國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司 王晨曦

本文對火電廠的水位測量系統(tǒng)進行了詳細分析，主要介紹了汽包水位測量方法，如連通管式和差壓式，詳細闡述了若干種常用的水位測量方法。不僅如此，還深入探究了導(dǎo)致汽包水位測量偏差的種種因素，并給出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。

1 水位測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在火電廠運行過程中，水位測量系統(tǒng)可謂不可或缺的構(gòu)成，其在很大程度上決定了火電廠的安全運行與否。以鍋爐汽包水位為例，確保鍋爐汽包水位始終處于規(guī)定范圍，是評估鍋爐安全運行的一個重要指標(biāo)。以汽包水位為例，因發(fā)電機組負荷、燃燒工況和給水流量等都處于隨時變化的狀態(tài)，進而汽包水位也會隨之變化。通常情況下，汽包水位的高低超限將會直接影響火力發(fā)電廠鍋爐運行的安全性。具體表現(xiàn)在以下方面。

當(dāng)水位超過界定標(biāo)準(zhǔn)范圍上限后，會使得汽包內(nèi)的蒸汽空間被壓縮，影響了汽水分離的效果，使得蒸汽含鹽量變高，進而導(dǎo)致熱器管中逐漸出現(xiàn)鹽垢沉積，從而削弱熱氣管的金屬強度，最終引發(fā)爆管的可能性；而如果水位進一步超標(biāo)，由于蒸汽中附帶大量的水，會使通汽設(shè)備的金屬部件溫度快速下降，使汽輪機、蒸汽管道等金屬設(shè)備產(chǎn)生熱應(yīng)力，會導(dǎo)致出現(xiàn)金屬變形等使設(shè)備損傷的現(xiàn)象，甚至?xí)鹚畵衄F(xiàn)象，對安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

而當(dāng)水位低于標(biāo)準(zhǔn)范圍時，可能會出現(xiàn)循環(huán)流動壓力降低等現(xiàn)象，最終造成水冷壁管超溫過熱，存在安全隱患；而當(dāng)水位過低時，有很大的幾率出現(xiàn)水冷壁燒損和汽包干鍋等重大安全事故。而我們正是應(yīng)用水位測量系統(tǒng)來對汽包水位實現(xiàn)監(jiān)視、進而控制汽包水位的，所以加強對汽包水位的監(jiān)視及調(diào)整對于發(fā)電機組的安全運行而言至關(guān)重要。

關(guān)于汽包水位計，目前常用的有以下若干種：雙色水位計、云母水位計、單雙室平衡容器、電接點水位計等。站在一次傳感轉(zhuǎn)換的角度進行分析，以上水位計整體上可劃分為為連通器原理水位計與差壓水位計。盡管隨著測控儀表技術(shù)的發(fā)展鍋爐汽包水位測量技術(shù)也實現(xiàn)了長足進步，然而仍需要清醒的認(rèn)識到，此類技術(shù)依舊具有諸多瑕疵，具體表現(xiàn)在測量誤差大、可靠性不夠高、不易維護等，嚴(yán)格來說不能完全滿足鍋爐安全經(jīng)濟運行。

2 測量水位的常用方法

2.1 連通管式鍋爐汽包水位計

此種水位計主要存在以下優(yōu)點：顯示直觀、結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣，不但能夠應(yīng)用于現(xiàn)場就地水位計，還能夠應(yīng)用于遠程監(jiān)控水位。常見的有電接點水位計、雙色水位計、云母水位計等類型。

2.1.1 云母水位計

云母水位計利用連通器原理進行測量工作[1]，針對低壓鍋爐，可直接采用玻璃板充當(dāng)水位計的觀察窗；而針對高壓鍋爐，因為爐水的腐蝕性較強，進而通常會選擇云母片來充當(dāng)水位計的觀察窗。當(dāng)選擇云母水位計來測量汽包水位時，通常將水位計安放于汽包外部，因為散熱的原因，水位計中的平均溫度通常不會超過汽包壓力下的飽和溫度，所以云母水位計的顯示水柱高度一般不超過汽包重量水位H。

