浅析锅炉汽包水位测量新技术应用

陈国柱

陕西渭河发电有限公司    陕西省咸阳市   712085

【摘要】火力发电厂锅炉汽包水位的测量具有十分重要的意义，它关系到电厂的安全经济运行。文章主要介绍了陕西渭河发电有限公司锅炉汽包差压式水位测量的方法及误差的产生，解释了汽包锅炉水位计存在偏差较大的原因，针对这一问题采取了有效的改造措施，对同类型锅炉解决此类问题有借鉴意义。

【关键词】汽包水位；内装平衡容器；高精度取样电极传感器。

1引言

在锅炉运行过程中，锅炉汽包水位测量准确性具有十分重要的地位。随着火电机组的不断增加，汽包水位测量误差大和启动时汽包水位保护不能正确投入的问题越来越突出。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要安全指标，锅炉正常运行时,汽包水位会直接影响蒸汽的品质和锅炉的安全，当水位过低且负荷很大时汽包内的汽化速度很快，液体会全部汽化，可能导致锅炉烧干甚至引起爆炸；水位过高时会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，降低蒸汽的质量。

锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。

2锅炉汽包水位测量原有系统基本情况

陕西渭河发电有限公司为4×300MW燃煤机组，#3机组汽包共设计8对测孔，现配置3台老式单室平衡容器差压水位计、2台电接点水位计、1台磁翻板水位计,在汽包左侧端头有1对备用测孔，汽包右侧端头有2对备用测孔。

通过对现有汽包水位测量系统测量数据进行研究，并现场进行实际水线测量，对汽包水位测量系统存在的问题及安全隐患进行分析，主要有以下几点：

2.1水位计测量误差大

磁翻板水位计和电接点水位计测量误差大，由于没有温度补偿系统，导致水位计表体内的水柱温度总是低于汽包内饱和水的温度，其测量值远低于汽包内真实水位。

2.2各水位计之间测量偏差大

老式差压水位计因为安装缺陷使得补偿密度不均常常使测量值大于汽包实际水位值；所以两种测量原理的水位测量偏差相叠加时常常对汽包水位调整与保护带来重重困难，致使汽包水位很难达到在全过程、全范围内同侧偏差在±30mm以内，瞬态不超过±50mm的测量要求。

2.3汽包水位测量与保护系统稳定性和可靠性低。

目前的汽包水位测量与保护系统存在的问题较多，运行人员不能进行可靠的监测和控制，在启、停炉阶段和事故状态时，保护不能可靠投入，易发生保护误动和拒动，给锅炉运行带来很大安全隐患。所以有必要对汽包水位测量与保护系统进行改造，提高系统的安全性与可靠性。

3传统汽包水位测量系统存在问题及分析

3.1连通管式锅炉汽包水位计

连通管式水位计结构简单，显示直观，它可以做成就地显示的双色云母、磁翻板水位计等，也可以用摄像头和工业电视远传显示。但其原理都属于连通管式。如下图：

连通管式水位计是利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在连通管处有相等的静压力，可以间接反映汽包中的水位，因此，也称为重力式水位计。

连通管式水位计的显示水柱高度 Hˊ可按(2-1)式计算:

式中: H——汽包实际水位高度，mm；

Hˊ——水位计的显示值，mm；

ρs——汽包内饱和蒸汽密度，kg/m3；

ρw——汽包内饱和水密度，kg/m3；

ρa——水位计测量管内水柱的平均密度，kg/m3。

由于水位计管内的水温总是低于汽包饱和水的温度，因此ρa总是大于ρw ，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度，它的示值偏差：

                     

由（2-2）式可以看出，水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以及汽包内的实际水位等多种因素有关。

(1) 影响汽包水位计管内水柱温度变化的因素

汽包水位计管内水柱平均温度与下列因素有关：

1）汽包压力。随着汽包压力的增加，相应饱和温度升高，冷却效应加剧，水柱平均温度与饱和温度的差值增大。汽包压力在额定工况下、水位处于正常水位时，连通管式水位计的平均温度低于饱和温度的数值一般为：中压炉50～60℃，高压炉60～70℃，超高压及以上锅炉70～80℃以上。

