蔣 健，孫長生，王 蕙，丁俊宏

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

汽包水位是表征鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，水位測量值與實(shí)際值的偏差問題，是一直困擾火電機(jī)組熱工測量與安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的難題。通過對浙江省主力發(fā)電廠進(jìn)行的水位測量問題專題調(diào)查，對一些汽包取樣裝置的安裝位置進(jìn)行標(biāo)高核對，利用檢修機(jī)會(huì)進(jìn)入一些汽包內(nèi)部檢查汽包水位運(yùn)行水跡線，進(jìn)行汽包水位燃燒調(diào)整試驗(yàn)，并對省外一些發(fā)電廠進(jìn)行了調(diào)研，在此基礎(chǔ)上，提出了提高汽包水位測量系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的改進(jìn)意見，以供參考。

1 存在的主要問題

1.1 模擬量信號測量

目前浙江省400 t/h及以上汽包爐共有57臺(tái)，汽包水位模擬量測量的配置和控制、保護(hù)信號的提取方式，基本滿足機(jī)組安全運(yùn)行的需要，但運(yùn)行中存在以下主要問題：

（1）測量顯示偏差。不同變送器的顯示值不一致，兩側(cè)顯示偏差高的達(dá)100 mm，即使是同側(cè)偏差，有時(shí)也高達(dá)幾十毫米，且隨著機(jī)組負(fù)荷變化而不同，很難找出變化規(guī)律。

（2）邏輯故障判斷功能不完善。部份機(jī)組不具備《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)要求》中要求的汽包水位信號故障后的邏輯判斷自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能及水位和補(bǔ)償用的汽包壓力信號壞信號判別功能。

（3）共用測量孔。由于汽包上預(yù)留的取樣孔不足，因此存在共用取樣孔和平衡容器的情況，未能做到全程獨(dú)立。

（4）安裝不規(guī)范。有的鍋爐差壓式水位測量裝置取樣管安裝傾斜度不足，甚至有個(gè)別差壓水位計(jì)取樣管基本水平。

（5）信號處理可靠性低。通常在模擬量控制系統(tǒng)（MCS）中進(jìn)行汽包水位測量信號處理，水位保護(hù)邏輯設(shè)在爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）中，有的機(jī)組通過網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行兩者之間的信號傳輸，可靠性較低。

（6）差壓信號時(shí)有偏差大故障。通常MCS系統(tǒng)中設(shè)置有“3個(gè)差壓信號值偏差大切除汽包水位自動(dòng)至手動(dòng)并報(bào)警”功能。運(yùn)行過程由于測量管路和平衡門漏點(diǎn)、變送器柜保溫裝置投入后溫度晝熱夜冷等原因，引起差壓信號偏差大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤切手動(dòng)的故障時(shí)有發(fā)生。

1.2 就地水位計(jì)

目前浙江省汽包爐均配置2臺(tái)雙色水位計(jì)，電接點(diǎn)水位計(jì)除少數(shù)電廠未配置或配置1臺(tái)全量程外，其余均配置了2臺(tái)。這些就地水位計(jì)，在運(yùn)行中除偏差大外，存在的主要問題有：

（1）就地水位計(jì)的汽水側(cè)連通管的傾斜度不滿足要求，就地電接點(diǎn)水位計(jì)未進(jìn)行保溫。由于就地水位計(jì)采用的是連通管式測量方法，其測量準(zhǔn)確度很大程度上取決于汽水側(cè)連通管的傾斜度（保證連通管內(nèi)不飽和水的循環(huán)倍率）和保溫情況。

（2）就地雙色云母水位計(jì)易發(fā)生云母片損壞、泄漏現(xiàn)象，且云母窗易結(jié)垢。不少雙色云母水位計(jì)檢修投運(yùn)不長時(shí)間后，就因結(jié)垢看不清水位顯示值。

（3）電接點(diǎn)水位計(jì)質(zhì)量不佳。如某發(fā)電廠電接點(diǎn)水位測量筒型號為UDZ-02-19Q，電極使用壽命短，在高溫高壓狀態(tài)下，經(jīng)常發(fā)生電極斷裂、破損等故障。

（4）電極老化和被污垢附著等原因，導(dǎo)致電接點(diǎn)水位計(jì)的電極掛水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2 測量偏差原因分析