公式如下：H=(ρa-ρs)/(ρw-ρs)H'。式中：ρs、ρw表示的含義分別是汽包內(nèi)飽和蒸汽及飽和水密度；ρa表示的含義是云母水位計中水柱的平均密度；H、H'表示的含義分別是汽包水位、與云母水位計水位高度。云母水位計能夠較為直觀的反映汽包水位，但存在以下瑕疵：僅適合監(jiān)視就地水位，顯示較為模糊，一旦實際水位超過云母水位計的觀察窗范圍，將無法準(zhǔn)確判斷水位計的水位狀態(tài)是空還是滿。

2.1.2 雙色水位計

其也是基于連通器原理的一種水位計，可視為云母水位計的擴展。憑借改進云母水位計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并引入光學(xué)系統(tǒng)，最終誕生了雙色水位計。其主要存在以下優(yōu)點：顯示清晰、可實現(xiàn)遠傳顯示等。在火電廠中可用于測量汽包水位、高壓加熱器水位等。為減小由于測量室溫度低于容器內(nèi)溫度而引起的誤差，雙色水位計有時設(shè)有加熱室，利用蒸汽的加熱使測量室水溫接近容器內(nèi)溫度。

針對壓力低于10MPa 的鍋爐可選擇雙色水位計，原因在于偏差小、顯示直觀。但在實際中，因為腐蝕及水汽沖刷等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致雙色水位計在運行一段時間后內(nèi)壁磨損將會變得非常嚴(yán)重，進而會導(dǎo)致汽水分界模糊。特別是在工業(yè)電視監(jiān)視的情況下，現(xiàn)場攝像頭受光線變化影響，會導(dǎo)致使水位顯示變得更為模糊，進而存在較大誤差。

2.1.3 電接點水位計

電接點水位計也是目前火力發(fā)電廠應(yīng)用較為廣泛的一種水位計，在高壓加熱器、除氧器、及鍋爐汽包等設(shè)備中均有應(yīng)用。其主要存在以下優(yōu)點：不易受容器內(nèi)壓力的影響、結(jié)構(gòu)簡單、便于校正、延時短、投運快、造價低等。因為蒸汽與水的電阻差異較大，所以通常會采用在連通管上接電極的方式，用以檢測電極通過水或蒸汽的對地電阻值。再基于通水與通蒸汽的不同電阻值分別對應(yīng)綠色燈光與紅色燈光，來確定水汽的分界面以及水位高度。

盡管其測量精度相對較為準(zhǔn)確，然而依舊存在諸多因素影響測量誤差[2]，常見有：散熱導(dǎo)致的誤差。筒內(nèi)水柱溫度低于待測液位容器的溫度，測量筒內(nèi)水柱低于待測液位的容器內(nèi)的水位；不連續(xù)指示引起的誤差。電接點在安裝上是不連續(xù)的，所以接點之間的水位變化不能反映、有盲區(qū)，這種誤差由于結(jié)構(gòu)原因不能消除；汽包工作壓力的影響。

隨著電接點水位計的引入，提高了汽包水位測量的準(zhǔn)確度，也提升了中低壓鍋爐的安全性，正因為如此得到了廣泛的應(yīng)用。然而需要指出的是，其也存在一定的瑕疵，具體表現(xiàn)為：當(dāng)鍋爐工作壓力達到亞臨界狀態(tài)時將會出現(xiàn)一些問題。電接點水位計和其他就地聯(lián)通器水位測量裝置同時工作時，兩者顯示水位有一定偏差，因為電接點水位計零水位和汽包零水位具有一定偏差，而當(dāng)汽包水位發(fā)生變化后，電接點水位計無法作出相應(yīng)反應(yīng)。再加上兩者的構(gòu)造以及散熱條件的差異，所以會造成一些測量問題出現(xiàn)。進而當(dāng)鍋爐汽包水位上升至亞臨界狀態(tài)后，再使用電接點水位計監(jiān)測汽包水位會不太準(zhǔn)確。