2）汽包水位高水位时，由于水位计中水柱高度增加，散热损失增加，同时汽柱高度减少，蒸汽凝结量减少，因此，水柱的平均温度较正常水位时低，与饱和温度的差值增大；反之，低水位时，差值减少。据有资料介绍，水位变化±50mm 时平均水温较正常水位时约有16～24℃的变化。

3）汽包压力的变动速度由于水位计有热惯性，所以水位计水侧平均温度变化滞后于汽包压力变化，滞后于汽包内饱和水温的变化，造成动态过程中产生偏差，表现在锅炉启动升炉过程中，水位计水侧平均温度竟低于饱和温度达120℃。

4)表体结构、环境温度、风向等这些因素影响水位计散热条件，从而影响到水位计的温度。

综上所述，由于水位计管内水柱平均温度受诸多因素影响而变化，致使水位测量产生较大的、且变化十分复杂的偏差。饱和温度差愈大，则偏差愈大，水位计显示值愈低于实际水位值。

（2）汽包工作压力对水位计显示值的影响

汽包工作压力变化时，除了导致水位计管内水柱温度变化，即ρa变化而影响水位计水位显示值外，还会引起ρw、ρs的变化而使测量产生偏差。当汽包内实际水位H值一定时，压力愈高，│ΔH│值愈大；压力愈低，│ΔH│值愈小。如果汽包正常水位设计在H0 =300mm，而且运行时实际水位恰好在正常水位线上，则水位计的示值偏差：在压力P=4.0MPa 时，ΔH=-59.6mm；在压力P=10MPa 时，ΔH=-97.0mm；在压力P=14MPa 时，ΔH=-122.3mm；在压力P=16MPa 时，ΔH=-136.9mm。可见每升高1MPa 时，一般连通管式水位计的示值偏差的变化平均为-6.5mm 左右。

(3)汽包内实际水位高度对水位计显示值的影响

当汽包工作压力为一定值时，汽包内的实际水位也会对水位测量产生偏差，由公式(2-2)不难看出，偏差ΔH 与实际水位H 成正比，H 值愈大，│ΔH│值愈大；H 值愈小，│ΔH│值也愈小。根据上海锅炉厂提供的资料，对于亚监界锅炉(18.4～19.6MPa)在额定压力下，汽包水位计的零水位要比汽包内实际正常水位低150mm，也就是说，当H＝300mm 时，ΔH＝-150mm；当H＝0mm 时，近似偏差ΔH＝0mm；但是,当H＝600mm 时，近似偏差高达ΔH＝-300mm。如果将水位计下移150mm，虽然在正常水位处偏差消除了，但当高水位和低水位时，误差仍将很大。

综上可见，上述的基于连通管式原理的汽包水位计显示的水柱值不仅低于锅炉汽包内的实际水位，而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响，水位计显示值和汽包内实际水位间不是一个确定的、一一对应的关系。因此，即使我们按额定工况将水位计下移而使汽包正常水位时，水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时，仍将产生不可忽略的偏差。

3.2差压式锅炉汽包水位计

差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位的，因此，其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。以前国内外最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形成差压来测量汽包水位，如图所示。

水位-差压转换原理图

正负压管输出的压差值△P 按（2-3）式计算：

                        ………（2-3）

或改写成：

                                                           ………（2-4）

式中     H ——汽包实际水位高度             Hˊ——水位计的显示值

——汽包内饱和蒸汽密度           ——汽包内饱和水密度

——水位计测量管内水柱的平均密度

图2-3表示了汽包压力和密度差的关系。

图2-3 汽包压力和密度差的关系

根据公式（2-3）和（2-4）以及上图可以看出，汽包水位与差压之间不是一个单变量函数关系，更不是一个线性函数关系；饱和水密度和饱和蒸汽密度的变化将影响测量结果，而饱和水密度和饱和蒸汽密度与汽包压力有如图2-3 所示的函数关系。因此，汽包压力的变化将影响差压水位计的测量结果。此外，参比水柱温度变化同样也会影响差压水位计的测量结果。以L=600mm 为例，计算表明：

