汽包水位高精度取样电极传感器及其应用.doc

刊 登 于
《中国电力》
2002年10期
汽包水位高精度取样电极传感器及其应用收稿日期：2002-02-20；修回日期：2002-07-
作者简介：高澎（1974－），男，江苏睢宁人，工程师，从事火电厂热工自动化研究工作。

高 澎1，滕会英2，傅 刚3， 荆予华4

(1.淮安维信仪器仪表公司， 江苏 淮安 223001；2. 衡丰发电有限公司， 河北 衡水053000；
3.马头发电总厂， 河北 邯郸 056044； 4.焦作发电厂， 河南 焦作473056；)

摘 要：简述汽包现用几种水位表缺陷, 介绍GJT-2000汽包水位高精度取样电极传感器真实取样、可靠传感原理及其用于汽包水位监视基准表和水位停炉保护的思路，并介绍该产品在电厂的实际应用效果和性能测试情况。
关键词：锅炉；汽包水位；高精度取样；电极传感器；

1 锅炉汽包现用水位表缺陷
云母水位计（水位TV）0水位负误差在汽包压力为18.40～19.60 MPa时达到150 mm，已不能用来校核差压水位计。降低仪表安装0位（或下移刻度标尺）虽能实现0位定点校正，但在汽包水位升高接近满水停炉值时读数依然偏低很多，接近缺水停炉值时反而偏高150 mm，将会干扰运行人员的事故水位判断，影响果断手动停炉。此表量程一般不能覆盖满、缺水停炉定值，在水位极高或极低时已失去监视作用。水位TV显示不清晰，牛眼式水位计盲区大，均不利于准确监视。
由于平衡容器“水位－差压”转换不稳定，正负压脉冲管路产生附加差压，差压水位计易出现较大辐度“0飘”。如压力与环境温度修正误差超差或者出错，将使指示严重失真。所以，在规定差压水位计为监视基准表时，不得不再规定以就地水位计为准，定期（每班）对其核对、校正。
差压水位计易实现0位上下小范围内的准确测量和监督，故主要用于汽包水位自调系统，“0飘” 引起自调失控的不安全后果较小，运行人员易于处理。但用于水位停炉保护则问题严重得多。保护动作测量值接近量程上下限，较大辐度“0飘”将可能导致保护动作超前（误动）或滞后（拒动）。因此，不得不规定以水位实际传动法校验保护动作实测值。但差压式水位保护水位传动校验性能很差，校验问题多。在滑参数停炉前用汽包上水法进行实际高水位传动校验的风险大。锅炉启动前或停炉前校验，只能检验冷态或低压热态的高低保护动作实测值误差。对高压运行状态下保护实际动作而言，由于实测值误差可能很大，故校验准确性很模糊，只能证明继电信号传动正确性和定值准确性。由于一次测量不稳定，很多电厂102 5t/h锅炉在点火升压、升负荷阶段不敢贸然投入保护，一般要等负荷升至额定负荷的40%～50%时才投入保护。显然不利于“锅炉水位保护未投入，严禁锅炉启动”规定的贯彻执行。
电接点水位计在其量程内有水即可稳定测量，检测可信，即便某点显示有误，仍可根据其余点判断水位，显示直观醒目。故30多年来用于监视主表、差压水位计核对和保护报警。但随着使用压力增高，传感器（测量筒）取样负误差增大，亚临界压力下负误差在0位可达150 mm，高水位停炉值可达250 mm。在监控保护系统中已失去使用价值。不能用于停炉保护是因为：高水位动作严重滞后，饱和蒸汽早已严重带水，可视为保护拒动；电极机械密封泄漏率高，水质差，电极易污染，需经常排污冲洗，增加保护切投次数和故障率。
大量程电接点水位计供停炉后汽包满水冷却上水操作和满水监视，供缺水停炉后具体水位事故值监视以便判断能否补水及时恢复运行。但测量筒在锅炉运行时 “满水”或“缺水”必须解列，停炉后又需及时恢复测量，使用不方便。
显然，要有效防止锅炉满水、缺水事故，需要有更准确、更可靠的汽包水位表。为此，淮安维信仪器仪表公司选定电接点测量筒为技术突破点，研制出GJT-2000系列汽包水位高精度取样电极传感器（即测量筒）。该专利产品已在几家电厂作为监视基准表和保护仪表成功运行，并通过了河南、河北省电力公司技术鉴定。
2 高精度取样电极传感器关键技术原理
GJT-2000A高精度取样电极测量筒采用综合技术，实现全工况真实取样、高可靠性测量传感。原理示意见图1。
2.1高精度取样
利用传热学原理使水样平均温度逼近汽包内饱和水温，取样水柱逼近汽包内水位，使电极如同在汽包内部一样检测，实现水位高精度测量。
2.1.1加热水样
在测量筒内部设置笼式内加热器，利用饱和汽加热水样。加热器由不同传热元件构成。加热方式有内热和外热。内热既有水柱径向传热元件，又有轴向分层传热元件。加热器上口敞开，来自汽侧取样管的饱和蒸汽进入加热器，像汽笼一样加热水柱。传热方式与结构设计既有利于增加加热面积（GJT-2000设计可做到加热面积是筒体散热面积的1.4倍），又有利于热交换。
