电站常用磁翻板液位计在不同温差下的测量偏差分析

摘 要: 电站的加热器系统常使用磁翻板液位计。由于保温措施的限制,磁翻板液位计测量侧的水温会低于加热器的实际水温,从而导致测量侧水位低于加热器的实际水位,影响测量的准确性。对电站常用磁浮球的测量偏差进行了研究。其结果表明,在大多数情况下,磁翻板液位计的测量值要低于加热器的实际值。分析结果对于工业场合磁翻板液位计的首次安装使用、新磁浮球的引入具有一定的指导意义。

引言
        磁翻板液位计广泛应用于电站的液位测量,它是一种浮球式金属管现场指示液位计,其关键部件是磁浮球、测量筒和磁翻板柱显示部件 。该液位计的结构是在被测容器上接测量筒,筒内磁浮球中镶嵌磁性体,筒外设置一排轻而薄的翻板。当被测容器中的液位升降时,测量管内磁性体随浮球上下移动,外部的磁翻板柱指示部件感应到磁体的移动,从而指示出液位的变化。

        在实际应用中,尤其是在加热器液位测量过程中,由于测量筒中介质温度低于加热器中介质温度,因此会导致三畅磁翻板液位计测量筒侧液位测量值与加热器的真实液位不一致。本文对不同温差下SCUHZ系列磁翻板液位计的测量偏差进行了详细分析,对于工业现场磁翻板液位计的使用具有一定的指导意义。

1 温度对液位测量的影响
        假设一个加热器的液位测量装置如图1 所示,由于磁翻板液位计中的水温低于加热器中的水温,水温下降会导致水的密度上升,水的密度上升会产生两个相反的作用:
        ①测量通道中水位下降,测量筒中的水位低于加热器中的水位,造成测量值偏低;②测量筒中的浮球有更多部分浮在水面上,造成测量值偏高。本文对不同温差下的测量偏差进行了详细分析,并给出了电站常用的两类磁浮球的测量偏差。

2 测量筒侧的液位偏差
        在实际过程中,加热器中不同位置的水温是不一致的,它和加热器的形状、体积等条件有关,同理在测量通道中不同位置的水温也是不一致的。这会对理论计算造成较大的困难,在此对容器中水的温度分布做了简化。如图1 所示,在阀门V 的左端为加热器的水温,假设水温一致,且都为T1 ,在阀门V 的右端为测量通道的水温,设水温一致,且都为T2 。在加热器额定工作压力P 的情形下,T1 温度和T2 温度下对应的水的密度分别为ρ1 和ρ2 。在阀门V 处,左端的压力等于右端的压力,由此可得:

式中:h1 为加热器内水位;h2 为测量通道中的水位;ρ1为加热器中水的密度;ρ2 为测量通道中水的密度;△h
为实际水位与测量通道水位之差。

由式(1) 可知,当加热器内水位一定时,温差越大,测量误差越大;同理在温差一定时,加热器内的水位越高,测量误差越大。

假设加热器正常工作时水位h1 为0. 77 m,工作温度为200 ℃,工作压力为18. 6 bar。由公式可计算得到不同温差下加热器实际水位与测量通道水位之差△h,如图2 所示。

由图2 可得,当测量通道中水温在100 ℃时,测量通道中的水位会低于实际水位,约8. 4 cm,从而可以看出△h 与测量通道中水的温度以及加热器内水位高度密切相关。磁浮球一旦按照额定工况制作好后,其zui大补偿值便成定值,该补偿作用有限,无法完全补偿因温度差异导致的测量筒中水位与加热器实际水位的偏差。

3 两类浮球的测量偏差
3. 1 A 类浮球的测量偏差
A 类浮球为不锈钢3P 型浮球,浮球质量为930 g。对于这类球的计算需分为两步进行,假设非线性部分始终浸在水下,则可以先近似计算出非线性部分的体积,之后可以进一步计算总的体积。计算过程如下。
① 非线性部分
      浮球非线性部分的体积等于5 个半球加上2 个直筒再加上5 个连接环的体积,计算过程如下所示。

式中:V1 、V3 为半球的体积;V2 为直筒的体积;V4 为非线性部分的总体积。

② 线性部分
由公式可得该类浮球非线性部分的体积为880. 4 cm3 ,由于非线性部分始终浸在水下,因此非线性部分提供的浮力为F1 ,如下所示:
F1 =ρgV4 (3)
式中:ρ 为水的密度。由于浮球在水中的浮力等于它自身的重力,因此可计算得到浮球线性部分浸没水中的高度,如式(4)所示。

式中:F 为浮球的浮力;G 为浮球的重力;V5 为线性部分浸入水中的体积;h 为线性部分浸入水中的高度。
由式(4)和式(5)可得:

浮球中线性部分直筒的长度为9. 2 cm,磁性材料(即对磁翻板起作用的位置)在离直筒上端约1. 5 cm处,由此可得浮球的补偿值h′如下所示。

不同压力和温度下水的密度如表1 所示。将表1中不同温度下水的密度代入式(6)和式(7),可得A 类浮球的修正值,如图3(a)所示。结合本文图2 所示加热器实际水位与测量侧水位之差和图3(a),可得三畅磁翻板液位计中采用A 类浮球测量液位时的水位指示值与加热器真实水位的偏差,如图3(b)所示。A 类浮球在不同温差下的指示值与加热器真实水位的偏差如表2所示,其中加热器的工作温度为200 ℃,加热器的工作压力为18. 6 bar。

3. 2 B 类浮球的测量偏差
B 类浮球为3 节钛合金圆筒型浮球,浮球质量为480 g,浮球的总长度为25.5 cm,磁性材料(即对磁翻板起作用的位置)在离直筒上端约2.8 cm 处。B 类浮球的排水体积等于1 个半球加上1 个连接环再加上浸在水中直筒的体积,分别用V6、V7、V8 表示,计算过程如下所示。

式中:h 为直筒底部距离浮球浸在水中时水面的高度。由于浮球在水中的浮力等于它自身的重力,由此可得:

式中:F 为浮球在水中的浮力;G 为浮球的质量;ρ 为水的密度。
由式(9)和式(10)可以得到h 与ρ 的关系,如下所示。

由式(11)可得浮球的补偿值h′如下所示。

将表1 中不同温度下水的密度代入式(11) 和式(12)可得B 类浮球的修正值,如图4(a)所示。结合本文图2 和图4 可得SCUHZ磁翻板液位计中采用B 类浮球测量液位时的水位指示值与加热器真实水位的偏差,如图4(b)所示。B 类浮球在不同温差下的指示值与加热器真实水位的偏差如表3 所示,其中加热器的工作温度为200 ℃,加热器的工作压力为18. 6 bar。

4 结束语
        磁翻板液位计中测量筒的介质温度常低于加热器中的介质温度,随着两者温差的增加,液位指示值与加热器真实水位的偏差将会变大,且液位指示值在大多数情况下都小于液位真实值。现场首次安装使用磁翻板液位计时,可采用本文给出的计算方法,根据磁浮球的尺寸、质量、设备介质温度等信息计算出磁翻板液位计的测量值与设备实际液位的偏差,依据计算结果调整显示面板标尺,使观测到的测量值更加接近设备液位的真实值。