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提高水位测量的准确性、 全程投入保护、 自动的方案探讨
侯云浩, 张国斌刘吉川
( 北方联合电力公司, 呼和浩特, 010020; 内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特010020; 秦皇岛华电测控设备有限公司, 066000)
【摘要】对影响汽包水位测量精度的原因进行分析, 并针对性提出提高水位测量准确性方案。在此基础上对全程投入汽包水位保护、 汽包水位自动的方案进行探讨。
【关键词】误差分析准确性全程保护自动
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1、 引言
保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。由于负荷、 燃烧工况及给水流量的变化, 汽包水位会经常变化。水位过低, 可能导致汽包缺水而损坏锅炉; 水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水, 造成受热面结盐, 严重时会导致汽轮机水冲击振动、 叶片及轴系损坏。锅炉汽包的满、 缺水保护是锅炉运行最重要的主保护。北方公司所属电厂原有的水位测量系统的测量效果都不很满意, 主要存在的问题表现为: 机组启、 停过程水位测量准确性不高、 在启、 停过程中水位保护无法投入、 机组正常运行过程中各厂水位测量参数的补偿修正值差异很大、 同一机组不同水位计测量结果存在较大偏差等问题, 这些都对机组的安全运行造成事故隐患。
因此, 非常有必要对测量系统造成误差进行深入分析, 找出原因并采取有效措施以提高水位测量系统的准确性, 实现对汽包水位的全程精确控制和保护系统的全程投入。
2、 影响汽包水位测量精度的原因分析
2、 1测量原理上造成的误差
各火力发电厂原有汽包水位测量手段多采用云母水位计、 电接点水位计、 射线液位计、 液位开关、 单室平衡器、 双室平衡容器等。这些水位计从一次传感转换的原理看, 归纳为两种, 一种是连通器原理水位计, 另一种是差压水位计原理。
现简要介绍一下这两种测量原理的测量误差。
⑴　连通器原理
如图一所示:
不考虑饱和蒸汽静压[( H-Hˊ) ××g]的影响有公式( １) 成立
Hg≈Hˊg　　　---(1)　
H≈Hˊ×/
Δh＝H-Hˊ≈(/-1)×Hˊ-(2)
H: 汽包内水位
g: 重力加速度
: 汽包内水的密度
: 饱和蒸汽密度
Hˊ: 测量筒内水位
Δh: 汽包内水位与测量筒内水位差
图一连通器水位计原理示意图: 测量筒内水柱的平均密度
由公式( 2) 能够看出, Δh与汽包内水的密度, 测量筒内水柱的平均密度, 以及水位的高低Hˊ有关( 这里永远大于或等于, 当≥时, /≥1, Δh就存在) , 只有当＝时, 才有Δh＝0, 否则Δh永远存在, 因而水位测量误差与水位计管内水柱温度、 汽包压力、 水位的高低等因素有关。
( 2) 　差压水位计( 单室平衡容器)
如图二所示: 有公式(3)成立
H＝( -) g.Ｌ-ΔＰ-----( 3)
　　g(-)
式中ΔＰ: 变送器所测参比水柱静压与汽包内饱和蒸汽和水位的静压的差值
H: 汽包内水位
Ｌ: 参比水柱高度
g: 重力加速度
: 参比水柱的平均密度
: 汽包内水的密度
: 饱和蒸汽密度
图二单室平衡容器测量原理图
这里饱和蒸汽和饱和水( 在这里将汽包内水视为饱和水) 的密度( 、 ) 是汽包压力Ｐ的单值非线性函数, 经过测量汽包压力能够得到, 而参比水柱中水的平均密度一般是按50℃时水的密度来计算的, 而实际的具有很大的不确定性与50℃时水的密度相差很大是造成测量误差的主要原因之一, 而将汽包内水视为饱和水( 多数汽包内水为欠饱和水) 也是造成测量误差的主要原因之一。
2．2安装工艺及取样位置造成的误差
2．2．1汽包安装条件的影响
