分布式能源站余熱鍋爐鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董淑梅，余莉，杜矩虎

(1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070； 2.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100070)

圖1 高壓鍋筒水位測(cè)量?jī)x表配置方案1

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視以及對(duì)新能源技術(shù)的支持，以燃?xì)夂屠?、熱、電三?lián)供系統(tǒng)為核心的分布式供能技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各類(lèi)地區(qū)得到了實(shí)際應(yīng)用。燃機(jī)余熱經(jīng)過(guò)余熱鍋爐進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功發(fā)電是區(qū)域型分布式能源站最常見(jiàn)的余熱利用形式。余熱鍋爐作為分布式能源站最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)分布式能源站的重要指標(biāo)。余熱鍋爐鍋筒水位是余熱鍋爐安全運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)。鍋筒水位間接反映了蒸汽負(fù)荷和給水量之間的平衡關(guān)系。維持余熱鍋爐鍋筒水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的重要安全指標(biāo)。當(dāng)鍋筒水位超出正常運(yùn)行范圍時(shí)，將影響余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)的安全。鍋筒水位過(guò)高，會(huì)影響汽水分離器的正常工作，造成蒸汽帶水而使過(guò)熱器結(jié)垢，情況嚴(yán)重時(shí)還可能使汽輪機(jī)葉片結(jié)垢，損壞汽輪機(jī)。鍋筒水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，造成蒸發(fā)器及省煤器的損壞。因此余熱鍋爐鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)在整個(gè)能源站熱工測(cè)量及控制中尤為重要。本文以某工程雙壓余熱鍋爐的高壓鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)為例，對(duì)余熱鍋爐鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

1 高壓鍋筒水位測(cè)量?jī)x表配置方案

該項(xiàng)目余熱鍋爐為雙壓無(wú)補(bǔ)燃式，高壓主蒸汽最大連續(xù)蒸發(fā)量，44 t/h；壓力，7.2 MPa；溫度，460±5 ℃；高壓鍋筒設(shè)計(jì)壓力，8.20 MPa；最高工作壓力，7.59 MPa。

結(jié)合該分布式能源站余熱鍋爐高壓鍋筒的實(shí)際情況、同類(lèi)能源站的余熱鍋爐鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)儀表的配置經(jīng)驗(yàn)和DL/T 1393—2014《火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DL/T 1393—2014)的相關(guān)條文規(guī)定，我們給出了以下2種配置方案。

(1)6套差壓式鍋筒水位計(jì)+1套電極式鍋筒水位計(jì)+2套就地水位計(jì)+2套鍋筒水位工業(yè)電視前端監(jiān)視攝像頭，由于鍋筒中飽和水和飽和蒸汽的密度會(huì)隨壓力變化，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮設(shè)置壓力變送器對(duì)鍋筒水位進(jìn)行壓力校正，方案如圖1所示。

(2)3套差壓式鍋筒水位計(jì)+2套電極式鍋筒水位計(jì)+2套就地水位計(jì)+2套鍋筒水位工業(yè)電視前端監(jiān)視攝像頭，如圖2所示。

圖2 高壓鍋筒水位測(cè)量?jī)x表配置方案2

根據(jù)DL/T 1393—2014的規(guī)定，鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)采用2種或2種以上工作原理共存的配置方式[1]，常用的測(cè)量裝置有差壓式水位計(jì)、電極式水位計(jì)、就地連通管式水位計(jì)、水位工業(yè)電視測(cè)量裝置等。

差壓式水位測(cè)量裝置是利用液體靜力學(xué)原理將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。它由平衡容器、導(dǎo)壓管和差壓變送器3部分組成，水位信號(hào)首先由平衡容器轉(zhuǎn)換為差壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)差壓變送器遠(yuǎn)傳至分散控制系統(tǒng)(DCS)，在模擬量控制系統(tǒng)(MCS)中參與余熱鍋爐給水的調(diào)節(jié)。

