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    楊震力 （1968-）
男，浙江溫州人，學(xué)士，高級工程師，舟山朗熹發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備部熱工主管，先后從事火電廠運(yùn)行機(jī)組熱工自動化系統(tǒng)維護(hù)檢修、主管基建機(jī)組安裝調(diào)試、技術(shù)監(jiān)督及專業(yè)技術(shù)管理工作。

    摘要：本文討論了汽包水位測量誤差來源，重點(diǎn)分析了參比水柱溫度變化與汽包水位測量精度間的關(guān)系，以及利用聯(lián)通管式原理測量水位時受到的諸多因素影響。交流了機(jī)組運(yùn)行過程中汽包水位測量問題處理經(jīng)驗(yàn)，探討了提高差壓式水位測量系統(tǒng)精度的技術(shù)措施。

    關(guān)鍵詞：汽包水位；差壓式水位計(jì)；參比水柱溫度；問題處理；建議

    Abstract: This article discusses the error sources of the drum water level measurement, focusing on the analysis of the relationship between the variations of the reference water column temperature and the water level measurement accuracy, as well as a number of factors affecting the water level measurement using Unicom tube principle. We exchange the experience of dealing with the problem of water level measurement in unit running, and study the technical methods to raise water level measurement accuracy using differential pressure.

    Key words: drum water level; differential pressure water level gauge; temperature of reference water column; dealing with problem; proposal

    1 前言

    舟山發(fā)電廠二號鍋爐為420t/h超高壓自然循環(huán)鍋爐，一次中間再熱，最大主蒸汽出力430t/h，銘牌主蒸汽出力420t/h，汽包兩側(cè)共安裝有8臺水位計(jì)，配置如圖1。四對外置式單室平衡容器，帶四臺差壓變送器，信號送往DCS用于調(diào)節(jié)和保護(hù)。其中高低水位報(bào)警信號設(shè)定值為±100mm，跳閘信號設(shè)定值高水位為＋175mm，低水位為-230mm。

    汽包水位是表征鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，但由于水位取樣系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)溫度低于汽包內(nèi)的工質(zhì)溫度，因此水位測量的指示與汽包內(nèi)水位的實(shí)際高度總是存在著一個高度差，該差值稱為冷縮量，且由于不同水位計(jì)測量原理不同和水位取樣系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)溫度不同，該冷縮量也不盡相同。導(dǎo)致各水位計(jì)顯示值間偏差不一，有的甚至達(dá)到100mm以上，這就使得汽包水位測量的準(zhǔn)確性與汽包水位偏差問題的解決，成為火電機(jī)組汽包爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的難題。筆者根據(jù)在探討解決方案的過程中的實(shí)踐與體會，著重對汽包水位計(jì)因測量公式產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析，探討了提高差壓式水位測量精度的一些技術(shù)措施，供同行在運(yùn)行維護(hù)檢修中參考。

    2 汽包水位計(jì)算公式誤差分析

    圖2為舟山電廠汽包水位測量單室平衡容取樣管的安裝示意圖。正壓側(cè)儀表取樣管從單室平衡容器引出，負(fù)壓側(cè)從下側(cè)取樣孔引出，引出后都按1:100向下傾斜延伸1m以上。取樣管延伸的目的是讓平衡容器內(nèi)的熱量沿取樣管傳遞，使取樣管垂直段（參比水柱）接近環(huán)境溫度。當(dāng)正、負(fù)壓側(cè)取樣管內(nèi)的水溫度均為環(huán)境溫度時，它的密度則是環(huán)境溫度與汽包壓力的函數(shù)，這樣可以減少環(huán)境溫度變化對汽包水位測量精度的影響因數(shù)。

    2.1 差壓式水位計(jì)算公式的推導(dǎo)

    根據(jù)圖2推導(dǎo)水位的計(jì)算公式如下：

    在實(shí)際應(yīng)用中為參比水柱值小，故常省略，則公式（1）可簡化為：

    式中：為參比水柱（側(cè)水柱）冷水密度；為參比水柱（側(cè)水柱）平衡容器內(nèi)熱水平均密度；為汽包內(nèi)飽和水密度；為汽包內(nèi)飽和蒸汽密度；g為重力加速度；為0水位線到負(fù)壓側(cè)取樣管的長度；為在CRT上顯示的汽包水位。

