1 000 MW機(jī)組高加水位測量偏差分析與處理

鄭衛(wèi)東,孫長生,付望安,張鵬,李捍華

(1.華能玉環(huán)電廠,浙江省臺(tái)州市,317604;2.浙江省電力試驗(yàn)研究院,杭州市,310014)

0 引言

華能玉環(huán)電廠 4×1 000 MW工程是國家“863”計(jì)劃引進(jìn)超超臨界機(jī)組技術(shù)、逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的依托工程,其高壓加熱器(簡稱高加)選用東方鍋爐廠生產(chǎn)的雙列對(duì)稱布置式加熱器。每臺(tái)高加配置 1臺(tái)磁性翻板水位計(jì)、3臺(tái)高液位開關(guān)和 3臺(tái)差壓變送器。其中磁性翻板水位計(jì)用于現(xiàn)場實(shí)際水位觀察,高液位開關(guān)用于高加報(bào)警,差壓式水位變送器用于顯示器上模擬量顯示及高加水位控制和聯(lián)鎖保護(hù)。機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后,基建遺留高加水位測量偏差問題,雖經(jīng)熱工與機(jī)務(wù)人員多次查找分析,但一直未能得到很好解決。2010年 4月,成立專題組進(jìn)行機(jī)組水位測量偏差問題的查找分析和處理措施的探討。本文對(duì)這一過程進(jìn)行了總結(jié),為火電機(jī)組高加水位測量系統(tǒng)安裝、檢修、運(yùn)行和維護(hù)提供參考。

1 高加水位測量偏差問題分析與查找

高加作為電廠熱力系統(tǒng)的重要輔助設(shè)備,其運(yùn)行狀況的優(yōu)劣不僅影響機(jī)組的安全性,同時(shí)對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性也有較大的影響[1-8]。要使加熱器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,應(yīng)確保加熱器疏水水位測量精度、改善加熱器疏水調(diào)節(jié)品質(zhì),將疏水水位控制在零水位附近。但由于設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試上的不完善,玉環(huán)電廠的 1～4號(hào)機(jī)組的 12臺(tái)高加水位顯示,其磁性翻板水位計(jì)和差壓式水位計(jì)2者顯示偏差超過150mm的有5臺(tái),偏差在100～150mm的有7臺(tái),偏差在60～99 mm的有7臺(tái),使運(yùn)行無法確定應(yīng)根據(jù)哪個(gè)顯示參數(shù)來進(jìn)行控制。因此,需要查明原因并消除偏差。

1.1 磁性翻板水位計(jì)測量問題分析查找

1.1.1 磁性翻板水位計(jì)測量原理及誤差分析

磁性翻板水位計(jì)的工作原理是根據(jù)磁極耦合原理、阿基米德(浮力定律)等原理結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)的特性而設(shè)計(jì),其容納浮球的腔體內(nèi)液面與被測容器內(nèi)的液面高度接近,腔體內(nèi)的浮球隨著容器內(nèi)液面的升降變化;因腔體外面裝了 1個(gè)翻柱顯示器,而浮球沉入液體與浮出部分的交界處安裝了磁鋼,磁性透過外殼傳遞給翻柱顯示器,推動(dòng)磁翻柱翻轉(zhuǎn)而指示水位高度。根據(jù)其測量原理分析,影響其測量準(zhǔn)確性的可能因素主要來源于:

(1)因筒內(nèi)存在雜質(zhì)或者測量筒受熱產(chǎn)生不規(guī)則形變,引起浮球上下浮動(dòng)不靈活而使測量產(chǎn)生偏差。

(2)因翻柱顯示片卡澀或磁性異常引起不能正常翻轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致顯示異常。

(3)磁翻板測量筒內(nèi)浮球,因材料的密度與被測介質(zhì)密度不適配而導(dǎo)致顯示偏差。

(4)安裝上,由于正負(fù)測量取樣管路的坡度不符合規(guī)程要求(正確安裝應(yīng)如圖 1中虛線所示),導(dǎo)致測量介質(zhì)流通不暢,引起測量失準(zhǔn)。

