对各种汽包水位测量系统的试验研究

　　作者：侯云浩1张国斌2刘吉川3
　　
　　摘要：针对蒙西发电厂锅炉汽包水位测量系统长期存在各水位计之间偏差较大等严重影响机组安全运行的问题，为确定影响水位测量系统精度的因素，通过加装新型水位计并与传统水位计并列运行进行试验对比，研究各种水位计的测量原理、结构、工艺参数、安装工艺等各环节对水位测量的影响
　　
　　引言
　　
　　国内外已开展了大量针对汽包水位测量精度的理论研究和相关产品的研制，并取得了突破性的进展，但截止目前，基于试验基础上的不同原理水位计的对比分析研究仍是一个空白。为此，针对蒙西电厂水位测量改造项目，特采用了新型水位计与传统水位计并列运行的改造方案，通过对试验数据对比分析研究，力争在更深层次、独立的角度探讨各因素对汽包水位测量精度的综合影响，并希望对发电厂水位测量系统的不断改进完善有所借鉴。
　　
　　一、改造前系统介绍
　　
　　蒙西电厂#2炉为1057t/h亚临界循环流化床锅炉，汽包额定压力18.92MPa。汽包水位测孔共计6对，右侧4对分别用于一台就地云母水位计和三台老式外置平衡容器，左侧2对分别用于一台就地云母水位计和一台传统电接点水位计。如图1所示：
　　
　　改造前各水位计之间相差很大，在100mm以上，即使同侧差压水位计（#1、#2、#3差压水位计）也相差很大；云母水位计显示不清晰；电接点水位计电极泄露频繁。汽包水位计测量不准确，不能可靠投入汽包水位保护，给机组运行带来很大的安全隐患。
　　
　　二、存在的问题及原因分析
　　
　　2.1传统联通管式水位计造成测量误差
　　
　　如图2所示，原先安装的电接点水位计和就地云母水位计均属于联通管式汽包水位计，由于表体内的水温远低于汽包内的饱和水温度，其密度高于饱和水的密度，从而使其显示的水位低于汽包内的实际水位。
　　
　　从理论计算公式（2-1）可知，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。
　　
　　ΔH=H′－H=－H（ρa－ρw）/（ρa－ρs）（2-1）
　　
　　式中：
　　
　　H—汽包实际水位高度
　　
　　H′—水位计的显示值
　　
　　ρs—汽包内饱和蒸汽密度
　　
　　ρw—汽包内饱和水密度
　　
　　ρa—水位计测量管内水柱的平均密度
　　
　　汽包水位计管内水柱平均温度与汽包压力、汽包水位、汽包压力的变动速度及表体结构、环境温度、风向等因素均有关，篇幅有限在此不在赘述。
　　
　　汽包工作压力对水位计显示值的影响也是明显的，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，一般联通管式水位计的示值偏差的变化平均为－6.5mm左右。
　　
　　汽包内实际水位高度对水位计显示值也存在影响，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（2-1）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。
　　
　　2．2传统差压式水位计造成误差
　　
　　原先装的单室平衡容器仍采用老式的外置平衡容器（如图3），参比水柱从平衡容器下部直接引出接至平衡容器正压侧，参比水柱的密度ρa的不确定性会造成很大的测量误差。
　　
　　2．3安装方式也是造成测量误差的原因之一
　　
　　平衡容器汽侧取样管安装自汽包向下倾斜，影响平衡灌内冷凝水的回流，造成冷凝水回水困难，蒸汽也无法充分进入平衡罐内冷凝（体现为平衡灌外表温度低），抬高平衡容器L值，存在差压水位计的测量误差
　　
　　安装的变送器保护柜标高也太高，造成到变送器的管路从下部返上来接至变送器，极易造成内部存汽，形成不确定的测量误差。
　　
　　三、改造方案
　　
　　针对以上存在的问题，#2机组改造方案中采用了能在原理上有效避免传统的差压式水位计和联通式水位计的新型水位测量装置，并且在安装过程中解决了上述存在的问题，具体改造方案如下：
　　
