19-2. Измерение уровня воды в барабане парогенераторов

Нормальная эксплуатация барабанных парогенераторов может осуществляться только при условии строгого поддержания уровня воды в барабане в некоторых допускаемых пределах. Поэтому измерение уровня воды в барабане, особенно современных мощных парогенераторов, имеющих весьма ограниченный запас воды, является важной и ответственной задачей при их эксплуатации.

Контроль уровня воды в барабане парогенераторов с малой паропроизводительностыо и низким давлением пара в барабане осуществляется путем непосредственного наблюдения за уровнем по водомерному устройству, поставляемому совместно с парогенератором. В ряде случаев для большей надежности дополнительно устанавливают непосредственно у парогенератора сниженный указатель уровня воды в барабане. В этом случае применяют показывающие дифманометры-уровнемеры или сниженный указатель уровня «Игема» [34].

Парогенераторы производительностью и выше наряду с водоуказательными устройствами на барабане, поставляемыми совместно с ними, оснащаются дополнительно дифманометрами-уровнемерами. Вторичные показывающие и самопишущие приборы уровнемеров устанавливаются на щите управления парогенератора или блока. Эти приборы обычно снабжены контактным устройством Для сигнализации недопускаемого изменения уровня воды в барабане парогенераторов.

На современных мощных парогенераторах ТЭС кроме уровнемеров для измерения уровня воды в барабане устанавливают дополнительно дифманометры-уровнемеры со вторичными показывающими приборами, снабженными контактным устройством. С помощью этих уровнемеров осуществляется технологическая защита при

перепитке парогенератора водой и при упуске уровня в его барабане. При этом контакты вторичных приборов уровнемеров включаются в устройство защиты по схеме «два из двух» или «два из трех» [78].

В качестве уровнемеров широко применяют дифманометры мембранные типа в комплекте со вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы или дифманометры-уровнемеры типа ДМЭ с выходным сигналом постоянного тока, работающие совместно со вторичными приборами типа КСУ, КПУ и др. а также с автоматическими регуляторами, информационно - вычислительными и управляющими машинами.

Рис. 19-2-1. Схема измерения уровня воды в барабане дифманометром с использованием двухкамерного уравнительного сосуда.

Для присоединения дифманометров-уровнемеров к барабану парогенераторов применяют специальные уравнительные сосуды различных конструкций. Расчет шкалы дифманометров-уровнемеров или их вторичных приборов обычно производят на рабочее (номинальное) давление пара в барабане с учетом типа уравнительного сосуда.

Ниже приводится методика расчета шкалы дифманометров-уровнемеров или их вторичных приборов для измерения уровня воды в барабане парогенераторов с внутрибарабанными циклонами. При расчете шкалы дифманометров-уровнемеров для измерения уровня воды в барабане при погружном дырчатом щите необходимо учитывать слой пара под щитом.

На рис. 19-2-1 показана схема измерения уровня воды в барабане парогенератора дифманометром с использованием стандартного двухкамерного уравнительного сосуда (тепловая изоляция на внешней поверхности сосуда не показана). В широкой части сосуда 1, присоединенного к паровому пространству барабана, уровень воды (конденсата) поддерживается постоянным. В трубе 2, присоединенной к водяному пространству барабана, уровень воды меняется при изменении уровня воды в барабане. При установке запорного вентиля на трубе, соединяющей паровое пространство барабана с уравнительным сосудом, необходимо, чтобы шпиндель его находился в горизонтальном положении. В противном случае возможно образование водяной пробки, которая может вызвать неустойчивую работу дифманометра.

Разность давлений (Па), создаваемая двухкамерным уравнительным сосудом, которую измеряет дифманометр 3, определяется выражением

где высота столба воды в сосуде и трубе соответственно, плотность воды и пара в состоянии насыщения при давлении местное ускорение свободного падения

Из уравнения (19-2-1) следует, что при верхнем уровне воды в барабане и любом давлении пара в барабане а при нижнем уровне воды в барабане и

или

где - множитель для перевода значения выраженного в Па, в значение, выраженное в

Значение при верхнем уровне воды в барабане соответствует на шкале вторичного прибора дифманометра нижнему пределу измерения (например, Значение при нижнем уровне воды в барабане соответствует на шкале прибора верхнему пределу измерения (например,

Разность давлений соответствующая отметкам шкалы вторичного прибора дифманометра внутри диапазона измерения от до определяется выражением

Значение в миллиметрах берется со знаком плюс или минус. Измеряемый уровень воды в барабане выше нормального или среднего (средний уровень соответствует на шкале прибора отметке имеет знак плюс, а ниже — знак минус.

