差压式液位变送器在承压容器液位测量中的误差分析

      对于承压容器的安全工作来说，液位数据是其中一项重要过程参数。实际生产实践中，承压容器内的液位与压力很多时候都是处于动态的变化过程中，外部工况条件的改变也同时有可能导致测量过程中测量值与实际液位发生较大的偏差，对工业生产的安全造成隐患。为了让用户对于此现象有一个客观的了解，小编通过本文介绍了差压液位变送器进行式液位测量方法的基本原理，对其中引起误差的多个因素进行了分析和计算，说明了液位补偿的基本原则，并通过实例对补偿前后的液位进行了测量误差分析，希望对于大家的工作有所帮助。　　

        本文概述
　　在现代工业生产中，高温高压承压容器有着**的应用，如火力发电中的锅炉汽包、核电中的蒸汽发生器等，均为承压容器。这类承压容器多在高温高压条件下工作，其中水和水蒸汽一般为饱和状态，其液位测量和控制是安全运行过程的重要一环。
　　此类容器的液位测量，目前常用的是利用差压方法[1]，即通过差压变送器测量压差从而计算液位。一般地，液位计算中选取几个正常工作点，按照相应的密度进行计算。当工作范围变化比较大时，这种方法会造成比较大的误差。
　　本文从原理上详细分析了差压式液位测量方法产生测量误差的原因，以及相应误差的计算方法，并用该方法对某实际承压容器的差压式液位测量结果进行了补偿，验证了计算方法的有效性。
　　1 承压容器差压式液位测量原理简介
　　采用差压方法进行承压容器液位测量的基本原理如图 1所示，差压变送器正压侧通过使用平衡容器来维持恒定的压力，负压侧与容器下取压口通过引压管直接相连。当容器内液位发生变化后，负压侧的压力发生变化，从而正、负压侧的差压发生变化，通过测量差压以达到测量液位的目的。
　　以上工作压力变化所引起的误差可以通过改变平衡容器的布置方式来进行补偿[2][3][4]，不过通过平衡容器补偿的方法只能保证在一定液位运行时有效，当液位变化较大时，误差也会越大。
　　工作压力变化所带来误差的根本原因是差压变送器测量得到真实差压后，由于工作压力变化导致容器和测量管路内水和水蒸气的密度发生变化，由差压计算液位的过程仍旧使用在标定压力下水和水蒸气密度值，导致出现误差。如果能够得到当前工作压力，在计算环节使用补偿算法，利用水和水蒸汽参数表IAPWS-IF97[5]计算当前容器内介质的密度值，则可以消除由于工作压力变化所带来的液位误差。
　　2.2 参考段温度变化引起的误差
　　如图 1所示，当在运行工况条件下标定差压式液位测量装置时，除标定压力外，也要确定标定条件下的参考段温度（文中称为标定温度）。一般来说，承压容器多在高温高压条件下工作，相应的参考段温度也会受到影响，如果参考段温度发生变化，液位测量也会产生误差。
　　2.4 其他误差
　　容器内流体动压头引起的误差：
　　差压式液位测量装置在标定过程中，通常认为容器内液体为静止状态，不考虑取压口流体流动的影响。一般来说，承压容器主要用于热量交换，多在高温高压条件下工作，都存在流体流动的状况，采用差压式变送器测量液位过程中，上下取压口附近流体流动所引起的动压头会对变送器的压力测量正负端产生影响，从而对液位测量带来误差。
　　平衡容器及变送器引压管布置
　　如图 1所示，平衡容器的作用是使差压变送器正压端压力由稳定液位产生，保证测量准确性，如果平衡容器设计不合理，会导致在承压容器内温度压力大范围波动时，冷凝器中液体发生沸腾等状况，导致液位波动，对液位测量带来误差；引压管布置应该从上部取压口到平衡容器进口有向上的坡度，这样当蒸汽在平衡容器中凝结后，能够回流至承压容器内，从而保持平衡容器中液位恒定；而冷凝器与上部取压口之间的引压管也不能过长，过长会导致蒸汽在引压管内已经凝结完成，然后回流承压容器，而不能往平衡容器中补充液体，导致液位不稳定从而带来误差[8]。
　　承压容器的热胀冷缩：
　　如果要精确计算承压容器内液位，也要考虑到承压容器本身的热胀冷缩特性，由于容器温度的变化，承压容器的尺寸会发生变化，相应的液位计算也需要修正。
　　3 差压式液位测量校正对比
　　根据以上差压式液位测量装置误差原因分析，现对某承压容器在运行过程中记录的液位进行分析，以验证以上分析的合理性和正确性。
　　该承压容器针对不同工作状态下的液位测量，分别布置了两个差压变送器，其中变送器1针对承压容器在正常功率运行时来测量液位，其标定压力为5.6MPa，标定参考段温度为25℃，变送器2针对承压容器在启动过程中测量液位，其标定压力为0.1MPa，标定参考段温度也为25℃。
　　在正常运行条件下，两个变送器测量的是同一个液位，测量结果应该不会偏差很大，由于标定条件的差异，两者之间存在较大偏差；经过校正计算后，得到不同功率条件下的变送器1和变送器2的测量结果比较接近，如图 3所示，可以说明上节给出的误差计算方法的有效性。
　　5 结论
　　作为承压容器液位测量的经典方法，差压式液位测量装置在现代工业中得到了普遍应用。但由于差压式液位测量装置由引压管、冷凝罐和差压变送器组成，且事先需要在参考段内充水，属于容器液位测量的间接测量方法，易受容器内介质的密度、参考段内水的密度、以及容器取压口处流体动压头等因素的影响。本文针对这些因素进行了误差分析，提出了补偿计算方法，并通过实例论证了该方法的有效性，较好地弥补了差压式液位测量方法的不足。

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