亞臨界汽包鍋爐水位測量系統(tǒng)的改造及應用

石清泉　萬太浩

摘要：由于傳統(tǒng)汽包水位測量裝置簡單粗糙、原理簡單，造成雙色云母水位計積垢模糊、電接點水位計泄漏，受環(huán)境溫度影響，導致汽包水位測量系統(tǒng)顯示偏差大等問題，嚴重危及機組安全。通過采用新型原理和先進工藝形結合的高端測量設備，對其進行更新改造，實現(xiàn)水位計顯示清晰、測量準確，各水位計全過程、全范圍穩(wěn)態(tài)時偏差不超標準要求，達到機組安全穩(wěn)定運行的目標。

關鍵詞：亞臨界；汽包；鍋爐水位；測量系統(tǒng)；系統(tǒng)改造

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）36-0034-04

1 概述

陜西國華錦界電廠4×600MW亞臨界機組，鍋爐設備采用上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG2093/17.5-M910型控制循環(huán)汽包鍋爐，屬于采用美國CE公司燃燒技術的產(chǎn)品。該鍋爐采用擺動式調溫、四角布置、切向燃燒、正壓直吹式制粉系統(tǒng)、單爐膛、∩型布置、固態(tài)排渣、平衡通風。鍋爐汽包內(nèi)徑為1743mm，通體直段長26216mm，兩端采用球星封頭，包括封頭鍋筒總廠28286mm。在汽包長度方向分布六根大直徑下降管，爐水經(jīng)過匯合集箱后，由3臺爐水循環(huán)泵送到水冷壁下部的環(huán)形聯(lián)箱中。在環(huán)形集箱內(nèi)，各個水冷壁管接入口處都裝有節(jié)流圈。汽包中心線以下220mm處定為正常水位線。原汽包水位測量系統(tǒng)配置4只外置的水位平衡容器、2只普通的雙色水位計、2只電接點水位計，在汽包兩側對稱布置。

2 改造原因、范圍、要求

2.1 改造原因

因各種水位測量裝置精度不足、制造粗糙、原理落后等原因而存在的誤差，致使3號爐就地水位與DCS顯示差值為80mm以上，汽包兩側的水位偏差在30～50mm左右，影響汽包水位的判斷和運行控制，嚴重威脅到機組的安全可靠運行，也不符合《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項要求》中水位偏差值不大于30mm的規(guī)定。因此，對汽包水位測量系統(tǒng)的雙色水位計、電接點水位計、平衡容器等進行全面改造。

2.2 改造范圍

將原有4臺外置式平衡容器、因泄漏無法投運的2臺電接點水位計、2臺就地雙色云母水位計拆除。安裝4臺內(nèi)置式平衡容器，并對4臺差壓變送器進行溫度、壓力補償，解決環(huán)境溫度所引起的測量誤差。將左側原有電接點水位計改為高精度取樣電極傳感器，將右側原有全量程電接點水位計改為滿量程高精度取樣電極傳感器，將疏水引到兩側下降管位于爐水泵入口處，使其杜絕頻繁泄漏而達到長期穩(wěn)定的投運效果。安裝低偏差的雙色云母水位計，將疏水引到兩側下降管位于爐水泵入口處，并達到自沖洗功能，確保時刻清晰顯示水位。平衡容器連接差壓變送器，把差壓信號接到DCS，便于準確可靠檢查汽包水位。

DCS系統(tǒng)水位組態(tài)；系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)調試。

2.3 改造要求

確保汽包水位測量各水位計在任何環(huán)境溫度下做到壓力、溫度補償，使之接近汽包飽和水的溫度和比重，確保各水位計指示的同一性，并能在DCS系統(tǒng)中實現(xiàn)邏輯組態(tài)。各水位計之間取樣相互獨立，水位計配置、安裝滿足《火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)技術規(guī)定》和《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》。

差壓水位計補償信號與補償公式科學合理，確保水位測量信號如實反映汽包內(nèi)真實水位；消除差壓水位計參比水柱溫度誤差帶來的測量誤差。電接點水位計必須有消除溫度誤差造成水位測量偏差的技術手段，安全可靠，電極平均無故障時間不小于25000小時。云母水位計必須有消除溫度誤差造成水位測量偏差的技術手段，有冷凝裝置，可以自動沖洗云母片，基本免維護。

