锅炉汽包水位测量分析及实践

锅炉汽包水位测量分析及实践锅炉汽包水位测量分析及实践200101b3b1a1aff00be锅炉汽包水位测量分析及实践张永先（山东电力建设第二工程公司济南工业路297号，250100）如何有效测量摘要:锅炉汽包水位的正常与否是影响机组安全运行的重要要因素之一，和补偿汽包水位从而进行有效监控成为机组安全运行中的重要环节，本文试图通过理论分析并结合工程实践，谈一谈对锅炉汽包水位测量的体会，为锅炉设备的安全运行提供借签。关键词:关键词:汽包水位测量分析预控防范预控防范前言锅炉汽包水位是锅炉运行监控的一项重要指标。由于负荷、燃烧工况以及给水压力的变化，汽包水位会经常发生波动，众所周知，水位过高或急剧波动会影响汽水分离效果,引起蒸汽品质恶化；水位过低则会引起下降管带汽，影响锅炉水循环工况，严重时会造成水冷壁大面积损坏。由于水位控制问题而造成的运行事故时有发生。实现汽包水位的有效监控，将其控制在正常范围内，关键在于汽包水位测量的准确性。由于锅炉汽包运行的固有特点，使得水位的准确测量也成为一段时期以来一直困扰人们的一个技术难点。本文试图通过理论分析并结合工程实践，谈一谈对锅炉汽包水位测量的一点体会，以供有关人员参考。一、关于汽包水位测量的有关规定《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中的“防止锅炉汽包满水和缺水事故”对火电厂锅炉汽包水位的测量作了如下要求：1汽包锅炉应至少配置两只彼此独立的就地汽包水位计和两只远传汽包水位计。水位计的配置应采用两种以上工作原理共存的配置方式，以保证在任何运行工况下锅炉汽包水位的正确监视。2、对于过热器出口压力为13.5Mpa及以上的锅炉,其汽包水位计应以差压式(带压力修正回路)水位计为基准。汽包水位信号采用三选中值的方式进行优选。3、差压水位计（变送器）应采用压力补偿。汽包水位测量应充分考虑平衡容器的温度变化造成的影响，必要时采用补偿措施。4、汽包水位测量系统，应采取正确的保温、伴热及防冻措施，以保证汽包测量系统的正常运行及正确性。5、汽包就地水位计的零位应以制造厂提供的数据为准，并进行核对、标定。随着锅炉压力的升高，就地水位计指示值愈低于汽包真实水位，表1给出不同压力下就地水位计的正常水位示值和汽包实际零水位的差值△h，仅供参考。表1就地水位计的正常水位示值和汽包实际零水位的差值△h汽包压力（Mpa）16.14～17.65（△hmm）－7617.66～18.39－10218.40～19.60－1501997年秦皇岛热电厂“12.16”锅炉缺水重大事故发生后，国家电力公司专门组织专家对国内电站锅炉汽包水位测量和水位保护运行情况进行调研,发现电站锅炉汽包水位测量系统在系统配置、测量装置的安装和水位保护的运行管理等方面存在一系列问题，已严重威胁了机组的安全、稳定运行。为了更好地贯彻《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的有关规定,有效防止锅炉汽包缺水、满水最大事故的发生，国家电力公司又参照国内外电站锅炉制造标准并结合国内电站锅炉的实际，在《防止电力生产重大事故的十五项重点要求》的“防止锅炉汽包缺水、满水事故”章节中,对锅炉汽包水位测量系统的安装、水位基准和保护管理等方面提出了原则要求的基础上，制订了《国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)》（以下简称《规定》）。《规定》对电站锅炉汽包水位测量系统的配置、安装和使用作了如下要求：1、适用范围：本规定适用于国家电力公司系统超高压及亚临界火力发电用汽包锅炉。2、水位测量系统的配置2.1新建锅炉汽包应配备2套就地水位表和3套差压式水位测量装置，2套就地水位表中的1套可用电极式水位测量装置替代。在役锅炉汽包可根据现场实际和新建锅炉的配置要求进行相应的配置。2.2锅炉汽包水位的调节、报警和保护应分别取自3个独立的差压变送器进行逻辑判断后的信号，并且该信号应进行压力，温度修正。