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摘要：火力发电目前依旧是我国的主要发电形式，汽包液位测量和控制对汽水系统和机组的安全、稳定运行有着重要作用。本文首先从锅炉汽包液位理论出发，研究了汽包液位在蒸汽流量和给水流量变化干扰时的动态特性；然后从原理的角度分析了差压式和连通管式锅炉汽包液位测量装置的误差影响，对实际锅炉汽包液位控制有一定的指导意义。
关键词：锅炉；汽包液位；测量
一、锅炉汽包液位研究的重要性
火力发电厂目前依旧承担着我国主要的发电任务，汽包锅炉五大系统之一的汽水系统是一个复杂的热工自动化过程，该系统中的调节对象大多数都有非线性、不确定性和大时间常数等特点。
图1汽水系统结构简图
图1所示是200MW机组锅炉汽水系统的结构简图，它的工作流程如下所述：循环水从给水母管从进水阀进入省煤器，水加热到一定程度后，进入机组的汽包里；然后通过下降管进入水冷壁，再次吸收热量重新回到汽包里。经过汽包中的汽水分离装置后，水重新流回汽包，在水冷壁中重新实现加热，同时蒸汽进入下一级装置中。进入过热器的蒸汽吸收热量，成为满足压力、温度等性能指标的蒸汽，进入汽轮机的高压缸作业。
从上面的分析中，不难发现锅炉液位偏高或者偏低都会对锅炉的正常运行产生影响，具体影响如表1所示。对于200WM循环机组，影响汽包液位的因素有三种---给水流量、蒸汽流量和炉膛热负荷。所以在研究锅炉汽包液位时应综合考虑这三个因素。
表1锅炉液位在阈值之外的影响
二、影响锅炉汽包液位因素的理论分析
对锅炉液位产生影响的主要因素包括蒸汽流量变化、汽包压力变化、燃料量变化、给水量变化等，这里仅分析蒸汽流量和给水流量对汽包液位的影响。
2.1汽包液位在蒸汽流量干扰下的动态特性
在其他工况不变的前提下，如果蒸汽流量突然变大，汽包内物料平衡被破坏，汽包中的水流出大于流入，从这个角度看水位将对降低，它将导致汽包液位发生变化量；但是随着蒸汽流量变大，汽包压力将会下降，水的沸点降低，增加了汽包内水的沸腾程度，水中沸腾气泡数量和体积会增大，导致汽包内水位上升，对汽包液位产生的变化量，这种现象被称作“虚假水位”。
故在蒸汽流量干扰下，汽包实际液位变化应该是上述两个变化量的叠加，即：
（2-1）
于是用传递函数可以表示为：
（2-2）
式中：是响应时间的倒数，是延迟时间，是比例系数。
2.2汽包液位在给水流量干扰下的动态特性
在其他工况不变的前提下，如果将汽包液位看作是无自衡单容受控对象，当给水流量突然增加时，那么将会对汽包液位产生一个阶跃影响，即对液位产生一个的阶跃相应；同时由于给水温度一般低于汽包中的水温，进入汽包后会吸收很多热量，导致汽包内的水温整体下降，水的沸腾程度减小，即汽包液面下的气泡体积减小，进而导致汽包液位下降，将这个变化量记作。
故在给水流量干扰下，汽包实际液位变化应该是上述两个变化量的叠加，即：
（2-3）
于是用传递函数可以表示为：
（2-4）
式中：是响应时间的倒数，是延迟时间，是比例系数。
三、汽包液位测量装置误差分析
汽包液位测量装置从原理上大致有两种：基于连通器原理的液位测量或基于差压原理的液位测量，下面将从原理和误差分析的角度进行分析。
3.1差压式锅炉汽包水位计的原理和误差
差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位的，因此，其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。目前，最常用的是通过参比水柱形成差压来测量汽包水位，如图2所示。
图2差压式水位计的测量原理
正负压的压差值按下式计算：
（3-1）
式中：是正压侧参比水柱的密度；是汽包内饱和水密度；是汽包内饱和蒸汽密度；是汽包实际液位高度；是参比水柱的高度。
图3表示了汽包压力和密度差的关系。
图3汽包压力和密度差的关系
以L=600mm为例，计算表明：压力愈低，差压信号的相对误差愈大。以工作压力P=17MPa为基准，并假定ρa为40℃时的密度值，汽包水位在H=300mm处，则当工作压力P=11MPa时，误差为－4.1%；当P=5MPa时，误差为－9.17%；当P=3MPa时，误差达到－12.4%。
汽包内水欠饱和及参比水柱温度对差压信号相对误差的影响都是不可忽略的。差压式水位计产生的是正向误差，因此系统要保证全工况、全范围保持水位一致是不可能的。
3.2连通管式汽包水位计的原理和误差
传统的电接点水位计和就地云母水位计均属于连通管式汽包水位计，由于表体内的水温要远低于汽包内的饱和水温度，缺少温度补偿，其密度高于饱和水的密度，从而水位低于汽包内的实际水位，即使做位置修正，在高压工况下还会存在更大的水位误差。下面是原理分析：
图4连通管式水位计的原理
连通管式水位计的显示水柱高度可按下式计算：
（3-2）
式中：是汽包实际液位高度；是水位测量装置的示数；是汽包内饱和蒸汽的密度；是汽包内饱和水的密度；是测量装置内水柱的平均密度。
由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内饱和水的温度，因此，总是大于，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度，它的示值偏差：
（3-3）
由（3-3）式可以看出，水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以及汽包内的实际水位等多种因素有关。
如果汽包正常水位设计在H0=300mm，而且运行时实际水位恰好在正常水位线上，则水位计的示值偏差：在压力P=4.0MPa时，ΔH=－59.6mm；在压力P=10MPa时，ΔH=－97.0mm；在压力P=14MPa时，ΔH=－122.3mm；在压力P=16MPa时，ΔH=－136.9mm。可见每升高1MPa时，一般连通管式水位计的示值偏差的变化平均为－6.5mm左右。
由上面的分析可看出连通管水位计示数不仅低于锅炉汽包内的实际水位，而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响。因此，即使我们按额定工况将水位计下移而使汽包正常水位时，水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时，仍将产生不可忽略的偏差。
四、结论
本文从理论和实际两个角度出发，研究了锅炉汽包液位的影响因素和实际测量中可能存在的误差影响。对于差压式水位计，汽包内水欠饱和及参比水柱温度对差压信号相对误差的影响是不能忽略的；对于连通管式水位计，应综合考虑汽包内压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件所带来的影响。