火電廠鍋爐汽包水位自動(dòng)測量系統(tǒng)誤差分析與校正

張占友

【摘要】介紹了幾種火電廠鍋爐汽包常見差壓式水位自動(dòng)測量系統(tǒng)平衡容器的結(jié)構(gòu)和性能，分析了對水位測量帶來的誤差影響，給出了幾種平衡容器的壓力校正方法，提出了實(shí)際應(yīng)用的選擇方案。

【關(guān)鍵詞】平衡容器 自動(dòng)測量 誤差校正 實(shí)際應(yīng)用

鍋爐汽包水位是火力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行的一項(xiàng)重要安全性指標(biāo)。機(jī)組運(yùn)行中的負(fù)荷、給水流量及燃燒工況等參數(shù)的變化，會(huì)引起汽包水位經(jīng)常變化。正常運(yùn)行中，一般鍋爐汽包水位波動(dòng)要求不超過±50mm，以防止汽包滿水或缺水等惡性事故的發(fā)生。當(dāng)汽包滿水或缺水時(shí)，輕則造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，重則造成汽輪機(jī)和鍋爐嚴(yán)重?fù)p壞。因此，保持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)非常重要，每臺鍋爐上往往裝有幾套不同型式的水位計(jì)來監(jiān)視汽包水位的變化數(shù)值，并在汽包水位越限時(shí)自動(dòng)報(bào)警，更為嚴(yán)重時(shí)動(dòng)作停爐。我國將“防止鍋爐汽包滿水和缺水事故”作為《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》之一，可見其重要程度。

《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)反事故措施》規(guī)定“汽包鍋爐水位保護(hù)是鍋爐啟動(dòng)的必備條件之一，水位保護(hù)不完整嚴(yán)禁啟動(dòng)。汽包水位調(diào)節(jié)和水位保護(hù)的信號應(yīng)采用有壓力、有溫度補(bǔ)償?shù)牟顗菏剿挥?jì)的信號”，也就是說汽包水位保護(hù)的信號應(yīng)來自差壓式水位計(jì)，而差壓式水位計(jì)能否準(zhǔn)確測量水位，在很大程度上取決于自身所用平衡容器的結(jié)構(gòu)和性能。下面介紹幾種常見的差壓式水位測量平衡容器的結(jié)構(gòu)和性能，并對相應(yīng)的壓力校正方法作以分析。

1常見的水位測量平衡容器

火力發(fā)電廠鍋爐汽包差壓式水位計(jì)常用的平衡容器通常有：單室平衡容器、簡單雙室平衡容器、蒸汽罩式雙室平衡容器、蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器等幾種。

1.1單室平衡容器

單室平衡容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但測量誤差較大。當(dāng)鍋爐在額定汽壓運(yùn)行，水位為正常水位時(shí)，其輸出的差壓△p比較穩(wěn)定，測量較準(zhǔn)確；當(dāng)汽壓下降時(shí)（即使此時(shí)的水位保持不變，正壓側(cè)壓力（P+）變化不大，負(fù)壓側(cè)的壓力（P-）將顯著增大，致使平衡容器輸出差壓減小，水位表指示偏高。

圖1和式（1）中：ρc為平衡容器內(nèi)水密度，ρw為汽包內(nèi)飽和水密度，ρs為汽包內(nèi)飽和汽密度，g為重力加速度，H為汽包水位，△p為平衡容器輸出差壓，L為上下連通管距離。

由圖1可以看出，正壓側(cè)壓力（P+）由恒定的水柱高度維持，即汽包內(nèi)的蒸汽經(jīng)過正壓側(cè)一次門注入平衡容器內(nèi)并凝結(jié)成水，負(fù)壓側(cè)壓力（P-）則隨汽包水位變化而變化，所以△p即隨汽包水位而變化。