2.3就地水位表可采用玻璃板式、云母板式、牛眼式。3、就地水位表的安装就地水位表的零水位线应比汽包内的零水位线低，降低的值取决于汽包工作压力,若现役锅炉就地水位表的零水位线与锅炉汽包内的零水位线相一致，应根据锅炉汽包内工作压力重新标定就地水位表的零水位线，具体降低值应由锅炉制造厂负责提供。4、锅炉汽包水位的监视应以差压式水位测量装置显示值为准。几种常用汽包水位测量方式的比较二、几种常用汽包水位测量方式的比较汽包水位测量方式很多，一般可分为：(1)静压式；(2)浮力式；(3)电气式；(4)超声波式；(5)核辐射式。目前电厂中最常用的是静压式测量方法中的连通式液位计和压差式液位计。连通式液位计包括玻璃水位计和电接点水位计等，这类液位计直观，便于读数，但它们共同的缺点是：当液位计与被测汽包中的液温有差别时，其显示的液位不同于汽包中的液位，而且此误差还会随汽包压力的改变而改变。连通式水位计虽然方式有所不同，但都是按照连通管原理工作的。在环境温度和大气压力条件下联通管中支管的水位都是位于同一个水平的。而汽包是在一定压力下工作的，汽包内的水温处于对应汽包蒸汽压力的饱和温度。饱和蒸汽通过汽侧取样管进入连通式水位表。由于连通式水位表的的环境温度远低于表内的蒸汽温度，蒸汽不断凝结使表中多余的水通过水侧取样管流回汽包，表中的水受冷却使得其平均温度低于饱和温度，水位表中的密度增大，比汽包中的水的密度要高，这就会使水位表中的水位低于汽包中的水位。水位计中的水是由饱和蒸汽凝结不断补充的，上部的水温应等于饱和温度，但是沿着水位表的高度逐渐下降，其水温也会逐渐降低。水温降低的幅值和速度，受多种因素的影响。诸如环境温度的影响，空气流动情况的影响，水位表散热条件的影响，取样管直径和长度的影响。为了减小因温度差异而引起的误差，常将液位计保温，而筒壳顶部不保温，增加凝结水量。但因散热，水位计中的水温总比汽包中饱和水的温度低，是非饱和水，因而密度大于汽包内饱和水的密度，所以，连通式水位计中的水位要低于汽包内的实际水位。1、玻璃水位表玻璃水位表是测量汽包水位的传统仪表，也是大容量锅炉所必须配备的装置。美国ASME动力锅炉规程规定：动力锅炉至少应配有一套玻璃水位表和两套具有报警和跳闸功能的间接式水位表。国外各锅炉厂对各自生产的锅炉一般都配有两套玻璃水位表，分别按扎在汽包的两端，有的锅炉还配有高位玻璃水位表，用于锅炉的启停过程。玻璃水位表虽有玻璃板、云母、牛眼等品种，但是它的工作都是按照联通管原理的。对于连通式液位计的测量误差，可以简单分析如下：ρρ'ρρ图1连通式液位计测量示意图图1为连通式液位计测量示意图，图中：H－汽包实际水位h－水位计指示水位L－水位计汽侧、水侧导管间距ρ’－汽包内饱和水密度ρ”－汽包内饱和蒸汽密度ρ－汽包内饱和水密度由联通器的原理可知，相对于水侧引压导管，有：ρ”（L-H)＋ρ’H＝ρ”（L-h)＋ρh整理得h＝H（ρ’－ρ”）/（ρ－ρ”）（式－1）（式－2）由(式－2)可以看出，在一定的汽包压力下，水位计内水温越低，其密度ρ就越大，水位计所显示的水位也就越低，其与实际水位的偏差越大。随着汽包压力的升高，水位计指示的水位偏离实际水位的值也不断增大，指示水位越来越低于实际水位。也就是说，这个水位的偏差值不是固定不变的，而是随着锅炉参数的升高不断加大的。这就给修正水位表和汽包中水位的差值带来了困难。有的锅炉厂提供了所生产锅炉汽包中水位和水位表中水位的差值的数据，如CE公司提供的数据为：汽包压力15.7MPa16.14MPa17.66MPa零水位差值-51mm-76mm-102mm上面的数据是按照玻璃水位表中水的平均温度为340℃计算的。当汽包压力17.66Mpa时，对应的饱和温度为360℃，这时玻璃水位表中水的平均温度约为340℃。当水位表中的水位升高时，由于散热面积的增大，水的平均温度还会降低，使其平均密度增大，水位表的显示值会比计算值还要低，也就是说汽包中水位的差值会增大。