(5)測量回路底部無排污系統(tǒng),取樣管路最低處污物無法排出影響介質(zhì)的流通性,對(duì)測量產(chǎn)生影響。

圖1 高加磁翻板式水位計(jì)測量取樣圖Fig.1 M easurement ofmagnetic-flap water-levelmeter in HP heater

1.1.2 磁性翻板水位計(jì)現(xiàn)場安裝問題分析

針對(duì) 1～4號(hào)機(jī)組高加水位磁翻板水位計(jì)與差壓式水位計(jì)間的偏差大問題,在現(xiàn)場對(duì)各自取樣筒的基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)際檢查和核對(duì),結(jié)合測得數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)高加位磁翻板水位計(jì)測量系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問題:

(1)一些現(xiàn)場測量差壓式高加水位計(jì)取樣筒的安裝基準(zhǔn)值與分散控制系統(tǒng)(distribution control system, DCS)中設(shè)置的偏置值存在偏差,引起測量偏差。

(2)一些磁翻板零位到取樣口距離、翻板取樣口到水筒取樣口距離,與測量要求不符。

(3)一些就地磁翻板液位計(jì)存在卡澀現(xiàn)象,導(dǎo)致測量產(chǎn)生較大偏差。

(4)從安裝上要求,汽側(cè)取樣管應(yīng)有向下斜向筒體的坡度,以保證蒸汽的流通和足夠的流通面積。但水位取樣管至取樣筒的大小頭處,存在倒坡積水影響蒸汽流通的問題。

(5)取樣系統(tǒng)未安裝排污門,無法定期排污,使筒內(nèi)浮球存在因雜質(zhì)而影響上下浮動(dòng)靈活的可能性,或因取樣最低處污物無法排除影響水系統(tǒng)流通,從而影響測量準(zhǔn)確性。

1.1.3 紅外線儀表水位輔助判斷上的應(yīng)用試驗(yàn)

由于高加DCS現(xiàn)實(shí)水位和就地磁翻板水位存在較大差異,普遍認(rèn)為就地磁翻板液位更加準(zhǔn)確。為核實(shí)磁翻板的準(zhǔn)確性,根據(jù)高加就地磁翻板水位測量筒內(nèi)存在較為明顯汽水分界線這一特點(diǎn),探討了使用紅外線點(diǎn)溫計(jì)和紅外成像儀測量高加水位測量筒體溫度,利用溫度梯度確定汽水分界線,從而確定實(shí)際水位位置的輔助判斷水位計(jì)顯示準(zhǔn)確性的方法,并進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)測量了2臺(tái)機(jī)組 A、B高加磁翻板液位計(jì)筒體溫度,根據(jù)測得的溫度陡度數(shù)據(jù)估算分析所定的水位,與DCS顯示水位偏差40～50 mm,而磁翻板液位計(jì)現(xiàn)實(shí)顯示的數(shù)據(jù)偏高。但由于點(diǎn)溫計(jì)測量時(shí)所受的干擾源較多,需要采取相應(yīng)措施進(jìn)一步試驗(yàn)分析,提高測量判斷的準(zhǔn)確性。

(2)根據(jù)規(guī)程要求,汽側(cè)取樣管應(yīng)有向下斜向筒體的坡度,以保證蒸汽的流通和足夠的流通面積。但用點(diǎn)溫計(jì)測量了一些高加取樣口及管路溫度,存在溫度差,這是因?yàn)槿庸艽笮☆^處坡度不符合安裝規(guī)程要求,存在積水影響了蒸汽的流通,從而引起測量誤差。

(3)在進(jìn)行高加水位定值調(diào)整試驗(yàn)的同時(shí),分別用紅外成像儀對(duì)磁翻板水位測量筒和差壓水位測量筒的水位位置進(jìn)行研究性測試,探討通過筒體溫度值的變化來輔助判斷水位位置的試驗(yàn)。紅外成像儀測量水位約為270mm,當(dāng)時(shí)實(shí)際水位約為230mm。

