電站汽包液位控制的溫壓修正

陳磊

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

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電站汽包液位控制的溫壓修正

陳磊

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

蒸汽作為工業(yè)領(lǐng)域的三大動(dòng)力源之一，與電力相比更具有可靠、可控、能量巨大的特點(diǎn)，因而蒸汽的用途十分廣泛。目前蒸汽的主要功能還是做功(例如蒸汽透平、汽輪機(jī)發(fā)電等)，通常由蒸汽帶動(dòng)的設(shè)備都是工廠的核心，每時(shí)每刻都必須正常運(yùn)行，一旦停運(yùn)會(huì)造成不可估量的損失。蒸汽主要來(lái)源是鍋爐，是化工生產(chǎn)中不可或缺的重要設(shè)備。

鍋爐汽包液位保持正?？煽丶仁巧a(chǎn)過(guò)程的主要工藝指標(biāo)，同時(shí)也是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要條件之一。如果液位過(guò)高，由于汽包上部的空間減小，從而影響汽、水分離，使蒸汽帶液，不僅降低蒸汽的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且還會(huì)造成汽包結(jié)垢或汽輪機(jī)葉片損壞，引起事故；當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，輕則影響汽、水平衡，重則燒干鍋爐，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍋爐爆炸。又因?yàn)槠莘e小，且橫截面積中間大、上下小，所以當(dāng)液位偏離正常的中間值時(shí)，會(huì)越變?cè)娇?，因而?duì)汽包的液位必須進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。筆者就汽包液位控制相關(guān)的管道安裝、儀表選型以及控制組態(tài)、實(shí)際運(yùn)行狀況作簡(jiǎn)要闡述。

1汽包液位檢測(cè)

根據(jù)DRZT 01—2004《火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，汽包液位的測(cè)量至少采用以下三種方式： 2個(gè)雙色(紅綠)水位計(jì)(加工業(yè)電視監(jiān)視)、2個(gè)電接點(diǎn)水位計(jì)以及3個(gè)差壓式液位變送器(配單室平衡容器)。

1) 雙色水位計(jì)是一種就地顯示儀表，如圖1所示。通電工作后由光源發(fā)出的光通過(guò)紅、綠濾色鏡片，射向水位計(jì)本體液腔，在腔內(nèi)汽相部分，紅光射向正前方，而綠光斜射到壁上被吸收，而在腔內(nèi)液相部分，由于水的折射使綠光射向正前方，而紅光斜射到壁上，所以在正前方觀察，顯示汽紅水綠。雙色水位計(jì)在電廠水位監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中是常用的一種儀表，簡(jiǎn)單實(shí)用，但也有其自身的缺點(diǎn)： 鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，就地水位計(jì)中水溫與汽包中水溫有差別，就地水位計(jì)顯示的水位不同于汽包中的水位，此差值受汽包壓力、就地水位計(jì)的保溫條件等因素的影響。

圖1　雙色水位計(jì)工作原理示意

2) 電接點(diǎn)水位計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、顯示直觀、維護(hù)量較小的特點(diǎn)，作為可以遠(yuǎn)傳的就地儀表廣泛地應(yīng)用在各種容器的水位測(cè)量上。電接點(diǎn)水位計(jì)同樣是利用連通器的原理進(jìn)行測(cè)量，它將汽包水位反映到測(cè)量筒內(nèi)，利用安裝在測(cè)量筒內(nèi)的電極對(duì)汽、水導(dǎo)電性能的差別，分別點(diǎn)亮不同的紅燈、綠燈來(lái)顯示汽包水位。可采用保溫、加熱等辦法克服電接點(diǎn)水位計(jì)偏差大的缺陷，使水樣平均溫度逼近汽包內(nèi)飽和水溫，取樣水柱逼近汽包內(nèi)水位，使電極如同在汽包內(nèi)部一樣檢測(cè)，以提高水位測(cè)量精度。如今市面上也出現(xiàn)直接安裝在汽包內(nèi)部的耐高溫電接點(diǎn)水位計(jì)，其測(cè)量精度比目前傳統(tǒng)電接點(diǎn)高，將來(lái)可能成為可靠的水位安全聯(lián)鎖信號(hào)源。

