樣誤差，需減小取樣水柱與汽包內水體的密度差，則需提高水柱底點溫度td。
影響水柱底點溫度td的因素分析。以取樣水柱為研究對象，研究熱量輸入與熱量輸出的平衡條件，建立水柱熱平衡方程，在汽包壓力、汽包水位、環境溫度為已知值時，可得到水柱底點溫度值td的解析式td＝tc+(th-tc)/em，式中，th為飽和水溫度，tc為環境溫度。em的指數m值是Cp、r、β值的函數，Cp是在汽包壓力下水的平均定壓比熱，r是汽包壓力下飽和水的汽化潛熱。m值又是β值的一次線性函數，正比於水柱筒體表面積Fs、反比於汽柱筒體表面積Fq，即β＝Fs/Fq。β值小，則m小；β值大，則m大。顯然，要提高水柱底點溫度值td，需要降低β(Fs/Fq)值，這就需要減小取樣水柱筒體的散熱面積Fs，減小水柱的散熱量；增大整個容器裝置汽柱部分的表面積Fq，以增加飽和汽凝結水輸入水柱的熱量，這是設置附加汽室的理論依據。
小β值連通器式測量裝置的設計方法合理性分析如下。
給定的目標水位H、取樣誤差dH和計量段水柱底點溫度td是一一對應的。那麼，由連通器取樣重力平衡方程就可計算出計量段水柱平均密度、水柱平均溫度，水柱底點溫度td。
水柱底點溫度td和測量裝置計量段水柱部分的散熱表面積與測量裝置汽室部分散熱表面積之比值β也是一一對應的。那麼，在建立取樣水柱的熱平衡方程後，由水柱底點溫度td，就可以計算出β值，β＝Cp(th-td)·r-1·ln[(th-tc)/(td-tc)]，式中th為飽和水溫度，tc為環境溫度，td為水柱底點溫度，Cp是在汽包壓力下自 th至td溫度區間內水的平均定壓比熱，r為汽包壓力下飽和水的汽化潛熱，ln自然對數符號。
所以，β值計算值是本實用新型能滿足取樣誤差要求的技術參數。
本實用新型的汽包水位測量裝置的幾何尺寸按下述方法步驟確定 (1)選定測量裝置的計量段幾何尺寸。
根據傳感檢測部件的尺寸確定計量段筒體的內徑，並由受壓元件強度計算確定計量段筒體壁厚，算出外徑與圓周長。對於電接點測量筒和電容式測量筒，其外徑dc是傳統測量筒直徑的0.45~0.6倍為宜。同樣可由經驗和強度計算確定方形殼體橫截面外輪廓線最小周長與邊長。
計量段長度即水位計的最大量程，是鍋爐設計配套水位計製造已確定的數據。
有了計量段數據、計量段筒體直徑或橫截面外輪廓線最小周長，則可算出計量段筒體的表面積。
(2)選定允許誤差值。
由於測量上限的取樣誤差最大，又由於高水位停爐值接近計量段測量上限，其取樣誤差也接近上限取樣誤差，所以選定上限取樣誤差dHsx為1個主要設計目標值。dHsx的含義是，在水柱高度h等於計量段長度L時的取樣誤差。
由於0水位是水位長期運行的監控水位，允許誤差往往較小，所以選定0水位取樣誤差dHo為1個輔助設計目標值。dHo的含義是，在水柱高度為ho的取樣誤差。
(3)按dHsx、dHo值，分別算出其水柱筒體與汽室筒體所需要的表面積比值β。
根據連通器汽、水重力平衡方程和計量段的長度L、dHsx及0水位取樣水柱高度ho、dHo值，分別計算出其對應的取樣水柱平均密度ρcp，可得ρcp對應的水柱平均溫度tcp，水柱底點溫度td由經驗公式td＝3tcp-2th計算(式中的th是飽和水溫度)。
由β＝Cp(th-td)·r-1·ln[(th-tc)/(td-tc)]，分別算出dHsx、dHo值所對應的β值(β計算式中物理量含義見前述)。
(4)確定附加汽室筒體幾何尺寸。
由dHsx算出的β值就是整個計量段部分和附加汽室部分的表面積比值。由於計量段筒體部分的表面積已經確定，即可以計算出附加汽室部分的表面積Fqb。