引起汽包水位測量偏差的原因，有安裝、維護(hù)和環(huán)境的影響，也有測量原理上存在的不足因素，下面分別進(jìn)行分析討論。

2.1 水位取樣裝置安裝位置的影響

對于運(yùn)行機(jī)組汽包水位取樣裝置的標(biāo)高，通常比較注意冷態(tài)時(shí)的核對與修正，而忽略了熱態(tài)時(shí)的修正。由于取樣管路長度不一、環(huán)境溫度不同，特別是有的正壓側(cè)單室平衡容器沒有固定支架，導(dǎo)致連通管1∶100的傾斜角度無法控制，會(huì)出現(xiàn)冷態(tài)時(shí)修正一致的標(biāo)高在熱態(tài)時(shí)發(fā)生偏離，甚至在熱應(yīng)力作用下連通管改變傾斜方向，使平衡容器無法形成足夠穩(wěn)定的兩相流，導(dǎo)致平衡容器內(nèi)溫度過低，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.2 環(huán)境溫度的影響

單室平衡容器引出管內(nèi)水溫陡度的存在和環(huán)境溫度的變化，引起參比水柱密度的不確定性，是造成測量值偏差的主要原因。

某發(fā)電廠在運(yùn)行壓力下，測得平衡容室參比水柱儀表管（在不保溫情況下）每隔10 cm處的溫降如圖1所示。此溫度分布受汽包內(nèi)參數(shù)和冷凝罐外環(huán)境溫度的影響，使參比側(cè)的水密度總處于變化的狀態(tài)，因此其測量誤差是不恒定的。

據(jù)計(jì)算表明[1]，在汽包壓力17～18 MPa時(shí)，平均溫度相差10℃，由此引起的水位差值約為10 mm。浙江北部地區(qū)夏冬二季環(huán)境溫度可相差30℃。如果不對參比水柱進(jìn)行溫度補(bǔ)償，或者只是簡單地設(shè)定為30℃的溫度補(bǔ)償值，影響的水位差值可達(dá)40～80 mm。

2.3 DCS內(nèi)補(bǔ)償公式不正確

分散控制系統(tǒng)（DCS）內(nèi)水位計(jì)算公式，通常都由廠家提供。機(jī)組從啟動(dòng)到全負(fù)荷運(yùn)行，汽包壓力變化范圍較大，一些機(jī)組DCS的補(bǔ)償公式對汽包壓力的補(bǔ)償不是全程，而是采用多段折線方式進(jìn)行，因此在消除汽包壓力變化影響時(shí)存在一定的附加誤差。有些DCS廠家提供的水位計(jì)算公式存在錯(cuò)誤，與實(shí)際水位存在較大的偏差。

2.4 儀表校驗(yàn)引入的誤差

汽包水位測量使用的是高靜壓低差壓變送器，校驗(yàn)時(shí)只要膜盒中有殘積的水，就會(huì)存在誤差。如某發(fā)電廠機(jī)組小修后曾一度出現(xiàn)差壓式水位計(jì)二側(cè)水位指示偏差大于校驗(yàn)前的情況，經(jīng)檢查造成偏差大的原因不是變送器問題，而是校驗(yàn)人員在現(xiàn)場校驗(yàn)水位變送器中未將變送器膜盒內(nèi)的積水清理干凈所致。

2.5 聯(lián)通管式原理測量誤差

云母雙色水位計(jì)、電接點(diǎn)位計(jì)是聯(lián)通管式水位計(jì)。雖然汽水側(cè)取樣管及連通管本身都有保溫層，但水位計(jì)管內(nèi)的水柱溫度總是低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，因此，ρa(bǔ)總是大于ρw，水位計(jì)中的顯示值H′總是低于汽包內(nèi)實(shí)際水位高度H″，它的示值偏差：

由式（1）可以看出，基于聯(lián)通管式原理的汽包水位計(jì)顯示的水柱值不僅低于鍋爐汽包內(nèi)的實(shí)際水位，而且受汽包內(nèi)的壓力、水位、壓力變化速率以及水位計(jì)環(huán)境條件等諸多因素影響，水位計(jì)顯示值和汽包內(nèi)實(shí)際水位間不是確定的、一一對應(yīng)的關(guān)系，而這一偏差在汽包零水位時(shí)可達(dá)50～200 mm，水位越高測量筒散熱越多，水位誤差就越大。這一誤差只是環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)不同而造成的，在汽包不同位置取樣或采用不同結(jié)構(gòu)的連通式水位計(jì)，在汽包零水位時(shí)，其誤差要全程控制在30 mm之內(nèi)是困難的。