饱和蒸汽在加热器中放出汽化潜热，其凝结水由排水管引至下降管，以下降管与汽包为一侧，以排水管与加热器为另一侧构成连通器。裸露的排水管中平均水温低于下降管水温，水位则低于下降管侧。连通点标高愈低，压力愈高，水位差愈大。为保证排水管侧水位不会升至加热段而减小加热面积，要求连通点选在汽包中心线下15 m。这样可使压力为6.0 MPa时，排水管中水位在加热器之下0.5 m，当压力低于1.0 MPa时水位才会接近加热器底部影响加热，而1.0 MPa以下压力时的取样误差很小，可忽略不计。所以，加热系统能适应锅炉变参数运行，保证全工况真实取样。
2.1.2加大水样中饱和水含量
设置冷凝器使新型测量筒比普通测量筒高出许多，这是专利产品最重要的外形特征。来自汽侧取样管的饱和蒸汽在冷凝器中冷凝，大量凝结水（温度为饱和水温）沿壁而下，分区收集，由布置在饱和蒸汽中的数根疏水管在不同深度疏至水样中，将低温水样置换出测量筒。亦可认为新凝结水加大了水样中饱和水含量，提高了水样平均温度。高倍率置换可有效提高水柱温度，并使之上下均匀分布。经计算，由于冷凝器冷凝，在汽侧取样管中引起流速增加很小，取样附加误差可小至忽略不计。之所以采用笼式内加热器，是为利用汽侧筒体散热产生的凝结水，进一步减小取样误差和加强水质自优化功能。
以上2种技术的综合使进入水样的热流密度比普通测量筒大得多，热平衡过渡过程时间短。当压力变化引起汽包内水位变化时，热流密度随之变化，水样温度变化快，故取样对压力变化动态响应快。大量凝结水的生成，在水侧取样管中形成连续流向汽包的高温水流。当汽包水位大幅度升高时返回测量筒的水样少，且水温与饱和温度相差小，故对汽包水位升高的取样动态误差小。笼式内加热器在测量筒内占有相当大比例的空间，与旧型测量筒相比，水柱截面积小得多，故对汽包水位变化响应快。
GJT-2000测量筒内有稳定热源，故对取样管道长度、截面、测量筒现场布置等安装要求宽松于旧型测量筒。
2.2. 高可靠性测量传感
2.2.1准确取样的稳定性与可靠性
利用加热器和冷凝器在一次取样环节消除汽包压力和环境温度的影响，其可靠性与稳定性显然是差压水位计采用压力非线性修正、环境温度定点补偿所不及的。
2.2.2水质自优化
设置冷凝器除提高水样温度外，更重要的作用是实现取样水质自优化。大量纯净水进入水室，将水质较差的旧水样压至汽包，形成自动净化置换回路，水样为“活水”。设计置换倍率可高达 20次／h，故水质自优化功能强。GJT-2000测量筒的独特优点是：（1）免排污。水质好，减轻了对电极的污染。初装彻底冲洗后，在3～4a大修周期内免排污，既减少了维护量，又可避免热态排污加快电极寿命损耗，减少由此而引起的保护切投次数。（2）可增大水样电阻率，利于减小工作电流，减缓电极的电腐蚀而延长寿命。（3）水质稳定，水样上下水阻率分布较均匀，利于提高二次仪表测量的稳定性，不必经常调整仪表临界水阻。（4）水侧取样管中有连续流向汽包的高温水流，当汽包水位大幅度升降时，电极承受的热冲击较小。
2.2.3电极装置组件特点
RDJ-2000型柔性自密封电极组件是GJT-2000测量筒另一重要外形技术特征。电极安装机械密封原理是利用筒内压力增加密封紧力，自紧力与压力成正比，压力愈高，自紧力愈大。加上安装预紧力，有足够紧力保证密封不泄漏。电极冷态可靠密封试验压力可达40 MPa。柔性密封材料可耐1000℃高温，承压强度高，回弹性能与热紧性能好。电极带有拆卸螺纹，拆卸方便，一般女工即可操作。而国内外现用电极组件的密封紧力随压力增加而减小，需要预紧力很大，加之采用硬靠机械密封，密封可靠性低，热紧性能差。RDJ-2000电极安装有2°～3°仰角，可防止电极挂水与水渍。
2.2.4保护报警性能
由于测量筒内水柱平均温度、相对标高与汽包内饱和水一致，报警电极如同在汽包内部定点检测一样，取样水质又优于汽包内饱和水，故仪表全工况报警准确性、稳定性、可信度之高，是差压式水位报警无法达到的。
锅炉运行中，不需升降汽包水位即可进行测量筒“满水和缺水实际传动校验”。关闭水侧取样截门后，测量筒内水位逐渐上升，几分钟（额定工况下）后可“满水”。关闭排水门，缓慢开启排污门，水位逐渐下降至“缺水”。其间仪表应发出高低1、2、3值报警信号。因此，水位保护实际传动校验快、准、易行，并可在锅炉运行中定期校验。此独特性能使电接点水位计最适用于停炉保护。
2.3大量程全工况电极传感器
GJT-2000B汽包水位大量程全工况电极传感器是GJT-2000A型测量筒性能的扩展。如欲监视汽包全满水，则增加1个汽侧取样管，在汽包集汽导管上取样，测量筒有3个取样管；如欲监视汽包全满水和全缺水，再增加1个水侧取样管，在下降管取样，测量筒有4个取样管。特殊的取样系统设计消除了汽、水流干扰。测量筒不仅适用于停炉后，在锅炉运行时也能和主表一样准确取样，在水位事故被迫停炉时在主表量程之外可监测到具体水位事故值，以便事故分析与处理。
3 电测二次表