對於由dHo算出的β值，水柱段筒體表面積Fs是按水柱高度ho計算的，計量段內的汽柱筒體表面積FqJ按汽柱高度為L-ho計算的。令計量段以上的附加汽室部分表面積Fqb，那麼，對於整個測量裝置而言，汽室筒體表面積Fq為計量段內的汽柱筒體與附加汽室部分表面積之和，即Fq＝FqJ+Fqb，dHo所對應的β＝Fs/(FqJ+Fqb)，則算出dHo所對應的附加汽室部分表面積值Fqb。
在dHo、dHgt值所需要的附加汽室部分表面積Fqb值中，取Fqb值大者確定附加汽室筒體外形、直徑、長度，以及屬於附加汽室部分的管道等參數。
由於面積為Fqd的附加汽室筒體可有不同幾何形狀與尺寸，且補償室筒體與計量段筒體的連接方式也有多樣。如果相對於計量段筒體來說，附加汽室筒體的容積也大得多，為了方便於製造與安裝，附加汽室筒體也可以是二、三個小汽室筒體的組合體，由管道與計量段筒體相連接。如果附加汽室筒體是圓柱形，以圓平均外徑是計量段筒體直徑dc的1.7~2.5倍為最相宜。又由於計量段安裝的水位檢測傳感裝置具有多樣性，因此本實用新型有多個實施例。
本實用新型有益效果 (一)本實用新型在已知計量段筒體長度和由經驗數據設定其筒體表面積的條件下，由關鍵點水位的取樣誤差作為設計目標值，確定取樣水柱筒體與汽室筒體的表面積比值β，再按β值算出計量段之上的附加汽室筒體散熱表面積，繼而完成測量裝置設計。那麼，所實用新型的測量裝置在使用中，當汽包水位為設計目標水位時，則實際取樣誤差可達到設計目標值，可小於傳統連通器式測量裝置目標水位的取樣誤差。
(二)小β值連通器式測量裝置加快了計量段水柱溫度變化速度，對壓力變化的響應速度大於傳統連通器式測量裝置。
(三)小β值連通器式測量裝置結構加快了飽和汽凝結水對計量段水柱的更換速度，故水柱水質好，利於檢測元部件穩定檢測傳感，並延長排汙衝洗周期。
(四)本實用新型結構簡單、易於製造，它需要配套取樣管路系統最簡單，可減少安裝工作量，有利於本實用新型的實施與推廣。

附圖1是以電接點測量筒為典型的傳統連通器式測量裝置及取樣系統示意圖； 附圖2為本實用新型電接點測量筒(第一實施例)結構及取樣系統示意圖； 附圖3為本實用新型磁翻板測量筒(第二實施例)結構示意圖； 附圖4為本實用新型電容式測量筒(第三例實施例)結構示意圖； 附圖5為本實用新型雲母水位計(第四實施例)結構示意圖。
具體實施方式
現結合附圖敘述之。
附圖1和附圖2清晰展示，傳統電接點測量筒和本實用新型實施例之一的電接點測量筒的異同。其相同之處汽包上的汽、水測孔接管1、2的中心距相同，測量筒上的汽、水連通管3與4的中心距也相同，計量段8的長度都是L；汽連通管3的規格相同，水連通管4規格相同。這些相同點可使本實用新型更換傳統電接點測量筒的工作量最小。相同點還有，都是帶有排汙管6和電接點檢測組件7的密閉容器5。不同之處本實用新型計量段以上筒體是特別設置的、表面積很大的附加汽室9，傳統電接點測量筒則沒有附加汽室；本實用新型的計量段8筒體外徑小於傳統電接點測量筒的計量段8筒體外徑；在汽包內水位H相同時，本實用新型的取樣水柱h比傳統電接點測量取樣水柱高，即本實用新型的取樣誤差dH明顯小於傳統測量裝置的取樣誤差。
第一實施例 本實施例見附圖2，具體的測量裝置是電接點測量筒。帶有喇叭縮口的附加汽室筒體9與計量段筒體8之上的延伸段焊接相連，延伸段帶有汽連通管3。計量段筒體8上安裝電接點電極組件7，計量段筒體8的下部帶有水連通管4，密閉容器5下部有排汙管6。
第二實施例 本實施例見附圖3，具體的測量裝置是磁浮子測量筒。本實施例中的附加汽室筒體9與計量段筒體8之上的延伸段焊接相連，計量段筒體8上下有汽取樣接管3、水連通管4。計量段筒體8內部有空心的圓柱形磁浮子10，可漂浮在水柱頂部，磁浮子的重心在下部。計量段筒體8外部安裝多個磁翻牌11，磁翻牌在磁浮子接近時可以自動翻轉180°，以標識與顯示水位。計量段筒體8延伸段和法藍組件12連接，拆開組件，可取出磁浮子，組件下部有排汙管6。