锅炉汽包安装必须满足水平度的要求, 由于安装工艺和其它因素的影响势必造成汽包两侧中心线存在高度差, 而这就要求汽包两侧的水位表安装时都应分别以汽包两侧的中心线为基准来定值, 这样才能真实反映汽包内相对于汽包中心线的水位。而这也客观造成两侧水位表的偏差。
2．2．2下降管的影响
汽包内的下降管附近, 水汽工况不稳定, 水位的扰动较大, 如果水位测量取样孔安装在下降管附近, 将造成较大的水位偏差甚至无法工作。
2．2．3仪表表体结构、 环境温度、 风向等这些因素影响水位计散热条件, 从而也就影响到水位计内参比水柱的平均密度造成测量误差。
2．3产品制造工艺造成的误差
对于差压式水位计, 如果量程选择不合适将对测量结果产生很大影响, 量程选择过大将造成测量精度的下降, 量程选择小将不能满足某些工况时的水位测量。
另外, 水位计的制造工艺也将对测量结果产生影响, 如电接点水位计电极沾污、 工作不可靠、 测量筒泄漏, 差压水位计的零点漂移等, 由于这些产品的质量问题都将引起测量误差。
2．4系统原因造成两侧偏差
由于系统原因引起两侧偏差的原因较多, 例如汽包安装条件、 燃烧偏差、 循环泵运行方式等均可能造成汽包两侧水位偏差, 其中汽包安装条件和循环水泵运行方式造成的水位偏差, 经过汽包精心安装和定位, 以及避开下降管取样等手段可加以控制。而有时两侧偏差是由于燃烧造成的, 这时就必须由运行人员调整燃烧来消除, 而不能经过热工人员的”对表”来处理, 这样后果是很危险的。
2．5系统补偿对保护及自动测量结果的影响
现役机组的锅炉汽包水位自动调节与保护信号大多公用。前面我们提过, 对于差压式水位计, 如果将测量筒参比水柱的密度按某一恒定温度设定, 而对饱和蒸汽和饱和水的密度( 、 ) 经过与汽包压力的折线函数来修正。这样如果为了保证自动控制的精度, 在正常工作压力附近的折线修正点就相对较密, 而这样一来特殊工况下( 如汽包超压) 水位测量的压力补偿效果就不好, 就会影响保护的动作可靠性和准确性。因此, 对现在普遍使用的补偿修正的水位测量系统参数的设定也是造成测量误差的一个原因。
3、 提高测量和保护准确性方案
3．1优化水位计的配置和取样位置的选取
3．1．1锅炉汽包水位测量系统的配置应采用彼此独立的两种或以上工作原理共存的配置方式。如采用7套水位计的配置方案, 可配置为1套就地水位计、 3套差压式水位测量装置和3套电极式水位测量装置; 有时根据电厂具体情况也可按1套就地水位计、 3套差压式水位测量装置和2套电极式水位测量装置或1套就地水位计、 1套电极式水位测量装置和6套差压式水位测量装置配置。如锅炉有快冷等特殊需要还应配置大量限水位测量装置。
3．1．2参与锅炉汽包水位自动控制的信号应取自3个独立的差压变送器并进行三选中处理后的信号。
3．1．3锅炉配置的电极式水位测量装置应是先进的、 且经实践证明安全可靠的, 能消除汽包压力影响, 全程测量水位精确度高, 能确保从锅炉点火起就能投入保护的产品
3．1．4取样管位置应尽量避开汽包内水汽工况不稳定区(如安全阀排气口、 汽包进水口、 下降管口、 汽水分离器水槽处等), 应优先选用汽、 水流稳定的汽包端头的测孔。电极式水位测量装置的取样孔应避开炉内加药影响较大的区域。大量限汽、 水侧取样点不应在汽包蒸汽导管上和下降管上设置。
3．1．5汽包水位计的取样管孔位置,汽侧应高于锅炉汽包水位停炉保护动作值, 水侧应低于锅炉汽包水位停炉保护动作值, 并有足够的裕量。
3．2改进安装工艺提高测量准确性
3．2．1在汽包吊装过程中要精心安装和准确定位, 保证汽包两侧中心线的高度差在允许值内( 亚临界锅炉汽包安装时的水平度应≤5mm) 。在投入生产后, 要利用大修等机会, 定期对两侧高度差进行测量, 及时校正连两侧水位计基准点。
3．2．2对就地水位计安装汽水侧取样管时,应保证管道的倾斜度不小于1: 100, 可是对于水侧取样管的倾斜度也不能过大。对于汽侧取样管应使取样孔侧高, 对于水侧取样管应使取样孔侧低。汽水侧取样管、 取样阀门和连通管均应良好保温。