（1）压力愈低，差压信号的相对误差愈大。以工作压力P=17Mpa 为基准，并假定为40℃时的密度值，汽包水位在H =300mm 处，则当工作压力P=11Mpa 时，误差为-4.1%；当P=5Mpa 时，误差为-9.17%；当P=3Mpa 时，误差达到-12.4%。

（2）根据计算，参比水柱平均温度对水位测量的影响如表所示。

温度（℃）	40	60	80	100	120	130	140	160
影响值（mm）	——	9.6	33.2	62.3	91.4	108	125	162

从上表可知，如果参比水柱的设定温度值为40℃，当其达到80℃时，其水位测量附加正误差33.2mm；当参比水柱温度达到130℃时，其水位测量附加正误差高达108mm。

由此可见，汽包压力参比水柱温度对差压信号的相对误差的影响都是不可忽略的。

3.3综述

通过以上分析，锅炉汽包水位测量技术存在的问题主要表现在下列三个方面：

（1）测量误差大，而且具有很大的不确定性；

（2）可靠性和维护性较差、监视不方便；

（3）没有可以信赖的基准仪表用于标定各种汽包水位表。

4汽包水位测量系统新技术概况

4.1高精度取样电极传感器

GJT-2000高精度取样电极传感器（专利号：ZL201010131477.5）测量筒的特点：

1）取样精度高，取样水位与汽包内水位相同，使仪表监视与报警可信；

2）带有伴热循环系统，可消除压力与环境温度影响，能适应变参数运行，可用于点火时投入水位保护；

3）压力变化影响快，水位升降时动态附加误差小；

4）不必升降汽包水位进行水位保护实际传动校验，校验易行、准确可信；

5）自带冲洗功能。水质好，水阻高，排污周期长，电极寿命长；

6）电极上仰安装，加之水质循环凝结水由输水管输送，可有效防止挂水；

7）电极与测量筒之间自紧机械密封+预紧力密封，不泄漏，预紧密封力小，电极拆卸装方便；

8）有稳定的热源，对取样管道长度要求松，便于现场安装布置和维护。

4.2内装平衡容器

DNZ系列汽包内装平衡容器专利产品（专利号：ZL201420866749.X），它将单室平衡容器置于汽包内部，使其参比水柱永远置于饱和温度环境下，克服了传统外置单室平衡容器的参比水柱温度变化造成的测量附加误差，影响测量的可信度。原理图如下：

1）由上图列出公式：ΔH=L- H0-ΔP/（γ1-γ2）。我们可以看出，差压变送器所测量水位只与饱和水和饱和汽的密度有关，而密度只与压力有关，我们只要测出汽包压力就可以从密度表中查出密度，代入公式即可计算出水位。

2）由于将平衡罐安装在汽包内，使平衡罐及引出管中的水的温度为汽包内饱和水的温度，其密度为饱和水的密度，这样在进行补偿计算时就有稳定的参数，可以准确计算出汽包水位；

3）由于在汽包的汽侧取样管上焊接有冷凝罐，可以及时向平衡罐中补充冷凝后的饱和水，可以保证在起炉不久就可以投入汽包水位保护。

5汽包水位测量系统改造实施过程和效果

5.1 汽包左侧端头拆除原2台老式差压水位计和1台电接点水位计, 在原有测孔各安装2台内装平衡容器。

5.2 利用汽包左侧1对备用测孔恢复1台高精度取样电极传感器。

5.3 汽包右侧拆除1台老式差压水位计和1台电接点水位计，在原有测孔安装1台内装平衡容器和1台高精度取样电极传感器。

改造后配置图：

通过对3台内装平衡容器水位测量运行曲线长时间观察分析，在稳态运行下三台差压水位计偏差一直保持在30mm以内。通过曲线及分数据析，得出结论如下：

1、改造后的内装平衡容器水位计、高精度取样电极传感器，在全过程、全工况测量结果一致，同侧静态偏差在20mm以内，动态偏差在30mm以内；

2、通过本次水位改造，实现了多原理水位计共存，在不同工况下、不同原理水位测量准确、可靠，满足了DL/T13932014《火力发电厂锅里汽包水位测量系统技术规程》的技术要求。

6结语

本文中方案的制定和实验数据的测量记录工作是在秦皇岛华电测控设备有限公司等工作人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

参  考  文  献

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