　　将右侧两台老式单室平衡容器拆除，安装一台DNZ-20型汽包水位内装平衡容器和一台GJT高精度取样电极传感器；保留原一台老式单室平衡容器和一台就地云母水位计，以便改造完成后进行新老水位计的对比。将左侧电接点水位计和就地云母水位计拆除，安装一台DNZ-20型汽包水位内装平衡容器和一台WDP低偏差云母水位计。尽可能利用原一次截门和固定支架。
　　
　　具体配置如表1：
　　
　　改造后示意图如图4：

　　
　　四、改造后的对比试验
　　
　　4.1起机阶段到300MW负荷实验
　　
　　通过实验曲线图可以看出，保留的#2差压水位计在不同负荷下偏差值不同，在启机和低负荷时，其显示值比新型水位计偏高，50MW时偏高50mm左右。随着负荷的升高，参比水柱的温度越来越高，与补偿公式中的参比水柱设定温度偏差越来越大，测量误差也越来越大，其显示值又比新型水位计偏低，当负荷升至120MW时保留的老式#2差压水位计比内装平衡容器偏低70mm左右，当负荷升至300MW时老式差压水位计比内装平衡容器偏低120mm左右（见曲线一）。为此，在DCS补偿公式中比照改后的差压水位计将显示结果修正+120mm。
　　
　　曲线一、起机升负荷时差压水位曲线
　　
　　（注：红色线为保留的#2差压水位计，HLValue为标尺处数据，日期为2009/10/14时，121MW时，比#3差压低76mm，比#1差压低71mm。）
　　
　　另外，保留的云母水位计由于安装0点下移了120mm，在冷态时保留的云母水位计比改造的这四台汽包水位计高120mm，随着负荷的升高，偏差逐步减小，满负荷时其显示值和新型水位计示值基本一致，偏差在20mm左右，但随着汽包内水位的升降其偏差值增大，尤其是在事故跳闸值附近偏差超过150mm。
　　
　　由曲线图可以看出，在起机和低负荷时，老式差压水位计显示值比内装平衡容器高，50MW时偏高50mm左右，随着负荷的升高，参比水柱的温度越来越高，与补偿公式中的参比水柱设定温度偏差越来越大，测量误差也越来越大，当负荷升至120MW时，老式差压水位计显示值比内装平衡容器低70mm，当负荷升至300MW时，老式差压水位计显示值比内装平衡容器低120mm。
　　
　　4.2253MW负荷时升降水位实验
　　
　　在机组253MW负荷时进行了水位升降实验，实验数据见表2。
　　
　　由表格数据可以看出：
　　
　　（1）改造后的新水位计之间的偏差在30mm以内，能准确反映实际水位。
　　
　　（2）老式云母水位计显示值比差压水位计偏低至少40mm,且偏差值随着水位增高而增大。
　　
　　（3）按照三取中作为真实水位，当实际水位在-87mm时，老式云母水位计比差压水位计低43mm；实际水位值在0附近时，老式云母水位计比差压水位计偏低44mm；实际水位在73mm时，老式云母水位计比差压水位计低78mm。
　　
　　（4）在接近或达到满负荷的时候，修正结果后的差压水位计2与差压1和差压3之间的偏差在允许范围内。
　　
　　五、结论及建议
　　
　　（1）基于实验对比，联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。固定端的下移0位安装“热补偿”方式，只能减小满负荷时0水位附近的测量误差，而从起机到满负荷过程中，传统联通云母水位计与实际水位始终存在误差，不能在所有工况下弥补水位误差。因此，长期以来，运行人员不管在什么情况下，都要求以上述联通管式水位计作为基准仪表，实际上存在很大的误区。
　　
　　（2）汽包内水欠饱和及参比水柱温度对差压信号相对误差的影响都是不可忽略的。因此传统的水位测量系统要保证全工况、全范围保持水位一致是不可能的。各厂为使各水位计偏差小于30mm，采用云母水位计下移，修改DCS、或修改变送器等办法，这样只能使差压和云母在额定“零”水位时接近，埋下了事故隐患。
　　
　　（3）传统差压水位计和云母水位计存在较大的测量误差，尤其在特殊工况下测量误差更大，给运行人员造成误导，无法判断汽包水位的真实状况，增加了事故风险。
　　
　　（4）目前有很多电厂仍然把云母水位计作为汽包水位测量的基准表，对差压水位计结果进行盲目修正，使得汽包水位长期处于高水位或低水位运行，对机组经济性造成影响，同时带来存在保护误动、拒动的可能。
　　
　　C-2010-4