研究測試結(jié)果表明,紅外成像儀在判斷水位測量位置的問題上,可以作為輔助判斷手段進(jìn)行專題研究,但由于紅外成像儀測量過程中,存在許多不確定因素,如周圍溫度、光線、筒體光潔度,筒體油漆、手持成像儀的穩(wěn)定性等,都將影響其測量結(jié)果,因此需要進(jìn)一步試驗(yàn),摸索其規(guī)律,提高被測對(duì)象位置判斷的準(zhǔn)確度。

1.2 差壓式水位測量引起誤差分析

差壓式水位測量引起誤差來自 2方面,即正負(fù)測量取樣管路的安裝不符合規(guī)程要求和測量信號(hào)未經(jīng)補(bǔ)償而引起誤差,下面分別進(jìn)行分析。

(1)安裝不符合規(guī)程要求引起誤差。

為保證測量取樣管路介質(zhì)的流通和足夠的流通面積,從安裝上要求,汽側(cè)連通管應(yīng)有向下斜向筒體的坡度。但現(xiàn)場檢查,高加水位測量差壓變送器的取樣管大小頭處,無斜向取樣筒的坡度(如圖2虛線所示),且有的還存在倒坡,該處積水將影響蒸汽取樣的流通,對(duì)測量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。測量筒水測連通管存在較大的U型結(jié)構(gòu),測量筒及取樣連通 U型管最低處未裝排污閥,導(dǎo)致整個(gè)介質(zhì)取樣回路無法排除雜質(zhì)和污水,也將對(duì)測量產(chǎn)生較大影響。

圖2 高加差壓式水位測量取樣圖Fig.2 Measurem ent of pressure-difference water-levelm eter in HP heater

(2)測量信號(hào)未經(jīng)壓力補(bǔ)償引起誤差。

設(shè)計(jì)時(shí)高加水位測量信號(hào)未作壓力補(bǔ)償,由此造成的測量偏差,超超臨界機(jī)組比超臨界機(jī)組要顯得突出。

差壓式水位變送器是通過把加熱器水位高度的變化,轉(zhuǎn)換由單室平衡容器內(nèi)的參比水柱所形成的差壓變化來測量實(shí)際水位。引其變送器差壓值 ΔP計(jì)算如下:

式中:h為高加實(shí)際水位高度,h=h0+h顯,h0為偏置值,h顯為測量顯示值,mm;h1為平衡筒參比水柱高度(現(xiàn)場實(shí)測是800 mm),mm;h2為負(fù)壓側(cè)水柱高度, mm;ρqw為高加內(nèi)疏水密度,kg/m3;ρqs為高加內(nèi)飽和蒸汽密度,kg/m3;ρa(bǔ)為平衡容器參比水柱平均密度, kg/m3;ρm為負(fù)壓側(cè)水柱平均密度,kg/m3。

如果不考慮高加抽汽的影響,并將高加內(nèi)疏水、負(fù)壓側(cè)水柱、平衡容器參比水柱平均密度近似于常溫常壓下水的密度1 000 kg/m3,則高加實(shí)際水位h可以簡化為

式中:h1=0.8m;ρqw≈1 000 kg/m3。

當(dāng)ΔP=0mmH2O時(shí),h=800 mm;

當(dāng)ΔP=800mmH2O時(shí),h=0 mm。

因?yàn)閔=h0+h顯,所以h顯=h-h0。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量 1號(hào)高加磁翻板零水位基準(zhǔn)點(diǎn)與1號(hào)高加差壓筒差 -260 mm,故 1號(hào)高加差壓水位變送器0～800 mmH2O對(duì)應(yīng)實(shí)際水位為:

當(dāng)ΔP=0 mmH2O時(shí),h顯=h-h0=800 mm-260mm=540 mm;