3) 第三種液位檢測(cè)手段是差壓液位變送器，儀表的檢測(cè)原理同普通差壓變送器，在這里不再贅述。差壓液位變送器安裝要求如圖2所示。

圖2　差壓液位變送器安裝示意

2相關(guān)參數(shù)關(guān)系

變送器汽側(cè)取樣管上安裝平衡容器，容器側(cè)面水平引出管線接至汽包的汽側(cè)取樣孔，容器底部垂直引出管線至差壓變送器的負(fù)壓側(cè)。為了避免汽包水位變化時(shí)，平衡容器內(nèi)水位變化影響測(cè)量水位的準(zhǔn)確性，一般情況下平衡容器內(nèi)的水面積在50cm2以內(nèi)就能完全保證汽包水位測(cè)量的準(zhǔn)確性，即采用直徑10cm的球形容器做平衡容器就已經(jīng)足夠了。該項(xiàng)目平衡容器選用DN100的規(guī)格。平衡容器前的汽側(cè)取樣管、水側(cè)取樣管的水平段、取樣閥門應(yīng)保溫，平衡容器及其下部形成參比水柱的管道不應(yīng)保溫，引到差壓變送器的2根管道應(yīng)平行敷設(shè)、共同保溫，并在冬季加溫度可控的伴熱(但要防止過(guò)度伴熱)，差壓變送器應(yīng)就近安裝在保溫箱內(nèi)。

以上方法是目前國(guó)內(nèi)主流的汽包液位檢測(cè)方法，根據(jù)《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》規(guī)定： 對(duì)于過(guò)熱器出口壓力為13．5MPa及以上的鍋爐，其汽包水位計(jì)應(yīng)以差壓式(帶壓力修正回路)水位計(jì)為基準(zhǔn)。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，如果只參考水溫做出液位判斷是不準(zhǔn)確也不完整的，不同氣壓下汽包水位產(chǎn)生的差壓值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所列。

表1　不同氣壓下汽包水位產(chǎn)生的差壓值　kPa

從表1中可以看出，對(duì)應(yīng)正常水位的差壓值會(huì)隨著鍋爐汽壓的升高而改變，不進(jìn)行壓力修正是無(wú)法正確測(cè)量汽包水位的。此外，鍋爐壓力升高后，同樣的汽包水位變化值所對(duì)應(yīng)的壓差變化減小。汽包水位變化±400mm，在大氣壓下壓差的變化為8kPa，而壓力上升到19MPa時(shí)壓差的變化僅為2.96kPa。而且水位越高，壓差受壓力的影響越大；水位降低后，壓差受壓力的影響就較小。由此可見，壓力變化會(huì)給差壓式水位表帶來(lái)相當(dāng)大的測(cè)量誤差。但是，該誤差只源于壓力的變化，而且是有規(guī)律可循的。所以，在差壓式水位表的測(cè)量回路中引入壓力修正，就可以將上述誤差完全修正。壓力修正的原理如下：

Δp×102=Hρa(bǔ)-(A-h)ρs-[H-(A-h)]ρw=

H(ρa(bǔ)-ρw)+(A-h)(ρw-ρs)

(1)

或Δp×102=Hρa(bǔ)-(B+h)ρw-[H-(B+h)]ρs=

H(ρa(bǔ)-ρs)-(B+h)(ρw-ρs)

(2)

式中：H——水側(cè)取樣孔與平衡容器的距離，mm；A——平衡容器與汽包正常水位的距離，mm；B——水側(cè)取樣孔與汽包正常水位的距離，mm；h——汽包水位偏離正常水位的值，mm；Δp——對(duì)應(yīng)汽包水位的差壓值，Pa；ρs——飽和蒸汽的密度，kg/m3；ρw——飽和水的密度，kg/m3；ρa(bǔ)——參比水柱的密度，kg/m3。

式(1)和式(2)中，H，A和B都是常數(shù)；ρs和ρw是汽壓的函數(shù)，在特定汽壓下均為定值；ρa(bǔ)除了受汽壓的影響外，還和平衡容器的散熱條件與環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)汽壓和環(huán)境溫度不變時(shí)，其值也為定值。這時(shí)，差壓只是汽包水位的函數(shù)。

根據(jù)式(1)：

h=A-Δp×102/(ρw-ρs)+H(ρa(bǔ)-ρw)÷

(ρw-ρs)=A-[Δp×102-H(ρa(bǔ)-ρw)÷

(ρw-ρs)

(3)

根據(jù)式(2)：

h=H(ρa(bǔ)-ρs)/(ρw-ρs)-Δp×102÷

(ρw-ρs)-B=[H(ρa(bǔ)-ρs)-Δp×102]÷

(ρw-ρs)-B

(4)