    2.2 汽包水位計(jì)算公式誤差分析

    由于冷水密度大于平衡容器內(nèi)熱水平均密度，值大于0，故由公式（2）計(jì)算的水位比實(shí)際水位要高一些，其誤差為：

    根據(jù)圖2，平衡容器安裝尺寸L＝1083mm，＝400mm，l=220mm。當(dāng)汽包額定壓力為15.4Mpa時：

    飽和水密度＝594.0kg/m3

    飽和蒸汽密度 =101.9kg/m3

    冷水為40℃時密度＝998.9kg/m3

    平衡容器內(nèi)熱水平均密度，熱水溫度為200℃時，＝875.0kg/m3，熱水溫度為140℃時，＝933.5.0kg/m3。

    現(xiàn)計(jì)算熱水溫度分別為200℃、140℃時的誤差對CRT上顯示的影響。

    平衡容器內(nèi)熱水溫度為200℃時,

    平衡容器內(nèi)熱水溫度為140℃時，

    從計(jì)算公式（5）、（6）可知平衡容器內(nèi)熱水溫度為200℃時，CRT顯示偏高55.4mm，平衡容器內(nèi)熱水溫度為140℃時CRT顯示偏高29.2mm，顯然這些誤差是不可忽略的。為了提高測量精度應(yīng)對L進(jìn)行修正。L的修正值為：

    在實(shí)際應(yīng)用中，L參數(shù)設(shè)置的值應(yīng)采用修正后的L修正。

    參比水柱密度對水位也有影響，表1計(jì)算了不同的參比水柱溫度對顯示水位的影響（假設(shè)差壓值不變），見表1。

                                   表1   參比水柱平均溫度對水位測量的影響
                                       （40℃為基準(zhǔn)，汽包壓力15.4Mpa）

    由表1可見參比水柱平均溫度的不同對計(jì)算的水位是有影響的，若計(jì)算公式中固定為40℃時的密度，當(dāng)實(shí)際參比水柱平均溫度為60℃時，顯示的值偏高20mm。為了提高計(jì)算精度，可引入?yún)⒈人鶞囟鹊臏y量，因?yàn)?IMG style="border:1px solid #000" src="/uploads/images/cases/2009/2/1233762634.bmp" >是汽包壓力與參比水柱溫度的函數(shù)。但在DCS實(shí)際應(yīng)用中，較少采用的經(jīng)驗(yàn)公式，一般都設(shè)為固定值。為了提高計(jì)算精度，要保證安裝的環(huán)境溫度變化不大，并使參比水柱的溫度與環(huán)境溫度一致，因此必要時應(yīng)根據(jù)季節(jié)調(diào)整值。

    2.3 云母雙色水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)誤差分析

    云母雙色水位計(jì)、電接點(diǎn)水位是聯(lián)通管式水位計(jì)，聯(lián)通管式水位計(jì)利用水位計(jì)中的水柱與汽包中的水柱在聯(lián)通管處有相等的靜壓力，從而可用水位計(jì)中的水柱高度間接反映汽包中的水位。如圖3所示，聯(lián)通管式水位計(jì)的顯示水柱高度可按下式計(jì)算：

    式中，H為汽包實(shí)際水位高度；為水位計(jì)的顯示值；為汽包內(nèi)飽和蒸汽密度；為汽包內(nèi)飽和水密度；為水位計(jì)測量管內(nèi)水柱的平均密度。

    由于水位計(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，總是大于，水位計(jì)中的顯示值總是低于汽包內(nèi)實(shí)際水位高度，它的示值偏差：

    由（9）式可以看出， 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)際水位間不是一個確定的、一一對應(yīng)的關(guān)系，而這一偏差在汽包零水位時可達(dá)50~200mm，水位越高測量筒散熱越多水位誤差就越大，水位越低測量筒散熱小水位誤差就越小。這一誤差只是一個環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)不同而造成的，在汽包不同位置取樣，不同結(jié)構(gòu)的連通式水位計(jì)在汽包0水位時，其相差要控制在30 mm之內(nèi)是困難的。由于這一原因，無論云母水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)如何好，其測量結(jié)果也是誤差很大而不真實(shí)的。因此，即使按額定工況、某一環(huán)境條件將水位計(jì)下移而使汽包正常水位時，水位計(jì)恰好在零水位附近，但是當(dāng)工況變化時、環(huán)境變化時仍將產(chǎn)生不可忽略的偏差。