同样当水位表中水位降低时，由于散热面积的减小，水的平均温度也可升高，使平均密度减小，水位表的显示值会比计算值还要高，与汽包中水位的差值也会增大。当汽包工作压力降低时，玻璃水位表与汽包中水位的差值也逐渐减小，通过计算可知，当汽压低于10Mpa时，水位表和汽包水位的差值已很小，可以不再考虑。因此对于工作压力10Mpa以下的锅炉，以玻璃水位表为依据去监视和控制汽包水位完全可以保证水位控制精度和锅炉安全运行，但是对亚临界压力的锅炉，再以玻璃水位表为依据监视和控制汽包水位却根本无法保证汽包水位在允许的范围内，一般情况下，制造厂规定汽包水位应该在NWL≯25mm范围内，特别是在机组变压运行过程中，更无法满足锅炉安全运行的要求。为此必须采用更为准确和可靠的水位表，而玻璃水位表只能在额定压力下作为校核水位的手段，当工况改变时，玻璃水位表的显示值必须经过人工修正后才能作为监视汽包水位的手段。新海有限公司330MW机组锅炉汽包就地水位计厂家提供的水位修正值为：压力（MPa）低于实际水位值（mm）124016602280现场用测温枪测得330MW机组双色水位计的温度约为230℃，按此温度值计算，在汽包压力为17MPa时，水位计示值要比真实水位低150mm左右。当然，测温枪测得的温度要比内部水温低一点，实际水位的偏差应小于150mm。但就地水位计厂家提供的数据其实是一个保守的数据。2、电接点水位表电接点水位计是五十年代后期，从火电厂技术革新运动中产生的一种水位表。当时锅炉所配的远传式水位表，无论是重液式、机械式电感传送式，甚至其后出现的力平衡式，它们的可靠性都无法满足锅炉安全运行的要求，当时唯一可信的汽包水位表，只有玻璃水位表，何况玻璃水位表在中低压工况下显示汽包水位的偏差并不明显。当时所有锅炉均在汽包侧设司水平台，配有专责值班员（司水）监视玻璃水位表。并通过手动水位表将汽包水位信号传到司炉盘上。在这一背景下，许多电厂先后自行研制了电接点水位表，将接点信号引到司炉盘上用灯光显示汽包水位变化，并逐渐发展到将接点信号引入跳闸停炉系统。电接点水位表出现后的二十多年中，对于改善中低压锅炉的安全水平确实起到了重要作用，因此在火电厂中倍受青睐。它的一些不足之处在中压锅炉上是体现不出来的，甚至对于高压锅炉也是可以容忍的，当锅炉工作压力进入亚临界状态下，情况就开始改变了，因为电接点水位表的基本工作原理和玻璃水位表完全相同，同为联通管式水位表，所以它存在的问题与玻璃水位表完全相同，即电接点水位表的零水位与汽包零水位有偏差，且汽包水位波动后电接点水位表内水位波动不能与之对应。而且电接点水位表和玻璃水位表结构不同，形状不同，散热条件不同，当两种水位表同时使用时，它们的显示值之间必然会产生明显的偏差，因此使用电接点水位表监视亚临界锅炉的汽包水位并不是一个明智的选择。虽然不断有人提出对电接点水位表的升级改造方案并付之实行，但并没有能触及它的先天性问题，因此，电接点水位表不能再作为锅炉不可缺少的仪表了。上世纪的下半叶，我国某些机组上，已有引进英国同类型内置加热蒸汽双筒热套式测量筒电接点水位计，这种结构虽然提高了电接点水位计测量准确度，但其阶跃式显示、分辨力低（最少也要间隔15～30mm）、漏点多、接点易结垢、水位波动时易挂水爬电、不能进行数据记录等固有先天性缺陷，仍未获得很好地根治。因此，多年来国内外仍不能将其升格为监控基准仪表。3、差压式水位计差压水位表是使用得最广泛的远传式汽包水位仪表。差压式水位表是利用比较水柱高度差值的原理来测量汽包水位的，测量时将汽包水位对应的水柱产生的压强与作为参比的平衡容器中保持不变的水柱所产生的压强进行比较，比较的基准点是水位表水侧取样孔的中心线，由于参比水柱的高度是保持不变的，测得的压差就可以直接反映出汽包中的水位。参比水柱的高度就是平衡容器内的水平面到水位表水侧取样孔的中心线。在平衡容器安装完以后，参比水柱的高度就是一个定值，而用来测量差压的差压变送器的量程也就等于参比水柱的高度。平衡容器一般采用单室型，是一个球型或圆柱形容器，容器侧面水平引出一个管口接到汽包上的汽侧取样管，容器底部直接引出一个管口接到差压变送器的负