3．2．3对差压式水位计安装汽水侧取样管时, 应保证管道的倾斜度为1: 100, 可是对于汽侧取样管的倾斜度也不能过大。对于汽侧取样管应使取样孔侧低, 对于水侧取样管应使取样孔侧高。
3．2．4汽包水位测量装置的排水管及其它热管不应与取样管紧挨并排布置。
3．2．5汽、 水侧取样管和取样阀门均应良好保温。平衡容器及参比水柱的管道不得保温。引到差压变送器的两根管道应平行敷设共同保温
3．3用新技术从原理上解决测量误差
3．3．1电接点、 云母的改进
针对电接点、 云母等这类利用连通器原理制造的水位计, 其测量误差的主要原因前面已分析是由于水位计测量管内水的密度和汽包内饱和水密度不一致引起的, 如果能保证水位计测量管内水的密度始终保持接近或等于汽包内饱和水密度, 那么, 公式( 2) 中有Δh＝0, 于是上述一系列偏差全消除了。根据这一原理, 现已经研制出一些新水位计, 它们采用汽包内饱和蒸汽给水位计测量管内的水加热, 并阻止其内的饱和水向外散热的手段使水位计测量管内的水接近或等于饱和温度, 当汽包内压力下降出现”假水位”时, 水位计的显示值更接近”假水位”的真实水位值, 达到了提高测量准确性的目的。
3．3．2内置平衡容器的应用
针对2．1中对采用外置式平衡容器产生误差的原因的分析, 相应研制出参比水柱接近饱和温度的内置平衡容器消除原差压式水位计测量误差。
内置平衡容器原理图如图三所示
对于内置平衡容器, 它不受汽包内水欠饱和以及外置平衡容器参比水柱温度变化的影响。变送器所测得的差压值为浸泡在汽段的参比水柱( 饱和水) 所形成的静压和相同高度的饱和汽所形成的静压之差, 相对于外置式平衡容器, 不但消除了平衡容器参比水柱温度变化的影响, 而且克服了汽包内水欠饱和对测量结果的影响。采用外置式平衡容器水位测量系统的补偿公式是假定汽包内水是饱和状态下推算出来, 而实际上汽包内的水是欠饱和的, 而且随着负荷变化欠饱和度也是变化的。这样经过采用内置平衡容器就可大大提高水位测量的精度。

图三汽包水位内装平衡容器原理图
4、 水位保护、 自动投入方案
4．1水位自动投入方案
当解决了汽包水位的全程准确的难题, 汽包水位全程自动控制就成为可能。下面以某电厂330MW机组为例, 对全程给水自动投入方案进行探讨:
全程给水自动方案应采用分段控制,小负荷用旁路给水,大负荷用主管道给水。因为:小负荷运行时,用水量很少,水位波动较大,如此时用主管道给水,会降低调节精度,致使汽包水位不稳定;大负荷时锅炉用水量大,旁路给水量不能满足蒸发量,必须用主管路给水。因此,根据负荷变化,给水全程控制回路可分为:小负荷给水控制;大、 小负荷给水切换控制;大负荷给水控制三部分。
4．1．1小负荷给水控制方案
小负荷时, 采用单冲量回路控制旁路给水调整门给水,汽包水位测量值经过汽包压力补偿后,与汽包水位设定值偏差,经过PI运算,去控制旁路给水门,维持汽包水位。这里要注意, 小负荷时,负荷变化很快,给水压力不稳定,即使旁路给水调节门开度不发生变化,给水流量也会随给水压力变化而产生变化, 这里必须采用可变增益调整回路,稳定由给水压力变化引起的变化,增强单冲量调节的适应能力,改进系统的调节品质。
4．1．2大小负荷给水切换方案
在给水全程控制中,大小负荷给水切换包括旁路给水电动门和主给水电动门的切换、 旁路给水调节门和主给水调节门的切换, 以及给水调节回路的切换,即单冲量调节旁路调节门和三冲量调节给水泵转速的切换。这几个切换过程要求有严格的跟踪回路,确保机组运行安全、 稳定。
4．1．2．1旁路给水电动门和主给水电动门的切换
两个调节门前的电动门不参与调节, 加强给水管路的严密性,防止漏流,同时,也为了维修方便。由于电动门为两位式门,水位调节过程中关闭电动门会造成锅炉断水,调节门打开后再开电动门会给给水系统带来大扰动,因此要求电动门没打开时,不允许开调节门,调节门调节时不允许关闭电动门。在升负荷过程中,负荷大于30%时将旁路给水切至主管路给水。降负荷切换时,则要增加了切换惰性回路,当负荷小于25%才切至旁路给水。这样两门不会因为负荷轻微波动而频繁切换,增强了给水系统的稳定性。
