浅谈汽包水位测量新方式

浅谈汽包水位测量新方式

万东

（华能应城热电有限责任公司湖北应城432400）

摘要：火力发电厂锅炉汽包水位的测量具有十分重要的意义，它关系到电厂的安全经济运行。文章主要介绍华能某电厂锅炉汽包差压式水位测量的方法及误差的产生，解释了汽包锅炉水位差压式计存在偏差较大的原因，针对这一问题采取了有效的改造措施，对同类型锅炉解决此类问题有借鉴意义。

关键词：汽包水位；差压式水位计；内装平衡容器

一、引言

我厂“上大压小”热电联产新建工程规模1X350MW（超临界燃煤抽凝式机组）+1X50MW（燃煤背压式机组）。其中#1机组汽包水位测量系统包含4台差压水位计、2台电接点水位计、2台云母水位计。由于原有水位计测量误差大，为保证机组安全稳定运行、提高蒸汽品质，对原有4台差压水位计进行改造，更换为新型汽包水位内装平衡容器。

通过本次汽包水位测量系统改造，提高了汽包水位测量的准确性，将汽包真实水位控制在运行零水位区间，不仅有利于提高蒸汽品质，也为机组安全稳定运行提供了保障。

原有#1机组汽包水位测量系统包含4台差压水位计、2台电接点水位计、2台云母水位计，如图1所示：

图1：改造前水位计布置图

将原有4台外置式差压水位计更换为内装平衡容器，将水侧取样位置引至汽包端头汽水稳定区域，并更换变送器管路。改造后水位布置见图2：

图2：改造后水位计布置图

二、目前差压式锅炉汽包水位计存在的问题

2.1目前我厂差压水位计参比水柱温度受平衡容器导热影响而造成参比水柱平均温度高于补偿温度（60℃），从而造成水位比汽包内水位高的较大误差，若未采取技术措施其示值将远高于其它水位计。

图1水位-差压

2.2差压式锅炉汽包水位计的原理和误差；

差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位的，因此，其测量仪表就是差压水位计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。目前，国内外最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形

成差压来测量汽包水位，如图1所示。

正负压管输出的压差值ΔP按下式计算：

ΔP=P+－P－=L(ρa－ρs)g－H(ρw－ρs)(1-1)

或改写成

H=(L(ρa－ρs)g－ΔP)/(ρa－ρs)g(1-2)

式中：ρa—参比水柱(P+侧水柱)的密度

ρw—汽包内饱和水密度

ρs—汽包内饱和蒸汽密度

H—汽包汽包内实际水位

图2汽包压力和密度差的关系

根据公式（1-1）和（1-2）以及图2可以看出，汽包水位与差压之间不是一个单变量函数关系，更不是一个线性函数关系；饱和水密度和饱和蒸汽密度的变化将影响测量结果，而饱和水密度和饱和蒸汽密度与汽包压力有如图2所示的函数关系。因此，汽包压力的变化将影响差压水位计的测量结果。此外，参比水柱温度变化同样也会影响差压水位计的测量结果。

以L=600mm为例，计算表明：

图2表示了汽包压力和密度差的关系。

（1）压力愈低，差压信号的相对误差愈大。以工作压力P=17MPa为基准，并假定ρa为40℃时的密度值，汽包水位在H=300mm处，则当工作压力P=11MPa时，误差为－4.1%；当P=5MPa时，误差为－9.17%；当P=3MPa时，误差达到－12.4%。

（2）根据某电厂条件下的计算，参比水柱平均温度对水位测量的影响如表1所示。表1：参比水柱平均温度对水位测量的影响表(40℃为基准)

从表1可知，如果参比水柱的设定温度值为40℃，当其达到80℃时，其水位测量附加正误差33.2mm；当参比水柱温度达到130℃时，其水位测量附加正误差高达108mm。