電極式水位計(jì)是利用鍋筒內(nèi)汽、水介質(zhì)的電阻率相差很大的性質(zhì)來(lái)測(cè)量鍋筒水位的。它主要由測(cè)量筒、電極、自補(bǔ)償裝置、二次儀表等幾部分構(gòu)成，該儀表的優(yōu)點(diǎn)是指示值不受鍋筒工作壓力變化的影響，在鍋爐啟停過(guò)程中也能準(zhǔn)確反映水位情況，延遲小，測(cè)量直觀，基本能滿足運(yùn)行人員對(duì)水位的觀測(cè)要求。電極式水位計(jì)可以遠(yuǎn)傳，但由于該儀表測(cè)量方式屬于間隔式測(cè)量，因此不能將其遠(yuǎn)傳信號(hào)作為被調(diào)量用于控制系統(tǒng)。

本項(xiàng)目的就地顯示水位計(jì)采用雙色水位計(jì)并輔以工業(yè)電視成像系統(tǒng)作為監(jiān)視手段。雙色水位計(jì)是利用光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)顯示方式的一種連通器式水位計(jì)。

2 平衡容器的選擇及水位信號(hào)的校正[2]

差壓式水位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量鍋筒水位的關(guān)鍵在于水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)平衡容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常采用的平衡容器有單室平衡容器、雙室平衡容器[3]。根據(jù)所配平衡容器不同鍋筒水位有以下2種校正方法。

2.1 采用單室平衡容器進(jìn)行水位校正

差壓變送器與單室平衡容器配合使用的測(cè)量原理如圖3所示，由余熱鍋爐高壓鍋筒汽側(cè)引取樣管至單室平衡容器，進(jìn)入平衡容器的蒸汽不斷凝結(jié)成水，多余的水溢流回鍋筒，使平衡容器內(nèi)的水位保持恒定。差壓變送器的正壓頭由于平衡容器有恒定的水柱而維持不變，負(fù)壓頭則隨鍋筒水位的變化而變化。

圖3 單室平衡容器水位測(cè)量系統(tǒng)

由圖中可知：

p1=ρGgH+ρsg(L-H) ，

p2=ρa(bǔ)gL，

Δp=p2-p1=ρa(bǔ)gL-ρGgH-ρsgL+ρsgH=

(ρa(bǔ)-ρs)gL-(ρG-ρs)gH，

(1)

式中：pb為鍋筒壓力，MPa；L為汽水連通管之間的垂直距離，m，即最大變化范圍；H為鍋筒水位高度，m；p1，p2為加在差壓變送器兩側(cè)的壓力，MPa；ρs為飽和蒸汽密度，kg/m3；ρG飽和水的密度，kg/m3；ρa(bǔ)為鍋筒外平衡容器內(nèi)凝結(jié)水的密度，kg/m3；DPT為差壓變送器，MPa；g為重力加速度常數(shù)。

當(dāng)L一定時(shí)，水位H是差壓和汽、水密度的函數(shù)。密度ρa(bǔ)與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可取50 ℃水的密度。在鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，水溫略有增加，但由于同時(shí)壓力也升高，兩種因素對(duì)ρa(bǔ)的影響基本可抵消，可近似地認(rèn)為ρa(bǔ)是恒值。而飽和水和飽和汽的密度ρG和ρs均為鍋筒壓力ρb的函數(shù)即：

ρa(bǔ)-ρs=fa(pb) ，

ρG-ρs=fb(pb) 。

(式1)可改寫(xiě)為：

(2)

按照式(2)，則可設(shè)計(jì)水位壓力自動(dòng)校正路線圖，如圖4所示。圖4中函數(shù)組件f1(x)、f2(x)分別模擬式(2)中的fa(pb)和fb(pb)。密度與鍋筒壓力之間的函數(shù)曲線則如圖5所示。