Пример 1. Произведем расчет шкалы вторичного прибора дифманометра-уровнемера, работающего с двухкамерным уравнительным сосудом. Абсолютное давление пара в барабане парогенератора Шкала вторичного прибора Измеряемая высота столба воды в широком сосуде Заданы также значения (для Москвы), [63]. Пользуясь формулой (19-2-2), находим значение

Определяем, пользуясь уравнением (19 2 3), значения для различных отметок шкалы прибора.

Следует иметь в виду, что вследствие охлаждения воды вдвухкамерном уравнительном сосуде, которое происходит и при наличии тепловой изоляции, на внешней поверхности его действительная средняя плотность воды в сосуде несколько

больше, чем плотность воды в состоянии насыщения принимаемая при расчете шкалы прибора. Поэтому уровень, показываемый вторичным прибором дифманометра, будет занижен по сравнению с действительным уровнем воды в барабане.

Как видно из (19-2-1), показания уровнемера зависят от разности плотностей воды и пара которая значительно изменяется с давлениемпара в барабане парогенератора. Вследствие этого дифманометры-уровнемеры с использованием двухкамерного уравнительного сосуда не могут обеспечить надежный контроль уровня воды в барабане парогенераторов высокого давления при работе его с давлением пара ниже номинального, а также при пусках и остановах парогенераторов.

Рис. 19-2-2. Изменение показаний уровнемера (рис. 19-2-1) при отклонении давления пара в барабане от номинального.

Изменения показаний уровнемера при изменении абсолютного давления пара в барабане парогенератора от принятого при расчете шкалы вторичного прибора дифманометра, до (без учета влияния охлаждения воды в сосуде) представлены на рис. 19-2-2.

Рассмотрим схему измерения уровня воды в барабане парогенератора дифманометром с использованием однокамерного уравнительного сосуда (рис. 19-2-3). Уравнительные сосуды этого типа применяют на парогенераторах с давлением пара в барабане

Как видно из рис. 19-2-3, в сосуде 1, присоединенном к паровому пространству барабана, уровень воды (конденсата) поддерживается постоянным. Этот сосуд и трубу 2 применяют без покрытия тепловой изоляцией. Труба 3 непосредственно присоединена к водяному пространству барабана. Разность давлений (Па),

создаваемая уравнительным сосудом, которую измеряет дифманометр 49 определяется выражением

или

где плотность воды столба

Пользуясь уравнением (19-2-4), определяем разность давлений которую измеряет дифманометр при верхнем уровне воды в барабане

разность давлений, измеряемую дифманометром при нижнем уровне воды в барабане

Рис. 19-2-3. Схема измерения уровня воды в барабане дифманометром с использованием однокамерного уравнительного сосуда.

Разность давлений соответствующая отметкам шкалы дифманометра или вторичного прибора внутри диапазона измерения от до определяется по формуле

Значение в миллиметрах берется со знаком плюс или минус. Измеряемый уровень воды в барабане выше нормального имеет знак плюс, а ниже — знак минус.

Пример 2. Произведем расчет шкалы вторичного прибора дифманометра с использованием однокамерного уравнительного сосуда. Абсолютное давление пара в барабане парогенератора Шкала уровнемера Высота столба воды в сосуде 1 и трубе Заданы значения (для Москвы);

Пользуясь формулами (19-25) и (19-2-6), находим значения (множитель 0,102 введен для перевода значений в Па в значения, выраженные в

Определяем, пользуясь уравнением (19-2-7), значения для отметок шкалы прибора

Рисунок 19-2-4 иллюстрирует возможные изменения (завышения) показаний уровнемера при изменении абсолютного давления пара в барабане от принятого при расчете шкалы прибора, до Рассмотренный способ измерения уровня воды в барабане парогенератора не обеспечивает необходимой точности при значительном изменении давления пара в барабане от номинального значения, а также при пусках и остановках парогенераторов.