    3  汽包水位測量問題處理

    機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行以來，汽包水位顯示曾出現(xiàn)一些問題，經(jīng)相應(yīng)的處理后得到解決：

    （1）差壓式水位計(jì)誤差來源之一是參比水柱的溫度梯度變化引起，因此安裝時要保證平衡容器引出的取樣管水平段末端接近室溫，在運(yùn)行中可以用手摸或紅外線測溫儀來驗(yàn)證。如高于室溫，在確保無泄漏的前提下，延長水平段距離，通常經(jīng)驗(yàn)值為1m左右。此外取樣管引出后應(yīng)按1:100比例向下傾斜，其目的是保證測量管內(nèi)無影響測量的氣泡存在，但傾斜度也不能太大，否則將引起取樣管內(nèi)的水密度變化而影響測量精度。若平衡容器正壓側(cè)是從底部引出，則圖2所示的I要越小越好，以減小該段溫度梯度變化帶來的測量誤差。

    （2）差壓式水位計(jì)是通過變送器進(jìn)行測量，原儀表管的沖洗在鍋爐啟動過程中進(jìn)行，沖洗完畢后還要等待凝結(jié)水的建立，這段時間內(nèi)顯示無效。由于水位保護(hù)信號通過差壓水位計(jì)測量實(shí)現(xiàn)，因此此段時間內(nèi)水位保護(hù)將撤出運(yùn)行。通過正確的排污方法是能在短時間內(nèi)建立凝結(jié)水的，如圖2所示的這種測量系統(tǒng)，在沖管時先關(guān)閉汽側(cè)一次取樣閥，再在變送器側(cè)打開正負(fù)壓儀表管排污閥，當(dāng)管路沖洗完畢后把排污閥關(guān)小到一定程度，這時汽包內(nèi)的水能很快沖滿負(fù)壓側(cè)儀表管，而正壓側(cè)儀表管則通過平衡管的連通也能把汽包內(nèi)的水很快沖滿儀表管，儀表管沖滿水后關(guān)閉排污閥，這時需把變送器背面的排汽閥微開，排干凈排污管與變送器一小段內(nèi)的空氣，通過這種方式差壓式水位計(jì)能在短時間內(nèi)投用。安裝時沒有平衡管，可采用當(dāng)正負(fù)壓管路沖洗完后打開變送器三組閥的平衡閥，這時正壓側(cè)的水位與負(fù)壓側(cè)同高，關(guān)閉平衡閥后正壓側(cè)也能較快建立凝結(jié)水。

    （3）由于水位測量變送器安裝于9米層的變送器室，測量管路較長，當(dāng)沖洗操作不當(dāng)，和由于安裝管路不規(guī)范在儀表管內(nèi)形成氣泡時，將影響測量準(zhǔn)確性。處理辦法是消除管路中倒坡現(xiàn)象，按規(guī)程要求進(jìn)行沖洗操作。

    （4）由于變送器的量程很小，微小的差壓誤差都將會影響水位顯示的準(zhǔn)確性，如正負(fù)儀表管的保溫、伴熱不一致，變送器校準(zhǔn)誤差、零位變化等。為此在機(jī)組大修時，切實(shí)做好保溫和伴熱工作，變送器校驗(yàn)時，保證變送器測量容室內(nèi)無積水，各變送器校后偏差盡可能一致，變送器投運(yùn)前進(jìn)行調(diào)零。

    （5）基建安裝后，平衡容器安裝標(biāo)高存在一定偏差造成測量顯示偏差和不一致，此外筆者發(fā)現(xiàn)冷態(tài)修正一致的標(biāo)高，在熱態(tài)時仍會發(fā)生偏離。為此應(yīng)在冷、熱態(tài)時分別進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行修正，消除標(biāo)高不一致造成的測量顯示偏差。