2.2 雙室平衡容器的水位取樣裝置水位校正

雙室平衡容器這種裝置本身基本上可以補(bǔ)償啟動(dòng)或停爐過(guò)程中水位測(cè)量誤差，校正原理如圖6所示。

圖4 單室平衡容器水位壓力校正線路

圖5 密度與鍋筒壓力關(guān)系曲線

圖6 雙室平衡容器水位測(cè)量和壓力校正回路

其水位表達(dá)式為：

式中：L為正壓取壓管管口到負(fù)壓管水平的中心線之間的距離，m；H為鍋筒水位高度，m；ρa(bǔ)為平衡容器內(nèi)凝結(jié)水的密度，kg/m3；ρG為飽和水的密度，kg/m3；ΔP為變送器兩端差壓，MPa。

3 余熱鍋爐鍋筒水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)信號(hào)處理

鍋筒水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水位信號(hào)無(wú)論是方案1還是方案2均應(yīng)取自3個(gè)各自獨(dú)立的差壓式鍋筒水位計(jì)，其輸出信號(hào)應(yīng)分別進(jìn)入其控制器的3個(gè)各自獨(dú)立、互相電隔離的輸入模件，經(jīng)“三取中”邏輯判斷后用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

鍋筒水位補(bǔ)償用的鍋筒壓力變送器宜獨(dú)立配置，其輸出信號(hào)應(yīng)分別各自引入相對(duì)應(yīng)的鍋筒水位差壓信號(hào)的輸入模件。

4 余熱鍋爐鍋筒水位保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)處理

當(dāng)鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)儀表配置采用方案1，即6套差壓式鍋筒水位計(jì)+1套電極式鍋筒水位計(jì)時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)的水位信號(hào)宜取自與進(jìn)入水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的鍋筒水位計(jì)不同的另外3個(gè)各自獨(dú)立的差壓式鍋筒水位計(jì)，其輸出信號(hào)應(yīng)分別進(jìn)入其控制器的3個(gè)各自獨(dú)立、互相電隔離的輸入模件，經(jīng)“3取中”或“3取2”邏輯判斷后用于保護(hù)系統(tǒng)[4]。

當(dāng)鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)儀表配置采用方案2，即3套差壓式鍋筒水位計(jì)+2套電極式鍋筒水位計(jì)時(shí)，鍋筒水位保護(hù)的“3取2”邏輯信號(hào)，兩個(gè)取自2個(gè)獨(dú)立的電極式測(cè)量信號(hào)，另外1個(gè)信號(hào)取自由3個(gè)獨(dú)立的差壓式水位計(jì)在鍋筒水位控制系統(tǒng)的DCS冗余控制器中經(jīng)“三取二”邏輯后得到的信號(hào)。

5 方案比選

由上述可知，方案一的優(yōu)點(diǎn)是控制和保護(hù)邏輯簡(jiǎn)單清晰，但儀表數(shù)量較多，需要較大安裝空間；方案2的優(yōu)點(diǎn)是儀表造價(jià)略低，儀表數(shù)量較少，需要的安裝空間??；經(jīng)過(guò)綜合比較及與業(yè)主的溝通，本工程最終選擇了方案1的儀表配置形式應(yīng)用在該項(xiàng)目余熱鍋爐鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)中。

6 結(jié)束語(yǔ)

在余熱鍋爐鍋筒水位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)者要綜合考慮鍋筒的水位測(cè)量原理、鍋筒水位控制保護(hù)邏輯、儀表控制設(shè)備特性及鍋筒儀表安裝空間等因素，才能設(shè)計(jì)出合理的測(cè)量方案。同時(shí)工程的經(jīng)濟(jì)性也是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的因素，不能盲目高配，也不能任意低配，測(cè)量系統(tǒng)的儀表配置形式、數(shù)量應(yīng)在充分考慮工程經(jīng)濟(jì)性的前提下根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定。