但是，由于汽包內(nèi)的飽和水與平衡容器內(nèi)的冷凝水溫度不同而導(dǎo)致兩種水密度不同，從而產(chǎn)生測量誤差。為了減少此誤差，通常是使平衡容器的安裝標(biāo)高（正負(fù)壓取樣管的垂直距離L）與二次顯示儀表的刻度全量程一致，并在二次表校驗(yàn)時(shí)，按運(yùn)行額定參數(shù)和環(huán)境平均溫度來考慮密度影響的修正值。因此單室平衡容器在用于測量鍋爐汽包水位時(shí)，要運(yùn)用水位測量的汽壓自動(dòng)校正系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的測量。

1.2雙室平衡容器

雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙室平衡容器的正壓側(cè)與單室平衡容器一樣，維持恒定水柱高度；負(fù)壓側(cè)置于平衡容器內(nèi)，頂部比正壓連通管下緣稍高10mm左右，下部與汽包的水室相連通，其水柱高度隨著汽包水位的變化而變化。雙室平衡容器的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)外兩根取樣管內(nèi)水的溫度比較接近，減少了采用單室平衡容器因正負(fù)壓取樣管內(nèi)水的密度不同所引起的測量誤差。但是，由于平衡容器內(nèi)的溫度仍舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽包內(nèi)的溫度，故負(fù)壓管內(nèi)的水位比汽包實(shí)際水位還是偏低，因而測量誤差依然存在。

雙室平衡容器的水位測量關(guān)系式與單室平衡容器相同，即△p=P+-P-=L（ρc-ρs）g-H（ρw-ρs）g。

1.3蒸汽罩式雙室平衡容器

蒸汽罩式雙室平衡容器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。是采用汽包內(nèi)飽和蒸汽來加熱正、負(fù)壓側(cè)取樣管內(nèi)的水，使之處于飽和溫度，即ρc＝ρw，從而消除了簡單雙室平衡容器內(nèi)水溫度與汽包內(nèi)水溫度不同帶來的測量誤差。由于ρc＝ρw，蒸汽罩式雙室平衡容器的水柱與差壓關(guān)系式為：

△p=（L–H）（ρw-ρs）g （2）

或H=L–△p/（ρw-ρs）g （3）

蒸汽罩式雙室平衡容器雖然消除了環(huán)境溫度對水位測量的影響，但當(dāng)汽壓P降低時(shí)，即使實(shí)際水位不變，但由于飽和水密度增加，正壓管壓力P+增大，平衡容器輸出差壓也將顯著增大，導(dǎo)致水位指示偏低。

1.4蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器

從以上看出，當(dāng)汽壓變化時(shí)，單室平衡容器和蒸汽罩雙室平衡容器的輸出差壓變化方向恰好是相反的，于是提出了蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器（即帶中間抽頭的雙室平衡容器），其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器正壓側(cè)取樣管的水柱改由兩段組成，ι段保持飽和溫度，L—ι段保持室溫。適當(dāng)選擇兩段的比例，即可獲得在某一特定水位（如0水位）下平衡容器輸出的差壓值不受汽壓變動(dòng)的影響。

用蒸汽罩對正壓恒位水槽加熱，使槽內(nèi)的水在任何情況下都與汽包壓力下飽和水的密度相同，不受環(huán)境溫度的影響。蒸汽罩的加熱蒸汽取自汽包的蒸汽室，凝結(jié)水經(jīng)疏水管“4”流至鍋爐下降管。

為了使平衡容器能迅速達(dá)到正常的工作狀態(tài)，在汽包與平衡容器的連接管之間加裝汽側(cè)一次門，當(dāng)鍋爐開始升壓時(shí)，關(guān)閉該閥門，使較高壓力的爐水由疏水管注入平衡容器，并迅速充滿正壓恒位水槽。這樣，待儀表管路沖洗后，打開該閥門，水位計(jì)即可正常投入。

在鍋爐參數(shù)變化時(shí)，為了保證汽包水位一定，差壓與水位成單值函數(shù)，密度補(bǔ)償長度ι必須選擇合適，ι值的確定是在水位為正常水位（即0水位）時(shí)獲取的。因此，只有當(dāng)汽包水位為H0時(shí)，才能進(jìn)行良好的密度補(bǔ)償。