Рис. 19-2-4. Изменение показаний уровнемера (рис. 19-2-3) при отклонении давления пара в барабане от номинального.

При использовании однокамерного сосуда для присоединения дифманометра к барабану на парогенераторах с номинальным давлением пара в барабане возможные изменения (завышения) показаний уровнемера находятся в допустимых пределах. На парогенераторах с давлением пара в барабане более однокамерный уравнительный сосуд применять нецелесообразно.

На рис. 19-2-5 представлена схема измерения уровня дифманометром с использованием комбинированного двухкамерного уравнительного сосуда (тепловая изоляция на внешней поверхности сосуда не показана). Этот уравнительный сосуд применяют на парогенераторах с давлением пара в барабане Комбинированный уравнительный сосуд отличается от двухкамерного сосуда (см. рис. 19-2-1) тем, что нижняя часть столба воды высотою находится в холодном состоянии, так как труба 1 не

покрывается тепловой изоляциеи. Высоту измеряемую от центра отверстия в сосуде до центра трубы 2, принимают равной:

Это дает возможность значительно повысить надежность измерения среднего уровня при изменении давления пара в барабане в широких пределах.

Разность давлений (Па), создаваемая комбинированным уравнительным сосудом, которую измеряет дифманометр, определяется по формуле

или

Рис. 19-2-5. Схема измерения уровня воды в барабане дифманометром с использованием комбинированного двухкамерного уравнительного сосуда.

Пользуясь этим уравнением, определяем разность давлений измеряемую дифманометром, при верхнем уровне воды в барабане

При нижнем уровне воды в барабане выражение (19-2-9) принимает вид:

Разность давлений соответствующая отметкам шкалы вторичного прибора дифманометра (например, и 0) внутри диапазона измерения от до определяется по формуле (19-2-7).

Пример 3. Произведем расчет шкалы вторичного прибора дифманометра, работающего с комбинированным уравнительным сосудом. Абсолютное давление пара в барабане парогенератора Шкала вторичного прибора Значение Значение (для Москвы). Значение определяется по формуле (19-2-8): Заданы значения

Пользуясь формулами (19-2-10) и находим значения (множитель 0,102 введен для перевода значении Др в Па в значения, выраженные в

Определяем, пользуясь формулой (19-2-7), значения для отметок шкалы прибора

Найденные расчетом возможные изменения показаний уровнемера при отклонении давления пара в барабане парогенератора от номинального значения принятого при расчете шкалы прибора, до представлены на рис. 19-2-6.

Рис. 19-2-6. Изменение показаний уровнемера (рис. 19-2-5) при отклонении давления пара в барабане от номинального

Необходимо также иметь в виду, что вследствие охлаждения воды в комбинированном уравнительном сосуде, которое происходит и при наличии тепловой изоляции, действительная средняя плотность воды столба будет немного больше, чем значение плотности воды в состоянии насыщения, принимаемое при расчете шкалы прибора. Поэтому показания уровнемера будутзаниженынесколько больше, чем указано выше.

Если принять значение то в этом случае отклонение давления пара в барабане парогенератора от номинального значения принятого при расчете шкалы вторичного прибора дифманометра, до приводит к занижению показаний среднего уровня воды в барабане уровнемером на при давлениях пара соответственно к завышению на В этом случае погрешность измерения среднего уровня воды в барабане будет меньше, чем при

С целью повышения точности измерения уровня воды в барабане парогенераторов были предложены кроме рассмотренных

уравнительных сосудов и другие их варианты, например с паровым обогревом, а также уровнемеры с коррекцией по давлению, температуре и разности плотностей воды и пара [79, 80].

Все типы уравнительных сосудов, применяемых для измерения уровня воды в барабане парогенераторов с помощью дифманометра, позволяют обеспечить надежный контроль его в широком диапазоне (от +315 до —315 мм) только при номинальном значении давления пара при соблюдении определенных условий. Уровнемеры, работающие с этими уравнительными сосудами при меняющемся давлении пара в барабане парогенераторов в широком интервале (от номинального значения до имеют ограниченную погрешность только в области одного фиксированного значения уровня (рис. 19-2-2, 19-2-4, 19-2-6).