2.3汽包内水欠饱和对水位测量的影响

通过咨询和理论分析计算2035t/h炉在20MPa压力时，欠饱和5℃左右，在零水位时影响水位40mm左右。而欠饱和1℃时，影响水的密度为9.64kg/cm³，汽包内水温欠饱和1℃影响汽包水位正误差9mm左右，欠饱和水产生的测量误差和参比水柱产生的测量误差是一致的，是叠加的，且水位越高误差越大，由此可见汽包内水欠饱和对水位测量的影响是不可忽略的。

综上，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。连通管式水位计是负向误差，差压式水位计产生的是正向误差，因此以前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，采用云母水位计机械零点下移，修改DCS系统中的差压公式、或修改变送器等办法，这样只能使差压和云母在某一工况下水位接近，埋下了事故隐患，存在误动、拒动的可能。

三、新的差压式水位测量简介

汽包水位内装平衡容器结构原理如下图所示，

图3汽包水位内装平衡容器原理图

参比水柱L的静压力为：

-------（1）

式中：L为平衡容器中参比水柱的高度；

为汽包实际水位高度；

为平衡容器中参比水柱(饱和水)的密度；

g为重力加速度；

为汽包内水的密度；

为汽包内饱和汽的密度。

相对参比水柱L的水侧仪表管压力为

-------(2)

变送器所测得的差压值为

-------(3)

由公式（3）得：

-------（4）

采用汽包水位内装平衡容器测量汽包水位具有以下特点：

1）、精确度高，不受汽包内水欠饱和以及外置平衡容器参比水柱温度变化的影响，从公式（3）可以看出变送器所测得的差压值为汽段参比水柱（饱和水）和相同高度的饱和汽静压之差，这一点与以往的任何一种外置式平衡容器不同，而采用外置式平衡容器测量汽包水位不仅受平衡容器下参比水柱温度变化的影响，而且由于补偿公式是假定汽包内水是饱和状态下推算出来，而实际上汽包内的水是欠饱和的，而且随着负荷变化欠饱和度也是变化的，由此可见，采用内装平衡容器的测量精确度远比外置式平衡容器要高。

2）、由于汽包的汽侧取样管上焊接有冷凝罐，可以及时向平衡容器中补充冷凝后的饱和水，因而可以保证锅炉点火不久就可投入汽包水位测量。

3）、具有防止内装平衡容器故障的后备措施，当内装平衡容器出现意外时，可将正压表管与冷凝罐的备用正压取样管相连，这样可以方便转换到改进型外置式单室平衡容器继续工作。

四、改造后的效果及经济效益分析

汽包上水后，对差压水位计进行排污处理，对管路进行冲洗，水位显示准确，偏差较小；汽包降水过程中，水位显示准确。

机组运行后差压水位计显示准确，4台水位计偏差30mm左右，同侧2台偏差20mm左右，水位计运行稳定。

图6：水位计冷态降水过程曲线

图7：机组正常运行时水位计曲线

图7：主控室画面水位显示值

我厂锅炉按照上述方案进行了改造，主要采用了水位测量装置改进和热工逻辑修改等治理措施。机组满负荷运行时，成功地将汽包水位从原来的偏差100mm降低到目前的10mm以内，解决了锅炉安全生产中的一项难题，消除了影响安全运行的隐患，获得了较好的经济效益，避免了由于汽包水位保护动作引起的锅炉MFT。

致谢

本文中方案的制定和实验数据的测量记录工作是在秦皇岛华电测控设备有限公司等工作人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

参考文献

【1】候子良．《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》编制说明[J]．电力设备，2005，l6(7)．

【2】徐士良．数值分析与算法[M]．机械工业出版社，2003．

【3】侯子良,刘吉川,侯云浩,等.锅炉汽包水位测量系统[M].北京:中国电力出版社,2005.

【4】刘吉川,于剑宇,褚得海,等.汽包水位测量新技术[J].中国电力,2006,39(3):102～104