2汽包水位測量的壓力校正

2.1單室平衡容器、簡單雙室平衡容器的壓力校正

由式（1）可知，如果將差壓信號△p與反映密度變化的信號（ρc-ρs）gL代數(shù)相減，再除以密度變化信號（ρw-ρs）g，則測量系統(tǒng)的輸出為水位H。平衡容器的汽包壓力自動(dòng)校正系統(tǒng)如圖5所示。

圖中f（x1）和f（x2）為函數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸出分別為（ρc-ρs）gL和（ρw-ρs）g，二者能自動(dòng)跟隨汽包壓力變化而變化，達(dá)到自動(dòng)校正汽包壓力的目的。由于采用單室平衡容器時(shí)ρc仍隨環(huán)境溫度變化，因此，測量上仍有一定的測量誤差，該誤差的大小取決于ρc隨環(huán)境溫度變化的大小。

2.2蒸汽罩雙室平衡容器的壓力校正

由于蒸汽罩的作用，蒸汽罩雙室平衡容器內(nèi)凝結(jié)水的密度與汽包飽和水的密度相同，不受環(huán)境溫度的影響。由式（3）可得到其壓力校正系統(tǒng)圖6。

函數(shù)轉(zhuǎn)換器f（x2）接受汽包壓力信號，輸出為（ρw-ρs）g，經(jīng)除法器與差壓信號相除，再送入減法器與L相減，便得到汽包水位H。

綜上所述，在汽包壓力校正系統(tǒng)中f（x1）用來描述（ρc－ρs）與汽壓的關(guān)系，f（x2）用來描述（ρw－ρs）與汽壓的關(guān)系。這些關(guān)系在實(shí)際應(yīng)用中可采用多折線函數(shù)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)；在采用微處理器或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的情況下，可采用較復(fù)雜的計(jì)算式，亦可采用按汽壓分段的多段計(jì)算式以提高計(jì)算精度。此外，還可利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)強(qiáng)大的存儲功能，采用查表的方法實(shí)現(xiàn)汽包水位的壓力自動(dòng)校正（補(bǔ)償）。但由于汽包水位測量涉及的因素較多，壓力校正的精度要求適可而止。

以上平衡容器的壓力校正系統(tǒng)框圖僅為簡捷易懂的示意圖，各參數(shù)的正負(fù)關(guān)系以及函數(shù)表達(dá)式需在理論計(jì)算中認(rèn)真核實(shí)并正確應(yīng)用。

3水位測量平衡容器的選用

以上幾種常見的差壓式水位平衡容器在監(jiān)視汽包水位中消除測量誤差方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都存在著小量的誤差。

（1）鍋爐汽包水位平衡容器的選型應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇。對于采用汽壓校正的水位測量系統(tǒng)，當(dāng)平衡容器安裝現(xiàn)場環(huán)境溫度較穩(wěn)定時(shí)，以采用單室平衡容器為宜，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，同時(shí)還可避免在采用雙室平衡容器時(shí)因汽壓驟然下降，造成飽和水汽化而喪失正壓頭的危險(xiǎn)。當(dāng)平衡容器安裝現(xiàn)場環(huán)境溫度變化較大時(shí)，以采用蒸汽罩式雙室平衡容器為宜。

（2）平衡容器有多種壓力校正方式，其校正精度可酌情而定。而且，以上分析都是在假定平衡容器內(nèi)凝結(jié)水溫度恒定的情況下給出的。在火電廠運(yùn)行現(xiàn)場，凝結(jié)水溫度是隨環(huán)境溫度和運(yùn)行狀況而變化的，因此，既要提高壓力補(bǔ)償精度，又要考慮到環(huán)境溫度的影響。

（3）通過對電廠差壓式水位計(jì)的具體應(yīng)用分析可看出，除汽包壓力影響水位的測量外，保溫、取樣管路的敷設(shè)、各種滲漏等對汽包水位測量也具有一定的影響。