第三實施例 本實施例見附圖4，具體的測量裝置是電容式測量筒。本實施例中的附加汽室筒體9的特徵是兩個汽室的組合筒體，該組合是由管道將兩個汽室筒體並聯到計量段筒體8之上的延伸段，那麼，附加汽室筒體表面積是計量段筒體8以上各部分的表面積之和。計量段筒體8上下有汽取樣接管3、水連通管4。計量段筒體8的之上的延伸段頂部焊接有法蘭盤14，與法蘭電容組件15連接。法蘭電容組件15中的帶絕緣的電容極棒13插在計量段筒體中，電容極棒13與筒壁組成電容式水位傳感器。密閉容器5下部有排汙管6連接。
第四實施例 本實施例見附圖5，具體的測量裝置是雲母水位計。本實施例中的附加汽室特徵是帶有散熱肋片17的附加汽室筒體9。計量段筒體8的之上的延伸段帶有汽連通管3，並與附加汽室筒體9焊接相連。計量段筒體8下部帶有水連通管4，並排汙管6相連接。計量段筒體8帶有雲母視窗及刻度組件16，該部分筒體橫截面外輪廓為方形，透過雲母片可以看到筒體內水柱與汽柱的界面，藉助於刻度尺測量水柱高度、直讀水位。
綜上所述，本實用新型與現有技術相比，在保持最簡單的結構與最簡單的測量取樣系統同時，可使取樣測量精度達到汽包水位安全監控和設備保安要求，符合《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定DRZ/T 01-2004》等相關規定的最新要求。
權利要求1.一種連通器式汽包水位取樣測量裝置，它包括汽連通管(3)、水連通管(4)、測量筒(5)和排汙衝洗管(6)，密閉的測量筒(5)中包括一個安裝有水位檢測傳感裝置的計量段(8)，計量段(8)的上下部分別通過汽連通管(3)和水連通管(4)與汽包上的汽測孔接管(1)和水測孔接管(2)相連通，排汙衝洗管(6)設在測量筒(5)的底部，其特徵是在測量筒(5)上方設有向計量段輸送凝結水的附加汽室(9)。
2.根據權利要求1所述的連通器式汽包水位取樣測量裝置，其特徵是附加汽室(9)筒體的散熱表面積大於測量筒中計量段(8)部分的散熱表面積。
3.根據權利要求1或2所述的連通器式汽包水位取樣測量裝置，其特徵是所述附加汽室(9)是一個與計量段(8)筒體直接相連的筒體。
4.根據權利要求1或2所述的連通器式汽包水位取樣測量裝置，其特徵是所述附加汽室(9)是獨立的封閉容器，其通過管道與測量筒(5)相連。
5.根據權利要求1或2所述的連通器式汽包水位取樣測量裝置，其特徵是在附加汽室(9)上設有散熱肋片(17)。
6.根據權利要求1或2所述的連通器式汽包水位取樣測量裝置，其特徵是所述附加汽室(9)的筒體是圓柱體，其圓平均外徑是計量段筒體直徑的1.7~2.5倍。
專利摘要本實用新型公開了一種連通器式汽包水位取樣測量裝置，它包括汽連通管、水連通管、測量筒和排汙衝洗管，密閉的測量筒中包括一個安裝有水位檢測傳感裝置的計量段，測量筒中計量段的上下部分別通過汽連通管和水連通管與汽包上的汽測孔接管和水測孔接管相連通，排汙衝洗管設在測量筒的下部，在測量筒上方設有向計量段輸送凝結水的附加汽室。本實用新型以簡單的裝置結構和取樣管路系統，解決了連通器式測量裝置取樣嚴重超差問題，使取樣精度能滿足高壓、超高壓、亞臨界鍋爐汽包水位監控和停爐保護允許的要求，並符合國家相關技術標準。
文檔編號F22B37/00GK201066116SQ20072003845
公開日2008年5月28日 申請日期2007年7月10日 優先權日2007年7月10日
發明者高維信 申請人:高維信