令F1(x)=(ρa(bǔ)-ρw); F2(x)=1/(ρw-ρs); F3(x)=(ρa(bǔ)-ρs);

代入式(3)，得：

h=A-[Δp×102-HF1(x)]F2(x)

(5)

代入式(4)，得：

h=[HF3(x)-Δp×102]F2(x)-B

(6)

根據(jù)式(5)，用以下修正回路可將汽包水位測(cè)量時(shí)受汽壓影響造成的誤差修正，如圖3所示。

圖3　汽包水位受汽壓影響修正誤差注：　∑——加法器；×——乘法器；F(x)——函數(shù)發(fā)生器；SG——信號(hào)發(fā)生器

根據(jù)式(6)的汽壓修正回路同圖3所示一樣，將圖中F1(x)改為F3(x)即可。

取樣管在安裝時(shí)要求汽包側(cè)低于平衡容器側(cè)，飽和蒸汽從汽包進(jìn)入溫度較低的平衡容器后會(huì)不斷凝結(jié)成水，溢出的水因重力而流回汽包。容器內(nèi)表層的水溫必然接近飽和溫度。平衡容器及其下部管道受到環(huán)境溫度的冷卻，因而隨著高度的下降，參比水柱的溫度會(huì)很快地下降到接近環(huán)境溫度。參比水柱的平均溫度會(huì)高于環(huán)境溫度但遠(yuǎn)低于飽和溫度其準(zhǔn)確確定還需要進(jìn)行必要的試驗(yàn)和計(jì)算工作。目前，已知國(guó)外用戶使用差壓式水位表測(cè)量汽包水位時(shí)，參比水柱的平均溫度是按常數(shù)考慮的，一般使用的常數(shù)為50 ℃或60 ℃。進(jìn)口機(jī)組的運(yùn)行實(shí)際證明，這種方式是可行的，因而現(xiàn)行鍋爐基本采用該方式。表2列出參比水柱平均溫度按60 ℃計(jì)算的函數(shù)發(fā)生器參數(shù)。

表2　函數(shù)發(fā)生器參數(shù)

3液位控制方案

為了實(shí)現(xiàn)合理給水，保證鍋爐有穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)量，同時(shí)保證汽水分離的效果，需嚴(yán)格控制鍋爐給水。鍋爐給水調(diào)節(jié)閥是控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝管路上一般有2個(gè)調(diào)節(jié)閥，分別為主給水調(diào)節(jié)閥、輔助給水調(diào)節(jié)閥，而對(duì)于一些300MW以上能力的鍋爐還會(huì)增加專門的開工上水調(diào)節(jié)閥。汽包液位控制模式采用單沖量控制和三沖量控制相結(jié)合的方式。單沖量控制模式下，鍋爐的給水控制即汽包水位控制： 汽包水位的3個(gè)水位變送器測(cè)得值，通過(guò)壓力補(bǔ)償后取中間值作為測(cè)量值。設(shè)定值與測(cè)量值的差值進(jìn)入比例積分控制器(單沖量給水控制器)，控制器的輸出進(jìn)入自動(dòng)切換站，控制給水。

三沖量控制模式下，鍋爐的給水控制是關(guān)于給水流量、汽包水位和蒸汽流量這3個(gè)變量的控制，具體的組態(tài)控制如圖5所示。

圖5　單/三沖量組態(tài)示意

3個(gè)變送器的測(cè)量值經(jīng)過(guò)壓力補(bǔ)償后取中間值，與設(shè)定值的偏差進(jìn)入比例積分控制器(單沖量給水控制器)，輸出進(jìn)入加法器，與前饋信號(hào)主蒸汽流量求和。加法器的計(jì)算結(jié)果是三沖量給水控制器的設(shè)定值，與給水流量一起作為該控制器2個(gè)輸入信號(hào)。三沖量控制器的輸出與單沖量控制器的輸出同時(shí)進(jìn)入自動(dòng)切換站。自動(dòng)切換站接收到分別來(lái)自單沖量給水控制器和三沖量給水控制器的給水需求信號(hào)，且基于下列條件進(jìn)行自動(dòng)切換： 鍋爐負(fù)荷上升時(shí)，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加到大于30%BMCR時(shí)，鍋爐給水控制由單沖量給水控制自動(dòng)切換到三沖量給水。鍋爐負(fù)荷下降時(shí),當(dāng)鍋爐負(fù)荷減少到小于20%BMCR時(shí)，鍋爐給水控制由三沖量給水控制自動(dòng)切換到單沖量給水。自動(dòng)切換的邏輯判別是通過(guò)RS觸發(fā)器(復(fù)位優(yōu)先)實(shí)現(xiàn)的。自動(dòng)切換站的輸出信號(hào)分別進(jìn)入兩個(gè)函數(shù)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)給水的分程控制。30%以下時(shí)給水全部由輔給水調(diào)節(jié)閥提供，40%以上時(shí)全部由主給水調(diào)節(jié)閥提供，30%～40%作為2個(gè)調(diào)節(jié)閥的切換區(qū)域，這樣就避免了調(diào)節(jié)閥的開度有過(guò)大的變化而引起給水流量的不穩(wěn)定。