電接點水位計的電極，在設計上應該采用自密封技術，同時做到安裝、維護方便。

所有水位計測量準確，各水位計全過程、全范圍穩(wěn)態(tài)時偏差不超過30mm，瞬態(tài)時不超過50mm。

3 改造水位測量裝置的工作原理及優(yōu)越性

3.1 低偏差雙色云母水位計

利用汽包里的飽和蒸汽來給表體加熱，防止表計內(nèi)的飽和水因向外傳熱而降溫。再使冷凝后的飽和水給表計內(nèi)的水置換，以加速水位計內(nèi)的水循環(huán)，達到水位計內(nèi)的水溫接近于飽和水的溫度，使水位計內(nèi)的水位能夠在全工況的任何情況下，都與汽包內(nèi)的真實水位相接近，從而實現(xiàn)了準確監(jiān)視汽包水位的目的。

以冷凝器里冷凝以后的飽和水來置換水位計里的水，水位計內(nèi)的循環(huán)加速；同時，飽和蒸汽冷凝以后形成的飽和水，含鹽較低，使云母片結垢減少，水位計的排污周期相對延長。

水位計表體的溫差變化較小，從而減弱水位計表體的熱變形，使云母和玻璃能有良好的接觸，減少密封處的泄漏，水位計的檢修周期延長，維護的人工和備件的費用降低。

與普通水位計比較，優(yōu)越性體現(xiàn)在：（1）偏差較小：水位計表體得到加熱，使飽和水溫度接近汽包溫度，顯示的水位比較接近汽包中的實際水位；（2）沒有盲區(qū)：使用八窗云母，每窗的可見范圍大，左右搭接量較多，水位總是在左右的視窗范圍內(nèi)得到顯示；（3）達到自沖洗功能，水位時刻清晰可見；（4）使用壽命長，泄漏率低，維護費用低。

3.2 內(nèi)置的平衡容器

運行過程中，汽包里的飽和蒸汽進到冷凝罐中，冷凝形成飽和水再回流到平衡罐中。汽包里的飽和水通過負壓側的取樣管，引到差壓變送器的負端。參比水柱所形成的靜壓，經(jīng)過正壓側取樣管引出，到差壓變送器的正端。由差壓變送器輸出差壓信號到DCS，在DCS中通過壓力補償計算出汽包內(nèi)的水位。這樣做就消除了環(huán)境溫度對參比水柱密度的影響，計算出來的水位更接近汽包里的實際水位，反映汽包真實水位。

因為水位通過飽和水與飽和汽的密度來反映，密度只與壓力有關。所以，只要測量出汽包的壓力就能夠根據(jù)飽和蒸汽及飽和水的密度，計算出汽包水位。

與外置式平衡容器來比較，內(nèi)置的平衡容器避免了環(huán)境溫度給單室平衡容器和參比水柱內(nèi)水密度的影響，信號更加穩(wěn)定，使測量的附加誤差更小，補償公式更加簡捷，計算結果更加準確。因為單室平衡容器和參比水柱內(nèi)水的溫度，受環(huán)境溫度以及容器的結構、表管布置影等因素的影響巨大；水的密度又受水的溫度影響較大。較小的差壓誤差，補償計算后會加大約2倍，使水位測量增加一個較大的隨機誤差。

內(nèi)置的水位平衡容器，將單室容器放在了汽包內(nèi)部，使它的水容器與參比水柱永遠處在飽和溫度的環(huán)境里，避免參比水柱的水溫難于測量的弊端，進而確保信

號穩(wěn)定，并提供一個更加準確、穩(wěn)定、可靠的差壓信號，從而使汽包水位的測量、調節(jié)與保護更加真實、可信。

內(nèi)置式的平衡容器的優(yōu)越性：（1）把平衡管放置到汽包內(nèi)部，就會使平衡罐和引出管中的水的溫度與汽包內(nèi)內(nèi)飽和水的溫度相同，那么它的密度也與飽和水的密度相同。這樣，在對補償進行計算的時候，選擇參數(shù)就相對穩(wěn)定了，能夠精確地計算出汽包的水位；（2）由于在汽側的取樣管上安裝了冷凝罐，能夠及時地向平衡罐里補充冷凝后的飽和水，確保在鍋爐啟動不久就能夠投入汽包水位；（3）設有備用的正壓取樣管，可以防止內(nèi)置的平衡罐在出現(xiàn)意外的情況下，能夠將正壓表管與之連接，以防萬一。

3.3 高精度取樣電極傳感器

測量筒設置有伸高冷凝器，在取樣系統(tǒng)所形成水樣置換流程：飽和汽進入伸高冷凝器，冷凝產(chǎn)生的大量凝結水經(jīng)疏水管進入水室，再經(jīng)水側取樣管流向汽包。