    4 提高差壓式水位測量系統(tǒng)精度的建議

    目前在線運(yùn)行的不同測量原理的汽包水位計(jì)，有各種各樣的原因會引起測量產(chǎn)生偏差，雖然不能完全消除，但通過努力可以減少測量誤差，筆者根據(jù)本廠機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐，結(jié)合省內(nèi)外一些機(jī)組汽包水位測量運(yùn)行情況的調(diào)研，分析和探討，在此提出以下改善差壓式汽包水位測量系統(tǒng)精度的建議，供參考：

    (1) 為了減小誤差，正壓側(cè)的取樣管宜從平衡容器側(cè)面引出，這樣可減小圖2中l(wèi)的長度。引出后的取樣管要足夠長，以保證取樣管內(nèi)冷水溫度接近室溫，可能的話對參比水柱平均溫度進(jìn)行溫度測量并自動修正，或定期根據(jù)環(huán)境溫度變化對修正回路進(jìn)行設(shè)定。

    (2) 每個水位測量裝置都應(yīng)具有獨(dú)立的取樣孔。各個水位測量裝置的安裝標(biāo)高，應(yīng)以汽包同一端的幾何中心線為基準(zhǔn)線，采用水準(zhǔn)儀精確確定。機(jī)組檢修時，利用汽包人孔門開啟機(jī)會檢查汽包內(nèi)水痕跡或其它有效的方法，核對汽包水位測量顯示的零位值并進(jìn)行修正。

    (3) 汽包水位的汽、水側(cè)取樣閥門，應(yīng)為二個截止閥串聯(lián)且使其門桿處于水平位置安裝（防止積水或積汽）。取樣門及取樣管的通流內(nèi)徑應(yīng)不小于25mm。對于就地電接點(diǎn)式水位計(jì)，汽側(cè)取樣管應(yīng)斜上汽包取樣孔側(cè)，水側(cè)取樣管應(yīng)斜下汽包取樣孔側(cè)。對于差壓式水位計(jì)，汽側(cè)取樣管應(yīng)斜下汽包取樣孔側(cè)，水側(cè)取樣管應(yīng)斜上汽包取樣孔側(cè)。

    (4) 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保溫。引到差壓變送器的兩根儀表管應(yīng)平行敷設(shè)，有不小于1：100的傾斜度。如需要采取防凍措施，應(yīng)共同保溫，并確保伴熱設(shè)施對正負(fù)壓側(cè)儀表管的伴熱均勻，不因測量介質(zhì)溫差而引起測量偏差。

    (5) 變送器離取樣系統(tǒng)之間的距離要短些，可把變送器安裝在鍋爐汽包層的下一個平臺上。

    (6) 變送器校驗(yàn)時，保證變送器測量容室內(nèi)無積水，各變送器校后偏差盡可能一致，變送器投運(yùn)前進(jìn)行調(diào)零。

    (7) 在鍋爐啟動前的水壓試驗(yàn)時，完成汽包水位保護(hù)實(shí)際傳動試驗(yàn)，應(yīng)確保差壓式水位測量裝置參比水柱的形成，點(diǎn)火前汽包水位保護(hù)投入運(yùn)行。

    (8) 鍋爐啟動時，以電極式汽包水位計(jì)為主要監(jiān)視儀表；鍋爐正常運(yùn)行中，應(yīng)定時記錄各汽包水位計(jì)顯示值，并比較之間的示值偏差，當(dāng)同測量原理水位計(jì)偏差超過20mm時應(yīng)分析、查找出原因，并進(jìn)行處理。不應(yīng)根據(jù)就地水位計(jì)顯示修正變送器顯示偏差。

    (9) 根據(jù)對外省一些電廠實(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)，在消除環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的偏差，提高測量準(zhǔn)確性、并在延長使用壽命、減少維護(hù)工作量方面都有較大的改進(jìn)，使同側(cè)各汽包水位計(jì)間的偏差在任何工況下均小于30mm的要求實(shí)現(xiàn)成為可能。在解決資金問題后，建議選用。

    (10) 通過采用新的測量技術(shù)測得的汽包水位數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了汽包水位南北二側(cè)的水位確實(shí)存在偏差，其原因與爐內(nèi)燃燒有關(guān)，需要鍋爐專業(yè)研究，探討通過改變運(yùn)行工況來減小二側(cè)的水位偏差的方法。

    其他作者：張龍明（1971－），男，工程師，從事火電廠熱工自動化工作。 邵軍偉（1976－）男，工程師，從事火電廠熱工自動化工作。