2.6 保溫的影響

如果對參比水柱的管道進(jìn)行保溫，將改變原來確定的溫度補(bǔ)償關(guān)系，使得參比水柱的平均溫度難以設(shè)定。根據(jù)水位補(bǔ)償計(jì)算的要求，參比水柱的管道應(yīng)該裸露在環(huán)境溫度中，即從單室平衡容器以下至水側(cè)取樣孔高度的管道不得施加伴熱或者保溫。引到差壓變送器的兩根取樣管則應(yīng)平行敷設(shè)并共同保溫，這是為了使兩根取樣管內(nèi)的介質(zhì)具有相同的溫度，不產(chǎn)生附加的差壓誤差。

電伴熱帶是冬季防止汽包水位測量管路結(jié)冰的一項(xiàng)措施，但由于儀表管路鋪設(shè)不規(guī)范，正壓側(cè)與負(fù)壓側(cè)管路的發(fā)熱量不一致時(shí)，引起高低壓側(cè)儀表管內(nèi)ρa(bǔ)不同，對水位的正確測量產(chǎn)生影響。如某發(fā)電廠曾發(fā)生過此類故障，原本誤差穩(wěn)定的3個(gè)差壓式水位計(jì)中，有一路與另外兩路信號偏差增大。檢查后發(fā)現(xiàn)是由于差壓式水位變送器取樣管路上纏繞的伴熱帶溫控失靈引起；該廠還曾發(fā)生因伴熱帶短路跳閘，管路結(jié)冰引起差壓式水位計(jì)測量不準(zhǔn)的故障。

2.7 排污閥內(nèi)漏的影響

由于汽包水位量程較小，稍有泄漏就會(huì)影響測量結(jié)果。如某發(fā)電廠電接點(diǎn)汽包水位計(jì)，多年運(yùn)行一直是一側(cè)比另一側(cè)高30 mm左右，但一次調(diào)停復(fù)役后發(fā)現(xiàn)一側(cè)電接點(diǎn)水位計(jì)顯示值比另一側(cè)高出50～100 mm，且在實(shí)際水位變動(dòng)不大的情況下該電接點(diǎn)顯示值波動(dòng)明顯大于其它水位計(jì)。對測量筒多次沖洗、排污處理無好轉(zhuǎn)，更換排污閥后顯示值偏差恢復(fù)至調(diào)停前狀態(tài)。因此除要重視汽包水位變送器排污閥的質(zhì)量外，排污閥還應(yīng)為2個(gè)閥串聯(lián)安裝，以提高可靠性。

2.8 汽水分離器和加藥管入口的影響

某發(fā)電廠一側(cè)電接點(diǎn)汽包水位計(jì)顯示值與其余汽包水位計(jì)的偏差平時(shí)約30 mm，最大時(shí)可達(dá)70 mm左右，且波動(dòng)明顯大于其它測量顯示值。機(jī)組檢修期間進(jìn)入汽包內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)在電接點(diǎn)水位計(jì)引出管附近有1個(gè)汽水分離裝置脫離了原安裝位置。汽側(cè)取壓口上方30 mm處是汽包加藥管的引入口，該處有明顯水流痕跡，且在電接點(diǎn)水位計(jì)引出管附近汽包內(nèi)部有明顯氣泡波動(dòng)造成的虛假水位痕跡。分析認(rèn)為爐內(nèi)加藥管離電接點(diǎn)汽包水位的汽側(cè)取壓口過近，使該區(qū)域爐水電導(dǎo)度過高，并且導(dǎo)致加藥水流入電接點(diǎn)測量筒內(nèi)，造成水位顯示異常。將該電接點(diǎn)水位計(jì)測量筒與差壓式汽包水位計(jì)測量筒安裝位置互換，使電接點(diǎn)水位計(jì)測量筒取壓口避開該區(qū)域，機(jī)組復(fù)役后該電接點(diǎn)水位計(jì)顯示恢復(fù)正常。