4．1．2．2旁路给水和主管路给水控制切换
由于升/降负荷切换回路设计了切换惰性,升负荷切换和降负荷切换的切换点不一样,而且每次升负荷切换或降负荷切换时工况的不同,因此每次切换时的阀门开度也不同, 为此, 针对这一情况,设计方案中应设计跟踪无扰切换回路, 保证每次切换开始时两个调节门均以记忆开度做为两个门切换的起始开度,保证切换无扰进行。
4．1．2．3单冲量与三冲量切换
小负荷时,主汽流量不稳定,给水流量也处于频繁波动状态,同时由于主汽流量和给水流量测量装置量程较大,在小流量时,很难准确测量,故不能用汽水平衡来调节水位,只能用单冲量直接调节。大负荷情况下,由于汽水已接近平衡,调节回路切换为三冲量调节, 调节更准确、 更可靠。在给水调节过程中,要求单冲量控制调整门和三冲量控制给水泵不能同时进行,以免加大扰动,增加不稳因素,也不能出现调节空档, 因此,单冲量和三冲量切换必须合理进行切换,避免出现双重调节和无调现象。
4．1．3大负荷给水控制方案
给水全程自动的大负荷控制三部分有两套方案能够选择
方案一: 在大负荷时改变调节门开度,即用节流控制的方法来改变给水量。这种方式的优点是:小负荷采用旁路给水门调节,大负荷采用主给水门调节,两阀切换比较简单,不需要配备复杂的辅助回路,而且由于阀门距汽包较近,调节起来比较直接、 迅速。其缺点是:节流损失大,给水泵消耗的功率多,经济性差。
方案二: 小负荷时用旁路给水门调节,大负荷时用改变给水泵转速,即改变给水泵出力的方法来改变给水量。这种方式的优点是:减少了给水泵的功率损失,提高了经济性。如果给水泵特性好,虽然给水泵距汽包较远,但调节系统的反应速度不比调节给水门慢甚至优于给水调整门方式。其缺点是:采用此调节方法对泵的要求较高,必须具有可调整性, 而且自动控制回路复杂, 需要另外设计给水泵控制调节系统, 实现备用泵联启、 并列运行泵的出力平衡调整以及倒泵时(退出1台正在运行的给水泵,启动备用给水泵), 在负荷切换的过程中,保证两泵负荷之和不变。
比较两个方案, 由于热工自动化控制水平已很高, DCS已普遍应用, 对一些复杂策略的实现已不再困难, 另外电厂对经济性的重视越来越高, 因此, 从安全性、 经济性和可靠性角度对新建电厂设计时第二套方案优选。
4．2水位保护投入方案( 系统构成, 定值确定原则, 试验)
当实现了水位的全程测量, 就能实现汽包水位保护的全程投入, 这对机组的安全运行具有极其重大的意义。
　　对于火电机组, 全程给水保护的配置可有三种方案选择:
方案一: 以三个从取样装置开始就独立配置的电接点水位计的开关量输出, 作为水位停炉保护的输入信号, 三选二逻辑后作为水位保护动作条件;
方案二: 三个从取样装置开始就独立配置的差压水位计的的测量结果, 与保护定值比较输出的数字量, 作为水位停炉保护的输入信号, 三选二逻辑后作为水位保护动作条件;
方案三: 测量系统至少配置2个独立的电极式测量装置和三台独立的差压式水位测量装置。2个独立的电极式测量装置测量结果与差压式水位测量装置三选中后的信号进行三取二逻辑判断, 作为水位保护的动作条件。
水位保护定值的确定必须遵守以下原则:
⑴　水位计必须以汽包运行设计的零水位作为基准点对水位计进行标定;
⑵　锅炉汽包水位保护的定值和延时值随炉型和汽包内部结构不同而异, 具体数值应由锅炉制造厂负责确定;
⑶　水位保护延时时间的确定应以水位保护定值与动作最大极限值之间的汽包存水量计算, 在完全断水, 满负荷运行时, 该水量能维持运行多少时间, 即为汽包水位保护的延时时间。
⑷　在水位保护定值确定后, 保护系统投入前必须进行实际传动试验以确保水位测量的准确和保护逻辑的科学合理。

参考文献:
［1］侯子良,刘吉川, 侯云浩,锅炉汽包水位测量系统［M］.北京:中国电力出版社, .
［2］《汽包水位测量系统应合理配置》.刊登于《中国电力》 第4期
［3］《汽包水位高精度取样电极传感器及其应用》.刊登于《中国电力》 第10期.
［4］《汽包水位测量新技术》.刊登于《中国电力》 第3期