當(dāng)ΔP=800 mmH2O時(shí),h顯=h-h0=0 mm-260mm=-260mm。

上述 1號(hào)高加水位測量推算過程中,1號(hào)高加水位測量未經(jīng)過溫度、壓力修正,直接將所測得的差壓信號(hào)按照常溫常壓下轉(zhuǎn)換成水位信號(hào)。但高加內(nèi)疏水密度ρqw近似為常溫常壓下水的密度(1 000 kg/m3)將帶來比較大的測量誤差。

因?yàn)楦呒觾?nèi)疏水是飽和水和未飽和水的混合物。由于未飽和水占高加內(nèi)疏水的大部分,所以一般以高加內(nèi)未飽和水的密度來表征高加內(nèi)疏水的密度。根據(jù)現(xiàn)場抄錄(1 000 MW)的1號(hào)高加抽汽壓力為7.19 MPa,1號(hào)高加疏水溫度為276℃,查找手冊(cè)知比對(duì)應(yīng)壓力下飽和水的溫度(287.6℃)低 12℃左右,可以查表得到這種工況下疏水對(duì)應(yīng)密度為759.07 kg/m3。

當(dāng)差壓變送器測得的差壓為400mmH2O時(shí),如果不進(jìn)行壓力補(bǔ)償,那么計(jì)算得到的高加水位 h顯= 140mm,即CRT上顯示值為140 mm。而采用壓力補(bǔ)償后,計(jì)算得到的高加水位h=251 mm,即CRT上顯示值為251mm。2者測量偏差Δh=111mm。

進(jìn)一步計(jì)算可知:當(dāng)差壓變送器測得的差壓從0～800 mmH2O變化時(shí),在抽汽壓力不變的情況下,不經(jīng)補(bǔ)償時(shí)對(duì)應(yīng)的顯示為 -260～540mm,經(jīng)補(bǔ)償后的顯示為-310～810mm,2者測量偏差范圍為-50～270mm。

2 高加水位測量偏差問題處理措施

根據(jù)上述查找和分析,針對(duì)高加水位不同測量原理的表計(jì)產(chǎn)生顯示偏差的原因,提出以下處理措施并進(jìn)行實(shí)施。

2.1 磁翻板水位計(jì)問題處理措施

磁翻板水位計(jì)問題,移交生產(chǎn)后再進(jìn)行改造是沒有辦法的行為,應(yīng)在基建階段就進(jìn)行控制。

(1)對(duì)所有取樣筒的位置進(jìn)行標(biāo)定,確保標(biāo)高一致。

(2)機(jī)組檢修時(shí),按規(guī)程要求對(duì)取樣管路的安裝進(jìn)行修正,確保汽側(cè)取樣管有向下斜向筒體的坡度無倒坡現(xiàn)象;對(duì)磁場翻板水位計(jì)取樣筒下部與水側(cè)連通管最低處增加排污門,便于運(yùn)行中排污,防止取樣最低處殘留污物影響測量準(zhǔn)確性。

(3)檢修結(jié)束進(jìn)行高加水壓試驗(yàn)時(shí),對(duì)取樣筒進(jìn)行多次排污,直到磁翻板動(dòng)作靈活,否則應(yīng)進(jìn)行檢修或更換。

(4)運(yùn)行中定期排污。消除磁場翻板水位計(jì)因雜質(zhì)存在卡住而不靈活,或因取樣最低處污物無法排出,導(dǎo)致顯示異常因素。先確認(rèn)顯示明顯異常的磁翻板水位計(jì)的卡澀,是外部原因引起還是內(nèi)部原因引起,然后予以消除。

(5)如確認(rèn)因浮球材料密度與被測介質(zhì)密度不適配而引起測量誤差,則對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行修正。