該流程作用：（1）凝結水溫度為飽和溫度，可提高水柱平均溫度；（2）大量純凈水進入水柱，將原有部分水樣壓回汽包，水樣為有源“活水”，實現(xiàn)水質自動凈化；（3）在水側取樣管里是連續(xù)的流到汽包的高溫水流，在汽包的水位非常急速地升高時，從水側的取樣管中返回到水室的水溫，依然接近飽和水溫度，不僅可減小水位升降動態(tài)附加誤差，還可有效防止鍋水中臟物進入測量筒；（4）在鍋爐運行過程中，能夠不用升降汽包水位進行定期的滿水和缺水保護傳動校驗。關閉水側取樣閥門截止流向汽包的水流后，測量筒內(nèi)的水位會自動上升，由于設計的冷凝水流量大，在額定工況下幾分鐘就可使測量筒“滿水”，在“滿水”過程中即完成高水位定值測量試驗及其開關量信號傳動校驗。然后開排污門放水可使測量筒“缺水”，完成低水位定值測量試驗及其開關量信號傳動校驗。

由于測量筒采取多重措施，使取樣水柱溫度與汽包內(nèi)飽和水溫度相等，測量筒內(nèi)的質量水位與汽包內(nèi)水位相等，電極如同在汽包內(nèi)檢測一樣，實現(xiàn)了全工況全量程高精度取樣與傳感測量。按該測量筒取樣測量監(jiān)控汽包0水位長期運行，在汽包壁上所形成水跡中心線與鍋爐廠規(guī)定的0水位線偏低值不大于30mm，證實該測量筒取樣測量值已逼近汽包內(nèi)實際水位，所以可保證電接點水位計用于主表監(jiān)視和停爐保護的準確性、穩(wěn)定性、可

信性。

與普通測量筒相比，該測量筒內(nèi)的汽、水與水柱之間熱交換的熱流密度大得多，即加熱或冷卻水柱的速度快得多，故取樣水柱對壓力變化的動態(tài)響應快得多，水柱相似直徑又小得多，水位升降動態(tài)附加誤差小。

多重技術措施使取樣水柱上下溫度均勻，可減弱水位升降對電極的熱沖擊。取樣水質好，可減輕電極污染，可減弱儀表測量電流對電極的電腐蝕，可延長電極的壽命，實現(xiàn)3年檢修周期免排污。

配套機械柔性自密封電極專利組件，壓力愈高，機械密封愈緊，密封件有良好的回彈性能，有足夠的密封力保證不泄露，又可減小電極的預緊密封力。電極上仰安裝，可有效防止掛水。

上述技術措施的綜合，實現(xiàn)了測量筒高精度取樣、高可靠性傳感。

與常規(guī)電接點水位計比較，具有如下特點：（1）取樣精度高：取樣水位逼近汽包內(nèi)的實際水位，主表的監(jiān)視與報警的可靠性強；（2）避免了環(huán)境溫度和壓力因素的影響，既能在變參數(shù)條件下運行，又可以在點火的時候投入停爐保護；（3）壓力變化時能夠快速響應，在水位上升下降變化時的動態(tài)誤差?。唬?）不用通過升降汽包的水位做水位保護的傳動校驗，校驗簡易、準確可靠；（5）電極與測量筒之間的自密封，不但有良好的密封，還方便電極的拆裝；（6）對取樣管道長度要求寬松。