Рис. 19 2-7. Схема измерения уровня воды в барабане уровнемером с коррекцией по разности плотностей воды и пара. 1 — труба-конденсатор; 2 — верхняя часть уравнительного сосуда для измерения ; 3 - нижняя часть уравнительного сосуда для измерения уровня воды в барабане

Коррекция по давлению (или температуре) не обеспечивает достаточной точности измерения уровня воды в барабане мощных парогенераторов при меняющихся давлениях пара в широких пределах, так как изменение разности плотностей воды и пара не является линейной функцией давления (или температуры) пара в барабане.

Уровнемер с коррекцией по разности плотностей воды и пара позволяет с достаточной точностью измерять уровень воды в барабане при отклонении давления пара от номинального значения в широких пределах, а также при пусках и остановах парогенераторов. Для такого уровнемера на Литовской ГРЭС был разработан специальный сдвоенный двухкамерный уравнительный сосуд (схема которого показана на рис. 19-2-7), позволяющий присоединять два дифманометра: один для измерения уровня воды в барабане, а второй (корректирующий) для измерения разности плотностей воды и пара Передающие преобразователи дифманометров включаются в измерительную схему вторичного прибора, выполненного на базе прибора у которого вместо дифференциально-трансформаторного преобразователя установлен реохорд и изменена

измерительная схема. Такая измерительная схема требует индивидуальной регулировки и градуировки комплекта.

Более рационально для уровнемера с коррекцией по использовать взаимозаменяемые дифманометры типа ДМЭ с выходным сигналом постоянного тока

Рассмотрим более подробно схему измерения уровня воды в барабане парогенератора с использованием сдвоенного двухкамерного уравнительного сосуда (рис. 19-2-7). К нижней части уравнительного сосуда присоединен дифманометр ДМ-1, который измеряет уровень воды в барабане. К верхней части сосуда присоединен дифманометр ДМ-2, измеряющий разность плотностей воды и пара Оба дифманометра подключают к вторичному прибору, устанавливаемому на щите парогенератора или блока.

Разность давлений, создаваемая нижней частью уравнительного сосуда, которую измеряет дифманометр определяется выражением

Разность давлений создаваемая верхней частью сосуда и измеряемая дифманометром пропорциональна разности плотностей воды и пара

В уравнениях (19-2-12) и (19-2-13) обозначения соответствуют принятым на рис. 19-2-7. Для рассматриваемого уравнительного сосуда значение

Для уменьшения влияния на показания уровнемера охлаждения воды в сдвоенном двухкамерном уравнительном сосуде его полностью покрывают тепловой изоляцией, а поддержание постоянства высот столбов воды Ну и обеспечивается конденсацией пара в дополнительной трубе-конденсаторе, не покрытой тепловой изоляцией. Однако и при наличии тепловой изоляции происходит охлаждение воды в нижней половине уравнительного сосуда, что будет вызывать изменения показаний дифманометра а следовательно, и уровнемера.

Для устранения этого недостатка, приводящего к снижению точности измерения уровня воды в барабане парогенераторов, можно осуществить вместо тепловой изоляции паровой обогрев уравнительного сосуда или использовать внутрибарабанный уравнительный сосуд [81]. Схема измерения уровня с использованием внутрибарабанного сосуда показана на рис. 19-2-8. Разность давлений, создаваемая этим сосудом и измеряемая дифманометром определяется выражением (19-2-12). В этом случае внешний двухкамерный сосуд, покрытый тепловой изоляцией, служит только для измерения разности плотностей воды и пара с помощью дифманометра Значения выбирают в зависимости от диапазона измерения уровня воды в барабане парогенераторов.

Схема уровнемера с коррекцией по разности плотностей с использованием дифманометров типа ДМЭ и вторичного прибора, выполненного на базе автоматического потенциометра типа КСП2 с сигнальным устройством, приведена на рис. 19-2-9, где дифманометры, измеряющие соответственно уровень воды в барабане и разность плотностей воды и пара; сопротивление линии связи; ВП - вторичный прибор; реохорд, нормированное сопротивление которого равно

0,1 Ом; резистор для установки значения компенсирующего напряжения на реохорде, пропорционального разности плотностей воды и пара; калиброванный резистор, напряжение на котором пропорционально измеряемому уровню воды в барабане парогенератора; резисторы для доведения сопротивления нагрузки, подключаемой на выходе дифманометров, до номинального значения.