2.9 汽包管束布置結(jié)構(gòu)的影響

某燃機(jī)發(fā)電廠自機(jī)組點(diǎn)火運(yùn)行后發(fā)生的首起跳機(jī)，是由高壓汽包水位低低（差壓）信號引起，歷史曲線顯示3條差壓水位曲線均存在較大波動(dòng)，最大時(shí)可達(dá)到700 mm，但汽包壓力建立起來后波動(dòng)隨之減弱，測量結(jié)果亦趨于正確。在排除其它原因后，從高壓汽包管束位置結(jié)構(gòu)上查找，認(rèn)為水位波動(dòng)是受汽包上升管位置的影響。因?yàn)閱?dòng)期間，鍋爐高壓給水泵未上水，汽包處在建立壓力過程中，上升管和下降管中的水、汽開始流動(dòng)，正常情況下，汽包內(nèi)水位因膨脹而有所上升，由于汽包液位差壓取點(diǎn)過于接近上升管，受汽、水流動(dòng)沖擊導(dǎo)致取樣負(fù)壓側(cè)壓力產(chǎn)生較大波動(dòng)而造成水位測量波動(dòng)；在汽包壓力建立起來、溫度升高后，上升管水、汽的流動(dòng)相對穩(wěn)定，減輕了對取樣負(fù)壓側(cè)的擾動(dòng)，所以水位測量也相對趨于穩(wěn)定和正常。通過對汽包內(nèi)水側(cè)取樣孔加裝穩(wěn)流裝置，解決了水位信號波動(dòng)問題。

2.10 測量管路泄漏的影響

200 MW及以下的一些機(jī)組，汽包水位變送器布置在鍋爐9 m層變送器器小室，而汽包在34 m層，儀表管敷設(shè)沿途保溫。運(yùn)行過程中曾幾次出現(xiàn)一側(cè)儀表管由于焊接處沙眼或裂縫造成水位信號虛高或虛低，使兩側(cè)信號存在明顯差異。由于儀表管管路太長，故障點(diǎn)查找困難，給消缺工作帶來不便，而且由于管路長、焊接口較多，易產(chǎn)生故障的點(diǎn)也相對較多，因此建議汽包水位變送器盡可能就地布置。

2.11 鍋爐燃燒的影響

在對汽包水位進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分汽包的同側(cè)差壓水位計(jì)之間存有偏差，絕大部分小于30 mm。機(jī)組檢修中進(jìn)入汽包內(nèi)檢查，汽包水位運(yùn)行水跡線也基本接近設(shè)計(jì)水位線。但兩側(cè)水位測量顯示卻存在較大的固定偏差，也有的偏差大小隨著運(yùn)行狀況變化。其原因除汽包（因安裝或基礎(chǔ)沉降）兩側(cè)不水平和測量環(huán)境因素外，另一個(gè)主要的原因是燃燒狀況變化導(dǎo)致爐膛火焰中心偏移，左右不平衡或者爐膛結(jié)焦左右情況不一致，引起汽包兩端循環(huán)倍率不同。

3 提高汽包水位測量與保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的技術(shù)措施

針對水位測量問題產(chǎn)生的原因，除落實(shí)DRZ/T 01-2004《火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求外，提出以下技術(shù)改進(jìn)措施。

3.1 水位取樣裝置與管路安裝

（1）每個(gè)水位取樣裝置都應(yīng)具有獨(dú)立的取樣孔。對取樣孔不夠的汽包可使用多測孔技術(shù)，以滿足取樣獨(dú)立性的要求。用于保護(hù)和控制的各汽包水位測量信號均應(yīng)全程獨(dú)立配置，補(bǔ)償用的汽包壓力信號，以選用三取中信號為宜。

（2）為防止積水或積汽，汽、水側(cè)取樣閥門必須為2個(gè)截止閥串聯(lián)且使其門桿處于水平位置安裝。連接變送器的正壓側(cè)取樣管宜從平衡容器低于汽側(cè)取樣管的側(cè)面引出，按1∶100向下傾斜延長不小于400 mm以后再向下引伸，至變送器的距離以控制在10 m以內(nèi)為宜。

（3）汽包水位的汽、水側(cè)取樣管和取樣閥門均應(yīng)良好保溫，單室平衡容器及參比水柱的管道不得保溫，雙室容器正壓取樣管以上部位不得保溫，以下應(yīng)保溫，引至差壓變送器的兩根儀表管應(yīng)平行敷設(shè)。如需要采取防凍措施，應(yīng)從汽包水位取樣管汽側(cè)和水側(cè)并列處開始共同保溫直到變送器柜，并確保伴熱設(shè)施對正負(fù)壓側(cè)儀表管的伴熱均勻，避免引起介質(zhì)溫差。

3.2 運(yùn)行檢修維護(hù)