GJT-2000型测量筒可与各种二次电测仪表相配套，但要求检测临界水阻不小于300 KΩ。GJT-2000型电极传感器与配套研发的DS－2000全智能化电测仪表组成GD2K新型电接点水位计测量系统（见图2）。
采用16位CPU全智能控制的就地表、远程表以双绞屏蔽线相连，按RS—485网络协议双向通信，组成DS－2000电测单元。测量筒从汽包内高精度取出测量水柱，就地表通过多芯高温线巡回检测电极对地电阻变量，进行数据处理定出汽水界面，输出4～20 mA阶梯模拟量和报警开关量，并进行自身故障和电极开路、短路、污染等项目诊断，实时数字显示水位和诊断结果，并将检测数据处理结果传输给远程表。远程表将所得到的数据再处理，以数字与光柱双重显示水位，输出阶梯模拟量和开关量，显示诊断结果，仪表自身有灯光与不同频率音响2种方式报警。汽水阻阈值、诊断阈值、报警点、报警回差等工作参数均可通过就地表和远程表软件设定或修改，并相互刷新。就地表还可作为DCS的智能前端，按RS—485网络协议与DCS双向通信，以大屏幕上固定窗口显示检测信息，开关量用于DCS保护系统。DS－2000对电极与水质诊断可进一步提高传感器可靠性。
4 工业应用
4.1应用概况
1996～1998年，GJT-2000测量筒首次应用于江苏华能淮阴电厂2台670 t/h锅炉。经一系列改进完善后，从1999年起推广用于河北马头、河南焦作、江苏徐州等电厂多台超高压锅炉。2000年GJT-2000与DS-2000电测仪表成套，首次用于河北衡水电厂2台1025 t/h亚临界锅炉。现已有57台GJT-2000系列测量筒投运。
4.2深化应用思路
上述应用并非测量筒简单更换，而是以电接点水位计测量系统改进为中心，在DCS技术支持下对汽包水位监控系统进行一体化技术改造［1］。充分发挥GJT-2000A型测量筒高精度高可靠性检测性能，电接点水位计用作监视主表（基准表）和保护仪表，用于差压水位计校核与调整。
为构成可靠的人机停炉双重保安系统，冗余设置3套电接点水位计以便运行人员仪表诊断，按“三取二”判据快速判断事故水位，果断手动停炉。每个表计高低水位6个开关量，分别用于停炉保护、联锁、热工信号报警系统的6个“三取二” 信号网络。
鉴于电接点水位计在监控保护系统中的重要地位，必须保证测量筒在最佳部位独立取样，最大限度减小汽、水流干扰，使取样真实、稳定、可靠。鉴于国内外控制标准规定强调保护与自动调节冗余信号“应在地理上和功能上分开，用于控制系统的传感器不应用于安全系统”［2］，则必须解决汽包封头水位测孔数量不足问题。马头、焦作、淮阴、徐州等电厂为避免保护“三取二”与自调“三选中”信号合用测孔或合用差压变送器信号，采用淮安维信仪器仪表公司的“汽包水位多测孔接管”专利技术，没有在汽包上重新开孔而增加了4对测孔，避免信号“危险集中”，保证测量筒在汽包封头取样。衡水电厂采取屏蔽措施，解决了汽包内给水管连接法兰泄漏严重干扰取样的问题。
国内外控制标准没有强调保护与监视系统分开，电接点水位计与自动调节无关，开关量用于保护可视为保护专用仪表，还可使运行人员及时发现信号源故障及时处理，对提高可靠性有利。
4.3运行与测试情况
4.3.1测量筒取样独立性
云母水位计和测量筒连接在同一对多测孔接管上。华能淮阴电厂进行了取样独立性专题试验，结果是云母水位计冲洗时形成最强干扰，电接点水位计显示不变，表明多测孔接管技术保证了测量筒取样独立性。
4.3.2升降水位时水位计对比试验
1997年4月27日，华能淮阴电厂在2号炉进行了该项试验。2号炉汽包甲封头安装甲电接点水位计（配套GJT-2000A）和云母水位计，乙封头安装乙电接点水位计（配套旧型测量筒）和满水电接点水位计（配套GJT-2000B，在+300 mm～-300 mm之间相邻电极中心距为50 mm，分辨率低于主表。）。
表1 升降水位时几种水位计示值对比试验