2.2 差壓式鍋爐汽包水位計

水位計的原理如下：憑借將液位高度的變化轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的差壓信號來達到測量水位的目的，其主要由平衡容器、壓力信號電路、及差壓計等構(gòu)成。

差壓水位計的運用非常廣泛，在火電廠中可用于汽包水位、除氧器水位、高壓加熱器水位等的測量。它可以連續(xù)顯示水位，也可以發(fā)警報信號和向水位調(diào)節(jié)器提供信號。但是差壓水位計的指示值受待測液位的容器內(nèi)壓力變化的影響大，所以只有對差壓式水位計的指示值進行補償方可準(zhǔn)確地顯示待測水位，然而其準(zhǔn)確度依舊受諸多因素的影響。比如鍋爐水位與零水位不一致等情況就會帶來相應(yīng)的誤差。又比如當(dāng)蒸汽壓力急劇降低時，正壓容器中的凝結(jié)水將會被蒸發(fā)消失，最終造成儀表指示異常，以上種種情形均會在一定程度上影響鍋爐運行操作。

2.2.1 單室平衡容器

其基本工作原理為；正壓由平衡容器滿水后形成的參比水柱提供產(chǎn)生，其通過汽包汽側(cè)取樣管同汽包相連，并通過飽和蒸汽的凝結(jié)水保持穩(wěn)定；而負壓隨汽包水位變化而變化，由汽包水側(cè)取樣管連接至差壓變送器負壓側(cè)得出，這樣就會得到一個差壓信號，再經(jīng)變送器傳送該信號至控制系統(tǒng)進行補償計算后，即可確定汽包水位。

正負壓管輸出的差壓值ΔP 按下式計算：ΔP=L(ρa-ρs)g-H(ρw-ρs)g，或變換成：H=[L(ρa-ρs)g-ΔP]/(ρw-ρs)g，式中：ρa、ρw、ρs表示的含義分別為參比水柱、汽包飽和水、汽包飽和蒸汽的密度；H 表示的含義是汽包內(nèi)的實際水位。盡管單室平衡容器是應(yīng)用較為廣泛的一種汽包水位測量儀器，然而需要指出的是，其差壓信號誤差較易受參比水柱溫度與汽包壓力的影響。這一點在測量應(yīng)用的時候是需要考慮在內(nèi)。

2.2.2 雙室平衡容器

其具備溫度補償功能，水槽上方的環(huán)形漏斗能夠?qū)⑵胶馊萜鲃澐譃樯舷聝刹糠?，其中上腔能夠?qū)⑵械娘柡驼羝Y(jié)成水后供給基準(zhǔn)水槽，其滿水后會得到一個壓力，并反饋至變送器的負壓側(cè)。而其正壓是由汽包中的水通過管道經(jīng)平衡容器連接至變送器的正壓側(cè)所得。由于雙室平衡容器的下部與鍋爐下降管相連通，平衡容器中多余的凝結(jié)水可流至鍋爐下降管，而下降管也帶動了平衡容器內(nèi)多余凝結(jié)水的流動，這樣就可以使水位計中的溫度與汽包中的溫度更為接近，所以說其具備溫度補償?shù)墓δ堋?/p>

當(dāng)汽包壓力恒定時，輸出信號差壓與顯示水位值之間為負的線性相關(guān)；但是當(dāng)汽包壓力變化較大時，測量結(jié)果仍會受到汽包工作壓力的較大影響。所以可知雙室平衡容器輸出盡管不受固定水柱溫度的影響，但汽包工作壓力的變化仍會帶來一定的測量誤差。