Рис. 19-2-8. Схема измерения уровня воды в барабане уровнемером с коррекцией по и с использованием внутрибарабанного уравнительного сосуда. 1 - внутрибпрабанный уравнительный сосуд; 2 — труба-конденсатор; 3 — уравнительный сосуд для измерения

Значения выходных токов и дифманометров пропорциональны соответственно (19-2-13):

где коэффициенты передачи дифманометров.

Напряжение пропорциональное измеряемому уровню воды в барабане, с учетом выражения (19-2-14) равно:

где

Компенсирующее напряжение пропорциональное измеряемой разности плотностей определяется по формуле

или с учетом (19-2-15)

где нерабочий участок реохорда; приведенное сопротивление реохорда.

Для каждого значения напряжения можно найти такое положение движка реохорда, при котором компенсирующее напряжение равно Здесь длина рабочего участка реохорда левее движка; I — полная рабочая длина реохорда. При достижении полной компенсации напряжения напряжением движок реохорда и каретка с указателем и пером займут положение, соответствующее измеряемому отношению В этом случае с учетом (19-2-16) и (19-2-17) имеем:

Рис. 19-2-9. Измерительная схема уровнемера с коррекцией по разности плотностей воды и пара.

Принимая и учитывая (19-2-12) и (19-2-13), получаем:

Если принять а диапазон измерения вторичного прибора то при значение и вторичный прибор будет показывать при значение в этом случае указатель вторичного прибора установится на отметке 0, что соответствует среднему (нормальному) уровню воды в барабане; при значение и вторичный прибор будет показывать Приведенные значения а вместе с тем и показания уровнемера не зависят от изменения давления пара в барабане.

Погрешность измерения уровня воды в барабане парогенераторов уровнемером с коррекцией по разности плотностей

с использованием внутрибарабанного и двухкамерного уравнительных сосудов (рис. 19-2-8) будет меньше, чем погрешность измерения уровнемера с использованием сдвбенного двухкамерного уравнительного сосуда. При оценке погрешности измерения уровня воды в барабане уровнемеров с использованием сдвоенного двухкамерного уравнительного сосуда (рис. 19-2-7) необходимо учитывать также изменение показаний уровнемера вследствие охлаждения воды в нижней половине сосуда. Эти изменения показаний уровнемера могут быть определены с достаточной точностью только опытным путем. Следует при этом отметить, что погрешность измерения уровня воды в барабане парогенераторов этим уровнемером с учетом охлаждения воды в сосуде будет значительно меньше, чем при использовании уровнемеров без коррекции по разности плотностей воды и пара.

Пример 4. Рассчитаем элементы измерительной схемы вторичного прибора уровнемера (рис. 19-2-9) и шкалу его при следующих исходных данных:

Предельный номинальный перепад давления дифманометров

Предельное допускаемое рабочее избыточное давление дифманометров

Номинальное значение выходного тока дифманометром при Др —

Номинальное значение сопротивления нагрузки, подключаемой на выход дифманометров, с учетом сопротивления линии связи

Нормированное значение сопротивления реохорда вторичного прибора Ом.

Нерабочие участки реохорда

Максимальное падение напряжения на рабочем участке реохорда и калиброванном резисторе при

Шкала прибора длина шкалы

Пользуясь формулой (4-19-4), определяем

Принимаем .

Определим приведенное сопротивление реохорда

Произведем проверку правильности определения по формуле (4-19-2):

Значение принимаем равным:

или

Сопротивление линии связи Ом.

Сопротивление резисторов принимаем равным:

Шкала вторичного прибора уровнемера и данные для его поверки, которая производится после подгонки сопротивлений измерительной схемы, приведены в табл. 19-2-1. При расчете значений принимались

Таблица 19-2-1 (см. скан) Шкала вторичного прибора уровнемера с коррекцией по разности плотностей воды и пара

Ом, а приведенные значения тока соответствуют перепадам давления дифманометра Шкала вторичного прибора равномерная.