序号
锅筒压力／MPa
甲电接点水位计/mm
乙电接点水位计/mm
满水水位计/mm
云母水位计/mm
1
15
+100
0
+100
-30
2
15
+100
+20
+100
0
3
15
+100
+40
+150
+10
4
15
+150
+60
+50
+30
5
15
+100
0
+100
-20
6
15
+80
-20
+50
-50
7
15
+60
-40
+5 0
-60
8
15
+20
-80
0
-110
9
15
0
-80
0
-110
10
15.5
-20
-100
-50
-120
11
15.5
-40
-150
-50
-130
12
15.5
-60
-150
-100
-150
13
15.5
-80
-200
-100

汽包水位升降时水位表示值见表1。表中序号1、5为正常“0水位”运行时观察记录值，其余为水位升降试验记录值。数据分析可见，普通测量筒和云母水位表比GJT-2000A、GJT-2000B测量筒取样低80～100 mm，与计算值-90 mm相接近。
焦作、马头电厂亦进行了新旧测量筒运行取样对比。焦作电厂4号炉新旧测量筒分置汽包2封头，马头电厂6号炉则在同一封头。在接近额定压力下，旧型测量筒比新型测量筒取样约低100 mm。取样对比表明新型测量筒取样已接近汽包内真实水位。
4.3.3测量水柱温度
2000年12月29日，河南省电力试验研究所在焦作电厂6号炉实测取样水柱温度。用电极式热偶套管代替GJT-2000A测量筒-100点电极，以铠装热电偶测量水柱温度为342.10 ℃，测试时汽包压力14.93 MPa，对应饱和水温度342.12 ℃，实测值比饱和水温度仅低0.02 ℃。而普通测量筒-100点水柱温度理论计算值为283 ℃，比饱和水温度低59℃。GJT－2000A测量筒内水柱温度上下分布均匀，可见取样水温已完全逼近饱和水温度，水位取样真实。
4.3.4筒体外表温度测量
2001年9月，在衡水电厂用红外线测温仪测量筒体外表温度，汽侧和水侧温度一致。距测量筒约200 mm处水侧取样管温度比汽侧仅低1～3℃（因水侧散热所致），表明水柱温度为饱和水温度。
4.3.5测量筒运行概况
均为主表的3套电接点水位计显示差值基本在30 mm之内。自点火起就可靠地投入了水位停炉保护，避免了不投保护而违章启动锅炉的不安全现象。水位停炉保护未发生拒动与误动。淮阴电厂最早投运的测量筒至今已5 a多从未排污过，水质依然良好。冬季未发生排水管冻管故障。RDJ-2000电极组件未发生机械密封泄漏。DS-2000电测仪表运行可靠。
淮阴、焦作电厂安装3取样管测量筒，马头电厂安装4取样管测量筒，在锅炉运行时大量程仪表示值和主表基本一致。
4.3.6工业试用中发生问题与处理
电极头部传统工艺焊缝太窄仅有0.5 mm，因汽水流冲刷和腐蚀，1个大修周期内有极个别电极焊缝泄漏。现已将焊缝增加到2 mm，可有效提高电极平均寿命。极少数自密封电极组件发生过配合质量不良问题，如最早几台压盖为20G锅炉钢，改为45号钢后即解决了不易拆卸问题；个别电极拆卸螺纹与拆卸螺母配合不良影响电极拆卸，通过严格质量管理也已解决。DS－2000远程表在试运初期出现过个别并联发光二极管烧坏故障，在保证足够亮度前提下调小工作电流则避免了此类故障。至于个别锅炉电接点水位表显示偏差较大，经现场诊断是由于燃烧偏斜和汽包内设备异常所引起。