2.2 差壓式水位測量增加壓力補(bǔ)償

考慮到高加水位h測量,在不進(jìn)行壓力修正的情況下存在較大的測量誤差,建議引入高壓加熱器熱工測量中已配置的高加抽汽壓力這一變量,按以下公式對(duì)高加水位測量進(jìn)行壓力修正,其中:

(1)因不同抽汽壓力、不同溫度下冷凝水的密度ρa(bǔ)變化很小,其進(jìn)行壓力溫度修正時(shí)對(duì)測量精度影響不大,建議用運(yùn)行中的額定抽汽壓力(6.08MPa)、環(huán)境溫度為40℃的冷凝水密度(約994.80 kg/m3)代表平衡容器參比水柱密度。但也可以將ρa(bǔ)設(shè)計(jì)成可調(diào)整窗口,用于冬夏調(diào)整。

(2)根據(jù)機(jī)組高加實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),高加運(yùn)行中其抽汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和水溫度與高加疏水管溫度測點(diǎn)的偏差變化較小,建立高加抽汽壓力與高加疏水密度、蒸汽密度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系,即將 ρqw、ρqs均作為高加抽汽壓力的函數(shù),設(shè)f1(x)=ρqw-ρqs,f2(x)=ρa(bǔ)-ρqs,列出f1(x)、f2(x)函數(shù)發(fā)生器對(duì)應(yīng)參數(shù)表用于修正。

(3)機(jī)組檢修時(shí),取樣平衡筒底部增加排污門,定期排污,消除取樣最低處污物無法排出,導(dǎo)致顯示異常因素。

(4)機(jī)組檢修時(shí),糾正水位變送器取樣管坡度不符合規(guī)程(大小頭處存在積水可能性),蒸汽流通不暢,影響測量的準(zhǔn)確性。

(5)增加補(bǔ)水裝置。在機(jī)組啟動(dòng)階段,高加投入初期,金屬應(yīng)力變化最大,相對(duì)容易發(fā)生加熱器管爆裂可能。由于電廠利用模擬量作為高加保護(hù)信號(hào),為了保證在機(jī)組啟動(dòng)階段加熱器的安全,差壓式水位計(jì)需要盡早投入,可以及時(shí)向平衡容器中補(bǔ)充冷凝后的飽和水,因而可以保證鍋爐點(diǎn)火不久就可投入加熱器水位測量,確保加熱器保護(hù)正常投入。

2.3 綜合措施

(1)查找高加廠家或設(shè)計(jì)院的有關(guān)高加設(shè)計(jì)計(jì)算書,了解設(shè)計(jì)端差溫度下的正常水位控制值。通過1、2、3、4號(hào)機(jī)組高加水位定值調(diào)整試驗(yàn),檢查并記錄各機(jī)組對(duì)應(yīng)磁翻板水位計(jì)、DCS顯示變化值,對(duì)有偏差的測量回路進(jìn)行綜合分析后制定處理措施。

(2)對(duì)磁翻零位到取樣口距離、翻板到水筒間水口距離、DCS偏置設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)核對(duì),根據(jù)核對(duì)結(jié)果對(duì)DCS中偏置值進(jìn)行修正。

(3)對(duì)有疑義的測量顯示,通過紅外線點(diǎn)溫計(jì)或紅外成像儀測量,進(jìn)行水位位置的輔助判斷,然后對(duì)有問題的測量回路進(jìn)行進(jìn)一步檢查分析,查出原因后處理。

3 結(jié)語

通過對(duì)玉環(huán)電廠高壓加熱器磁翻板式、差壓式液位計(jì)測量現(xiàn)場安裝的檢查,測量原理與顯示誤差、原因的分析,以及紅外線點(diǎn)溫計(jì)和紅外成像儀測量水位筒體表面溫度梯度進(jìn)行輔助判斷水位測量位置的試驗(yàn),指出了高加水位測量系統(tǒng)中存在的問題和導(dǎo)致測量偏差產(chǎn)生的原因,提出了高加水位測量偏差問題的處理建議。通過改進(jìn),基本可以消除高加水位測量偏差問題。

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