如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破鱊NC和魯棒反饋控制器RC等先進(jìn)控制算法，還能將負(fù)荷控制引入液位控制中。其原理是當(dāng)下游用汽量、燃煤成分、給水溫度等影響負(fù)荷的因素發(fā)生變化時(shí),通過(guò)前饋控制作用于被控對(duì)象,保證在控制初化的情況下系統(tǒng)仍然具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

4液位檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)

除了采用成熟的DCS三沖量控制，還能對(duì)液位檢測(cè)儀表加以改進(jìn)。傳統(tǒng)的雙色水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)工程的實(shí)際驗(yàn)證，但也不乏出現(xiàn)一些新的檢測(cè)技術(shù)，例如進(jìn)口的磁翻板液位計(jì)，20世紀(jì)90年代末開始應(yīng)用于上海楊樹浦電廠350 ℃，12MPa的工況下，使用至今未出現(xiàn)大的問(wèn)題；廣州某電子科技有限公司外貼式液位計(jì)，根據(jù)回波檢測(cè)原理檢測(cè)液位，無(wú)需接觸介質(zhì)，直接在罐體外壁測(cè)量(適用溫度-30～300 ℃、任何壓力)；還有歐系品牌導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量汽包旁通管內(nèi)的液位，也能得到汽包液位的變化數(shù)值。高溫高壓浮筒液位變送器能承受鍋爐汽包的惡劣工況，其原理是根據(jù)介質(zhì)中浮筒所受浮力大小的變化來(lái)測(cè)量液位，在理論上可以很好地克服虛假液位發(fā)生時(shí)介質(zhì)密度急劇變化引起的測(cè)量偏差。

5總結(jié)

所有的新技術(shù)在全面推廣應(yīng)用前都需經(jīng)過(guò)廣泛工程實(shí)踐，累積大量業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)，筆者建議在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同汽包工況謹(jǐn)慎使用。至于汽包液位控制的組態(tài)方案，各大科研院所及工程公司還在積極努力研究中，希望不久的將來(lái)能在汽包液位控制這個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域有所突破。

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摘要：針對(duì)汽包液位控制采用差壓法檢測(cè)存在蒸汽密度變化引起測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，特別是出現(xiàn)虛假水位時(shí)不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，測(cè)量會(huì)嚴(yán)重偏離實(shí)際值的現(xiàn)象，采用經(jīng)汽包壓力和溫度修正的液位值以及三沖量互相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)液位穩(wěn)定控制。通過(guò)對(duì)某動(dòng)力中心鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀的調(diào)查，可以看出帶壓力修正以及配合三沖量控制的汽包水位控制相對(duì)穩(wěn)定可控。

關(guān)鍵詞：虛假液位溫壓修正三沖量差壓法變送器

Temperature and Pressure Correction Applied in Power Plant Drum Level ControlChen Lei

(Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd., Ningbo, 315103, China)

Abstracts： Aiming at problem of measurement uncertainty caused by vapour density changing with differential pressure detecting for drum level control, especially the measuring result will deviate from actual data seriously when false liquid level appears if temperature and pressure are not compensated. To avoid this kind of situation, the method of level with pressure and temperature compensation combined with three-impulse control is adopted to realize stable level control. Through investigation of a dynamic operation situation of certain power plant, it is found drum level is relatively stable and controllable under pressure compensation combined with three-impulse control.

Key words：false liquid level; temperature and pressure compensation; three-impulse control; differential pressure; transmitter

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)03-0041-04

作者簡(jiǎn)介：陳磊(1982—)，男，2005年畢業(yè)于華東理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化寧波工程有限公司，從事石油化工自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-01-06，修改稿收到日期： 2015-04-16。