基于LabWindows/CVI的高压汽包核子水位监测系统的开发

　　1　汽包水位计应用现状

　　汽包水位对火电生产过程的安全性和经济性都有非常重要的意义,汽包水位是否正常,不仅影响电厂的生产经济质量指标,而且影响机组生产安全性。汽包水位过高会造成蒸汽带水导致蒸汽品质低劣,锅炉出口的饱和蒸汽湿度加大、含盐量加大,使过热器管壁上和汽轮机叶片上积垢,汽轮机通流截面减少而降低出力及机组效率,长时间运行会导致过热器超温爆管,甚至汽轮机产生水冲击造成事故。若汽包水位过低,则破坏了锅炉的汽水自然循环,致使水冷壁局部过热被烧坏,严重缺水时还很可能发生爆管、干锅等恶性事故。因此,为保证锅炉的安全经济运行,必须使汽包水位保持在允许范围内。一般是把汽包几何中心线下几十毫米处定为汽包水位的规定值,即零水位,正常运行时水位上下波动一般不能超出±50 mm[1]。

　　目前,国内外火力发电厂中采用的水位计有云母水位计、电极式水位计、双色水位计、差压式低置水位计等,这几种水位计普遍存在较大的测量误差,而且不能单独满足水位运行同时应具有的直观、连续及可供自动调节水位等多功能需要。产生这些问题的主要原因在于传感器件与被测物直接接触导致测量数据受被测介质及其环境条件的影响。基于以上分析,应用核探测技术、计算机技术和最新的虚拟仪器技术研制了高压汽包核子水位计,它具有显示直观、反映迅速、模拟量输出等优点,并具有打印、查询、图表分析等水位数据管理功能。

　　2　基本工作原理

　　高压汽包水位监测系统的测量原理如图1所示,它利用核子传感器将水位的物理量转化成电脉冲量,用上位机运行基于LabW indows/CVI的应用软件进行水位数据的采集、分析、处理,并有4~20 mA电流输出,供记录、调节水位使用。其测量原理是基于核物理学中的比尔定律,即γ射线与物质(水)相互作用后强度发生变化的规律,可表述为函数:

　　式中:I为当测量筒内存有水和蒸汽时,在测量时刻探测器所测得的计数率;I0为当测量筒内无水、无蒸汽时,探测器所测得的计数率;

　　μ1,μ2分别为水和蒸汽的质量吸收系数(cm2/g);

　　ρ1,ρ2分别为测量筒内水和蒸汽的密度(g/cm3);

　　L为测量筒的内部总长度(mm);d为水位的高度(mm)。

　　由于质量吸收系数与物质的密度及物理状态无关[2],因此水和水蒸汽的质量吸收系数相等,即μ1=μ2=μm,由式(1)可得:

　　可知:如果I0,μm,ρ1,ρ2已知,则只要测出某一时刻的I值,即可计算出该时刻的水位值d。实际应用中,I0,μm均可在实验室内系统的仿真测量筒上经过大量的实验确定下来,而ρ1,ρ2需要在线实时测量,ρ1,ρ2的值实际上取决于测量筒内的压力和温度,它们之间的关系符合热力学表,将热力学表预先存入虚拟仪器中,再根据压力和温度的实测值查热力学表求出ρ1,ρ2,为此在测量筒-300 mm处加装一个精度为5%的温度传感器T,并将汽包压力变送器P(见图1)信号一并输入计算机中。至此,式(2)中的各项参数经预先置入计算机和实测均已知,从而可以计算出测量筒内水位值d。测量筒虽与汽包相通,但终因与其分离而不处于同一物理状态下,必然造成温度不同,这就是冷却效应。它们之间会有较大且变化不定的冷却误差,造成测量筒和汽包内的真实水位不等。可用下式计算出汽包内的真实水位,即为程序界面上显示的值(见图3):