2.2.3 雙差壓平衡容器

為進一步改善結(jié)構(gòu)補嘗式平衡容器，又設(shè)計出了一種以差壓為補償方式的平衡容器。平衡容器輸出的差壓ΔP 為信號差壓，ΔP'為補償差壓：

ΔP=P+-P-=(L-H0-ΔH)(ρw-ρs)g

ΔP`=P+-P+`=L1(ρw-ρs)g

Y=ΔP/ΔP'=(L-H0-ΔH)/L1=(L-H0)/L1-ΔH/L1

由上式可知，信號Y 僅僅受以下兩因素的影響：即平衡容器的結(jié)構(gòu)尺寸、及水位等，無關(guān)于汽包工作壓力，進而無需再考慮汽包壓力的影響。然而其也存在一定瑕疵：其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，進而不易維護；需要安裝校正用差壓變送器，增加了成本；差壓變送器的內(nèi)部系統(tǒng)較為復(fù)雜，極易形成附加誤差等。

2.3 水位測量偏差產(chǎn)生的常見原因及對策

2.3.1 連通器式水位計測量誤差及對策

盡管云母、雙色、及電接點等水位計的設(shè)計原理一致，都是依據(jù)連通器原理設(shè)計而成用以測量汽包水位。但在實際中，因水位計內(nèi)環(huán)境溫度低于蒸汽溫度，飽和蒸汽在進入水位計后凝結(jié)成水，并在水滿之后流回汽包。此時測量裝置中的水在冷卻后，溫度將會低于飽和溫度而密度增大，進而大于汽包中水的密度，會導(dǎo)致測量裝置中的水位低于汽包實際水位。

以上是導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的主要原因，因此需基于傳熱學(xué)原理，設(shè)計合理的連通管結(jié)構(gòu)，確保連通器式水位計中的平均水溫與汽包內(nèi)飽和水溫相接近，從而使連通器式水位計中高度就接近汽包內(nèi)水位，實現(xiàn)汽包水位的精準(zhǔn)測量。

其次，聯(lián)通器式水位計通過遷移其測量標(biāo)尺來進行水位測量補償，而水位測量標(biāo)尺的具體遷移值則為一個固定值，在水位計安裝結(jié)束后便不再變化，但是汽包工況確實不斷的變化，所以固定的補償方式也會帶來一定的誤差。要減小該誤差影響，聯(lián)通器式水位計需要盡可能的準(zhǔn)確估計水位測量裝置中的水溫，通過計算精確需要補償?shù)乃粶y量標(biāo)尺的具體遷移值，并應(yīng)采取保溫措施，以確保設(shè)計溫度和實際溫度盡可能地接近。

2.3.2 差壓式水位計測量誤差及對策

差壓水位計的測量受汽包壓力變化和參比水柱溫度的影響較大，其造成的誤差不能忽略，所以需要通過DCS 實現(xiàn)對差壓式水位計的壓力補償及溫度補償，才能較準(zhǔn)確地反映待測水位。如果能夠設(shè)計出理想的參比水柱，確保參比水柱溫度與汽包飽和溫度盡可能趨同，則能夠顯著控制因參比水柱溫度所造成的誤差。在實際中，還非常有必要定期修正汽包水位補償，諸如參比水柱的平均溫度應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境溫度來設(shè)定，并定期設(shè)定溫度修正回路。此外，在發(fā)電機組開機鍋爐啟動前還應(yīng)確保參比水柱已設(shè)置完畢，且還應(yīng)采取有效的方法對水位計的零位值進行核對。

3 結(jié)語

本文主要對火電廠水位測量系統(tǒng)的分析進行了相關(guān)介紹，分析了這個題目在當(dāng)前火電廠工業(yè)生產(chǎn)中的意義。以汽包水位的測量為例分析了水位測量的常用方法、產(chǎn)生誤差原因以及消除方法等，從與水位測量相關(guān)的各個方面進行了分析，全面的了解汽包水位的相關(guān)特性，對每一種測量方法都詳細地進行了介紹，并且指出其優(yōu)點與不足之處。此外，本文主要是對汽包爐進行分析，對于現(xiàn)在直流爐并沒有太多涉及，也是本文不全面的地方之一，在今后還應(yīng)對直流爐方面的水位測量多加學(xué)習(xí)和研究。