4 水位測量裝置的安裝及需要注意的問題

4.1 無盲區(qū)低偏差雙色水位計

零水位定位。用水平管測量汽包中心線，中心線下220mm為汽包設計零位。

無盲區(qū)低偏差云母水位計比普通云母水位計重得多，需用與汽包上連接的槽鋼一起固定的支架支撐。

將測量筒懸吊在支架上，調整筒的高度，使無盲區(qū)低偏差云母水位計0位與汽包0水位線等高，誤差不大于3mm。

無盲區(qū)低偏差云母水位計筒體軸心線應與鉛垂線平行（偏差小于0.5度）。

在下降管上距離汽包中心線大于15m的適當位置開孔（直徑10mm）用于焊接連接排水管的加強座。

焊接的管道坡口打磨完畢，吹掃管路內(nèi)部雜質，兩側管口封堵嚴密。

焊接截門、汽水側取樣管、排水管、排污管。汽、水側取樣管路中途不允許有U形彎，以免影響正常

取樣。

排水管不允許安裝在儀表管路保溫腔內(nèi)。排水管道應以支架、管卡固定。排水管垂直段做好膨脹彎。

調整攝像頭的位置和距離，使水位電視顯示清晰

全面。

管道支吊架安裝后應保證管道牢固且膨脹自由。

4.2 內(nèi)置式平衡容器

拆除汽包汽、水側取樣管保溫，將汽水側取樣管一次門前適當位置割下，取樣管打磨好坡口后，吹掃干凈管路并嚴實密封，嚴防雜質進入。

安裝外部冷凝罐時，管路應該向上傾斜，以利于冷凝罐中冷凝的水流入汽包內(nèi)的平衡罐。

焊接的管道、插管、變徑三通等坡口打磨完畢，吹掃干凈管路內(nèi)部雜質，兩側管口封堵嚴密，嚴防雜質進入，并擺放好。

安裝水側插管及三通部分時，要使三通的位置水平。

內(nèi)部的平衡罐安裝：在汽包里面把插管由水側管向上穿出汽包，平衡罐的端口要保持水平?？衫闷麄热庸芑蛘咂谏项A留的鋼板，生根固定平衡罐及中間管路。安裝完成后測量平衡罐高度并做好記錄，作為設定變送器量程的依據(jù)和DCS公式中的參數(shù)。平衡罐安裝位置不得影響汽包門的開關。

安裝取樣器，取樣器與取樣管水平安裝，且取樣器上的孔為上的孔為上下方向。

安裝汽包外正壓、負壓側取樣管上一次門、變徑和表管至變送器，焊接前吹掃干凈表管內(nèi)雜質。

在汽包內(nèi)進行焊接作業(yè)，不得在汽包內(nèi)壁上引弧。

整體管路焊接完畢后，對每路管路進行吹掃，確保每路管路通暢無雜質。

安裝中的注意事項：（1）冷凝罐的標高應該高于汽側取樣管的根部，要有大于1∶100的傾斜角度；（2）平衡罐應該水平放置，在完成安裝后須對其檢測（距離零水位的高度）；（3）汽包內(nèi)端部水位穩(wěn)定區(qū)域作為負壓側的取樣點，以免受到渦流的影響；（4）敷設取樣管時要避開高溫物體或管路，減少對差壓測量的影響。

4.3 高精度電接點水位計

水位定位。用水平管測量汽包中心線，中心線下220mm為汽包設計零位。

測量筒比普通測量筒重得多，需用與汽包上連接的槽鋼一起固定的支架支撐。

用導鏈機構將測量筒懸吊在支架上，調整筒的高度，使測量筒0位與汽包0水位線等高，誤差不大于3mm。

測量筒筒體軸心線應與鉛垂線平行（偏差小于0.5°），以確保電極不掛水。

焊接的管道坡口打磨完畢，吹掃管路內(nèi)部雜質，兩側管口封堵嚴密。

按要求焊接截門、汽水側取樣管。汽、水側取樣管路中途不允許有U形彎，以免影響正常取樣。

排水管不允許安裝在儀表管路保溫腔內(nèi)。排水管道應以支架、管卡固定。排水管垂直段做好膨脹彎。

電極安裝前應檢查電極芯與頭部的阻值是否為0，電極芯對電極肩盤的絕緣電阻應大于20MΩ。

石墨環(huán)多于2個反而不利于密封。清理出固定座中殘存的石墨密封碎屑后，手推電極、石墨墊、襯墊組合插入固定座底部密封函室中。應在壓蓋螺紋上涂漢高樂泰抗咬合劑后，套過電極，擰入固定座擠壓石墨密封環(huán)。

在額定壓力下自密封組件能自動產(chǎn)生很大的自緊力，在亞臨界壓力下自緊力可達900公斤力，不需要像普通電極組件那樣施力擰緊壓蓋，否則會使固定座的螺紋受力過載而變形，很難擰出壓蓋，甚至會損壞固定座。

5 改造后的應用情況

陜西國華錦界電廠#3鍋爐，在2012年12月份進行汽包水位測量系統(tǒng)的全面改造，已經(jīng)平穩(wěn)運行20個月。期間，所有水位計全過程、全范圍投入，測量準確、可靠。就地水位計結垢少，能夠清晰觀察水位；電接點水位計顯示準確，未發(fā)生以往的電極頻繁泄漏現(xiàn)象；內(nèi)置平衡容器既優(yōu)化布置，又做到精確地測量。應用過程中，水位測量各設備穩(wěn)態(tài)時偏差不超過30mm，瞬態(tài)時不超過50mm。

參考文獻

[1] 上海鍋爐有限責任公司SG-2093/17.5-M910鍋爐使用說明書[S].

[2] 秦皇島華電測控設備有限公司水位計說明書[S].

作者簡介：石清泉（1969-），男，遼寧建平人，陜西國華錦界能源有限責任公司工程師，研究方向：鍋爐檢修與維護管理；萬太浩（1981-），男，遼寧錦州人，陜西國華錦界能源有限責任公司工程師，研究方向：鍋爐熱工控制。