发电厂汽包水位测量的问题及改进

发电厂汽包水位测量的问题及改进

发电厂（准电）1号、2号锅炉由ABG司制造，型号为BZWB-410/.8-M，为单汽包自然循环煤粉炉，其额定蒸发量为410t/h，饱和蒸汽压力11.1MPa，过热蒸汽压力9.81MPa，过热蒸汽温度540℃。
    每台锅炉汽包两侧安装2台就地云母水位计，2台电接点水位计，4台平衡容器（水位差压转换装置），汽包上所有水位计的汽侧连通管与水侧连通管分别距汽包中心线300mm，且汽包的正常水位线（零水位线）与汽包几何中心重合。用于水位记录的单室平衡容器输出的压差值由变送器输出（4～20）mA信号，经汽包压力自动校正后转变成水位信号，显示于记录仪上；就地云母水位计和电接点水位计的水位信号显示于集控室仪表上。
一、存在问题
    准电1号、2号炉自投产以来，汽包就地云母水位计、电接点水位计和机械差压式水位计均能可靠地监测汽包水位，但锅炉汽包水位测量装置（单室平衡容器）的可靠性、准确性较差，影响了机组的安全运行，曾发生过因汽包水位高使灭火保护MFT动作，机组解列的事故。其主要表现为：当汽包水位上升至一定数值（约130mm）时，汽包水位的指示值便以一定的速度向其测量上限（+300mm）飞升，因而导致高水位保护动作。由于汽包水位测量始终存在着这种异常现象，且汽包水位保护的信号取自该单室平衡容器和电接点水位计，使机组的安全、稳定运行受到威胁。
二、原因分析
2.1 测量原理
2.1.1 水位差压转换
    差压式汽包水位测量装置主要由水位差压转换容器（平衡容器）、压力信号表管与差压计3部分组成。其工作原理是将水位的高、低信号转换为差压信号来实现测量。平稳容器是测量装置的感应部件，分为单室与双室两种。以单室平衡为例说明其工作原理（图1）。
                                
    由于汽包内的饱和蒸汽在冷凝筒内不断散热凝结，筒内的液面总是保持恒定，所以正压管内的水信高度是恒定的。负压管内的水柱高度则随汽包水位的变化而变化。这时，压差值△р可按下式计算：
                      
式中：Hw为汽包水位；ρ1为冷凝筒中水的密度；ρ'、ρ''分别为汽包压力下饱和水、汽的密度；g为重力加速度。
    由式（1）、式（2）可知，当L为定值，若ρ1、ρ'、ρ''不变时，由正、负压引入口得到的差压信号与汽包水位的变化为线性关系，水位愈高，压差值愈小；水位愈低，压差值愈大。
2.1.2  汽包压力对水位测量的影响
    由于ρ'、ρ''的变化将影响水位测量结果，ρ'、ρ''与汽包压力有函数关系，因此汽包压力的变化将影响差压式水位计的测量结果。由水蒸气状态图（或表）可知：（ρ1-ρ'）、（ρ'-ρ''）与汽包压力p在某压力范围内有近似的线性关系。
2.1.3 单室平衡容器的压力校正
    图2给出了汽包水位压力自动校正系统，f₁ （p）、f₂（p）分别表示（ρ1-ρ'）、（ρ'-ρ''）与汽包压力p的关系。
                                    
2.2 原平衡容器特点及分析
    （1） 结构特点 原设计的平衡容器结构如图3所示。不难看出，这种平衡容器与我国目前测量汽包水位广泛使用的单室平衡容器在结构上存在着差异。汽侧连通管与水侧连通管之间有1根垂直连通管，其与水侧垂直连通管相交，交点位于水侧连通管的水平段上（水侧三通接头B），而与汽侧连通管垂直，交点（汽测三通接头A）低于汽侧连通管的水平段（距汽包中心线130mm）。其技术特性为：正常水位时平衡容器输出压差△p0=4227Pa，zui大输出压差△Pmax=6355Pa。
                            
    （2） 问题分析  当汽包水位在汽侧三通接头A以下变化时，平衡容器输出的差压值与汽包水位成线性关系，这与一般的单室平衡容器测量汽包水位的原理相同。而当汽包水位上升并淹没汽侧三通接头A时，汽侧连通管内的饱和蒸汽在冷凝筒的管路上就不是连续的饱和蒸汽，而是由垂直连通管内的饱和水将汽侧连通管中的饱和蒸汽分为两段，一段与汽包相连，另一段与冷凝筒相连。由于汽侧连通管内形成水封，靠近冷凝筒侧的汽压则随温度的降低而下降，平衡容器冷凝筒内液面上所受的压力小于汽包压力（额定19.53MPa），且形成的水封时间愈长，冷凝筒液面上所受的压力相对愈小，这时汽包压力作用于单室平衡容器正、负压侧的压力值不相等，即正压侧小于负压侧。因此，单室平衡容器输出的差压值不仅仅是正、负压侧的静差压值，而且还增加了汽侧连通管内形成水封时汽包压力作用于正、负压侧的差值。由于汽包压力值相对较大，所以该差值（值）远远大于单室平衡容器的静压差值。如果将1台差压变送器（按使用要求校验好，量程为0～6355Pa）接至平衡容器，即差压变送器正压侧接平衡容器水侧，负压侧接平衡容器的汽侧，再将差压变送器的零点进行全程负迁移，当差压变送器正常投入后，锅炉汽包压力至额定值时，且当汽包水位上升至汽侧三通接头A时，差压变送器接受的差压值已经超过其量程下限（0 Pa），其输出的电信号就会以一定的速度沿“高水位”的方向飞升。
    由以上分析得知，当汽包水位指示异常时，此时汽包实际水位线正好为原设计的高水位保护动作值（130mm）。只要汽包实际水位大于130mm时，汽包水位指示值就出现异常，即自异常点起，以一定的速度向其测量上限（+300mm）“飞起”，且水位信号与时间所构成的函数为连续函数，若高水位保护的动作值为+130mm～+300mm范围内的任意值，汽包水位保护必然动作。因此，原设计平衡容器的测量范围应为+130mm～+300mm。
三、改进方案及效果
    为了避免汽包水位上升至一定高度时汽侧连通管内形成水封，防止汽包水位在测量中发生“飞升”现象，只要将原平衡容器中的垂直连通管去掉，使汽侧连通管与水侧连通管*隔离即可，这时平衡容器应垂直安装且与汽包的距离为450mm（图4）。
                           
    2001年7月8日，按照图4方案进行了改进，8月29日做了实际水位的升降试验（+300mm～-100mm），结果显示：CRT画面上汽包水位升降曲线为正弦波形。这充分表明，改进后的平衡容器能实现汽包水位的正确测量，汽包水位指示值不再出现飞升现象（图5）。
                          
四、结 语
    改进后的平衡容器不但能测量汽包水位，而且还有汽包水位的机械保护功能；在测量汽包水位时，只有汽包水位的测量值等于高水位保护的动作值时，高水位保护才能动作，杜绝了因测量异常而引发的事故。

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