4.3.7解决了严重高水位运行问题
改造前因电接点水位计有100 mm负误差，导致汽包内水位高100 mm运行，影响饱和蒸汽品质。河南省电力试验研究所在焦作电厂3号锅炉（HG-670t/h）进行了水位高低与汽水品质对比试验。
高水位工况为+100 mm，相当于改前仪表显示0水位工况，此时水位已几乎淹没旋风分离器汽水混合物进口管，影响分离效果；低水位工况为-75 mm，此时水位在进口管下边缘，最有利于汽水粗分离[3]。-75 mm工况5次采样化验，饱和蒸汽电导(μs/cm)分别为2.2、1.8、1.6、1.5、1.6，平均值为1.7。+100 mm水位工况4次采样，电导分别为4、6、6、6，平均值为5.5。炉水sio2含量均为0.1mg/I 。电导增加3.8，表明在炉水品质未变情况下，高水位运行使饱和蒸汽品质明显变差。改造后，高水位运行问题迎刃而解。
4.3.8准确核对CRT差压水位计
几家电厂均以新型电接点水位计为准，在不同压力下核对、校正差压水位计0位。具体方法是：电接点水位计显示由0变为+15瞬间，由电极头半径为5 mm可知汽包内水位约为+10 mm；由+100变为+150瞬间，可知水位约为+145 mm；由0变为-15瞬间，由于电极挂水约3 mm，可知水位约为-7 mm。故可在较大量程范围内、不同压力下以推算值准确核对差压水位计示值。
5 评价
2000年12月29日，河南省电力公司组织鉴定委员会对焦作电厂GJT-2000测量筒应用改造进行了技术鉴定［4］。河北省电力公司于2002年4月6日亦对马头电厂的改造进行了正式技术鉴定。通过评审，鉴定委员一致认为，GJT-2000测量筒与汽包水位测孔改造设计新颖，测量准确度高，运行可靠，达到了国内领先水平，为防止锅炉满水缺水事故提供了可靠的技术保证。

参考文献：
［1］ 李刘军，高维信，傅刚，荆予华. 汽包水位监控保护一次测量系统改进[J]. 电力安全技术，2002，（4）：28-30.
［2］ 张晋斌，张徐亮. 火电厂安全保护系统设计探讨[J]. 中国电力，1998，（5）：69－71
［3］ 林宗虎，陈立勋. 锅内过程[M]. 西安：西安交通大学出版社，1990.
［4］ 邹文华. 汽包水位高精度及多测孔接管测量装置通过鉴定[J].中国电力，2001，（4）:50.
［5］ 陈文明. 高压锅炉就地水位计严重误差的消除[J].电力技术，1982，(12)：38－42.

GAO Peng1, TENG Hui-ying2, FU Gang3, JING Yu-hua4

(1.Huaianweixin Instrument Gauge Co., Ltd., Huaian223001, China; 2.Hengfeng Power Co., Ltd., Hengshui053000, China; 3.Matou Power Plant, Handan056044, China; 4.Jiaozuo Power Plant, Jiaozuo473056, China)

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