（1）汽包水位測量誤差，部份來源于冷凝筒安裝位置上的偏差和冷熱兩態(tài)情況下位置的偏移，因此除安裝時(shí)應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的人員嚴(yán)格把關(guān)確保安裝位置準(zhǔn)確外，機(jī)組檢修時(shí)應(yīng)對冷凝筒安裝位置標(biāo)高分別進(jìn)行冷、熱兩態(tài)情況下測量，如有偏差以熱態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，或安裝可調(diào)的T型支架用于熱態(tài)調(diào)整。

（2）為提高汽包水位測量的準(zhǔn)確性，機(jī)組檢修時(shí)應(yīng)利用汽包人孔門開啟機(jī)會(huì)，檢查汽包內(nèi)水位痕跡，核對汽包水位測量顯示的零位值偏差并進(jìn)行修正。

（3）機(jī)組停運(yùn)時(shí)，通過打開平衡門關(guān)閉二次閥門檢驗(yàn)變送器是否有零點(diǎn)漂移。進(jìn)行水位變送器校驗(yàn)前，必須清理干凈變送器膜盒內(nèi)積水。

（4）為防止因管路結(jié)垢造成管路堵塞的情況發(fā)生，汽包水位變送器的排污應(yīng)在停爐或起壓期間汽包壓力2 MPa左右時(shí)進(jìn)行。

（5）用紅外測溫儀測量正在運(yùn)行的單室平衡容器的外壁溫，如果上下壁溫差不夠大，可以認(rèn)為取樣管疏水不通暢，傾斜度不滿足要求，可在機(jī)組檢修時(shí)增加取樣管的傾斜度。

（6）根據(jù)季節(jié)溫度及時(shí)投用和停用電伴熱裝置，并將伴熱帶檢查作為入冬前的常規(guī)安全檢查項(xiàng)目。

3.3 優(yōu)化邏輯

（1）汽包水位測量信號主要應(yīng)用在MCS系統(tǒng)，則水位保護(hù)邏輯判斷也應(yīng)在MCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)SSS系統(tǒng)中只將汽包水位作為鍋爐主燃料跳閘（MFT）的動(dòng)作條件之一。

（2）鍋爐汽包水位保護(hù)的定值和延時(shí)值由制造廠確定。為防止虛假水位引起保護(hù)的誤動(dòng)作，延時(shí)值在制造廠未提供或經(jīng)運(yùn)行證明偏差較大的情況下，可在計(jì)算試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置不超過10 s的延時(shí)，并設(shè)置不加延時(shí)的動(dòng)作值。

（3）采用外置式平衡容器的差壓式水位測量系統(tǒng)，在未更換內(nèi)置式平衡容器前，應(yīng)在汽包水位計(jì)算公式中對參比水柱平均溫度設(shè)置3種不同環(huán)境溫度，以便在不同季節(jié)中通過人工選擇進(jìn)行溫度修正。

3.4 測量新技術(shù)的應(yīng)用

（1）根據(jù)對國內(nèi)一些發(fā)電廠實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)研，采用內(nèi)置式平衡容器、籠式內(nèi)加熱器電接點(diǎn)水位計(jì)和低偏差云母水位計(jì)，可以消除環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的偏差，提高測量準(zhǔn)確性，延長使用壽命，減少維護(hù)工作量，使同側(cè)各汽包水位計(jì)間的偏差在任何工況下均小于30 mm。

（2）采用新的測量技術(shù)測得的汽包水位數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了汽包兩側(cè)的水位確實(shí)存在偏差，其原因是爐內(nèi)燃燒引起，需通過改變運(yùn)行工況來減小兩側(cè)的水位偏差。

4 結(jié)語

在發(fā)電廠汽包水位測量保護(hù)中，還存在著儀表安裝取樣位置不精確、測量方式的誤差、運(yùn)行維護(hù)的不足以及邏輯不完善等缺陷。經(jīng)過對汽包水位控制現(xiàn)狀的分析，提出采取正確的水位取樣裝置與管路安裝，運(yùn)行檢修及時(shí)維護(hù)，完善邏輯，采用新水位計(jì)和平衡器以及優(yōu)化運(yùn)行工況等多種建議，以便更準(zhǔn)確、及時(shí)地測量保護(hù)汽包水位，確保機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 朱北恒，孫長生，龔皓.熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 孫長生.浙江省火電廠鍋爐汽包水位測量保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析及技術(shù)措施研究報(bào)告[R].杭州∶浙江省電力試驗(yàn)研究院.2008.