導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量方式在9FA燃機(jī)余熱鍋爐上的應(yīng)用與優(yōu)化

鐘一嬋

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

0 引言

汽包水位是機(jī)組運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，正確測(cè)量汽包水位是實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)和汽包水位保護(hù)投入的前提，是保證機(jī)組安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位計(jì)算偏差使得汽包水位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性降低，同時(shí)也影響汽包水位保護(hù)的正常投入，最終影響機(jī)組安全運(yùn)行。

某電廠共有6 臺(tái)GE 公司生產(chǎn)的9FA 單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，每套機(jī)組配置一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)余熱鍋爐、一臺(tái)蒸汽輪機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)，機(jī)組控制系統(tǒng)采用Mark Ⅵe一體化控制[1]。每臺(tái)余熱鍋爐設(shè)計(jì)的汽包液位測(cè)量方式采用差壓式汽包液位計(jì)、電接點(diǎn)液位計(jì)和雙色磁翻板式水位計(jì)。差壓式汽包液位計(jì)的液位值用于汽包的自動(dòng)調(diào)節(jié)和邏輯保護(hù)，因此要確保差壓式汽包液位計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

差壓式汽包液位計(jì)測(cè)量原理是通過取樣筒將汽包液位高低變化轉(zhuǎn)化為差壓變化的方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量。取樣筒內(nèi)的參比水柱不準(zhǔn)則直接影響變送器差壓測(cè)量，會(huì)造成水位數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，同時(shí)取樣筒至變送器的管路中，如果有雜質(zhì)、空氣或因天氣寒冷管道內(nèi)介質(zhì)凍住等原因都會(huì)造成差壓變送器指示不準(zhǔn)確。汽包水位不準(zhǔn)和存在偏差問題一直困擾熱控和運(yùn)行人員，特別是在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，還需花費(fèi)大量的人力、時(shí)間在取樣筒凝水，管路排氣排雜質(zhì)的工作上。

相對(duì)而言，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量不受天氣、測(cè)量管路、機(jī)組狀態(tài)等因素影響，測(cè)量及響應(yīng)精度較高，而且近幾年來(lái)在燃煤機(jī)組的中低壓高溫容器已經(jīng)得到一定的應(yīng)用。綜合以上各項(xiàng)情況，該電廠從2016 年開始陸續(xù)在余熱鍋爐的低壓、中壓直至高壓汽包水位的測(cè)量中進(jìn)行試用，效果良好。因此，在2018 年3 號(hào)機(jī)組大修中對(duì)其余熱鍋爐高、中、低壓汽包共9 臺(tái)水位計(jì)進(jìn)行導(dǎo)波雷達(dá)改造，以提升水位測(cè)量的可靠性。

1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是依據(jù)時(shí)域反射原理（TDR）為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)探頭發(fā)出的電磁脈沖沿纜繩、桿式探頭傳播，當(dāng)脈沖遇到被測(cè)液位表面時(shí)，部分電磁脈沖被反射，沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置。超高速計(jì)時(shí)電路計(jì)算脈沖從發(fā)射到接收到反射波的時(shí)間差Δt，發(fā)射裝置與被測(cè)液體表面的距離同傳導(dǎo)時(shí)間成正比S = V×Δt/2，V 為電磁波傳播速度，如果測(cè)量容器高度為H，則液位高度L = H-S[2]。

電磁波在不同介質(zhì)中的傳輸速度是不同的，如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中大。因此，在蒸汽工況條件下，計(jì)算出來(lái)的液位值比實(shí)際值偏小。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)需要進(jìn)行蒸汽補(bǔ)償，計(jì)算出實(shí)際蒸汽工況下的電磁波速度，從而得到實(shí)際液位。

2 旁路管液位與汽包實(shí)際液位間的偏差及補(bǔ)償計(jì)算方案

2.1 旁路管液位與汽包實(shí)際液位間的偏差

導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量方式在汽包水位測(cè)量中的安裝方式見圖1。與差壓式水位計(jì)類似，也需要在水側(cè)和汽側(cè)引出至導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)旁路管（可采用原有的差壓測(cè)量引出管）。飽和蒸汽通過汽側(cè)取樣孔進(jìn)入旁路管，旁路管溫度低于飽和蒸汽溫度，使蒸汽不斷凝結(jié)成水，多余的水自汽包水側(cè)取樣管流回汽包。因水位計(jì)旁路管散熱的影響，汽包內(nèi)的水、汽密度和旁路管內(nèi)的水、汽密度不同，致使導(dǎo)波雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得的水位和汽包內(nèi)實(shí)際水位有偏差。

圖1 中H 為旁路管高度；L 為導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)旁路管中的液位；h 為汽包中的實(shí)際液位；ρs為汽包中飽和蒸汽的密度；ρw為汽包中飽和水的密度；ρs'為旁路管中飽和蒸汽的密度；ρa(bǔ)為旁路管中飽和水的密度；T 為旁路管上部和下部溫度（測(cè)量元件PT100）的平均值，根據(jù)力平衡原理得：

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝示意圖Fig.1 Image map of the installation of the wave guide radar level gauge

如表1 所示，在常溫常壓下，汽包和水位計(jì)旁路管中的水密度是相等的，水位計(jì)旁路管中的水位與汽包內(nèi)的水位也是相同的。隨著壓力的升高，汽包中的水密度ρw變小，蒸汽密度ρs變大；而水位計(jì)旁路管因散熱的影響，水位計(jì)旁路管中的水密度ρa(bǔ)也變小，但變化幅度不如汽包內(nèi)水的大；蒸汽密度ρsa'雖也有增大，但變化幅度沒汽包內(nèi)的大，即ρs是不等于ρs'的，ρa(bǔ)是不等于ρw的，致使水位計(jì)旁路管中水位和汽包內(nèi)水位有偏差，這一差值始終是水位計(jì)旁路管中水位低于汽包水位，并且當(dāng)h 值改變時(shí)，水位差值也會(huì)改變。

由于飽和水的密度遠(yuǎn)大于飽和蒸汽的密度，公式

2.2 運(yùn)用Mark Ⅵe組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)水位偏差補(bǔ)償計(jì)算方案

因?qū)Рɡ走_(dá)水位計(jì)測(cè)得的水位和汽包內(nèi)實(shí)際水位有偏差，可運(yùn)用Mark Ⅵe 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)水位偏差補(bǔ)償計(jì)算，運(yùn)用Mark Ⅵe 控制器中模塊STEAMTABLE。

STEAMTABLE 模塊可以根據(jù)不同的狀態(tài)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，提取得到水、蒸汽的各種熱力學(xué)參數(shù)。根據(jù)水汽不同狀態(tài)分為3 種功能：

一是Liquid Water，該功能模塊主要計(jì)算液態(tài)水的各熱力學(xué)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。功能LIQ_WTR_PT 是將液態(tài)水的溫度、表壓力、氣壓作為輸入量計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的焓、熵、比容。功能LIQ_WTR_PH 將焓、表壓力、氣壓作為輸入量，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的溫度值。

表1 飽和水和飽和蒸汽密度Table 1 Saturated water and saturated steam density

二是Saturation Liquid Curve，該功能模塊主要計(jì)算飽和液體水的各熱力學(xué)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。功能SAT_LIQ_T 將飽和液體的溫度、氣壓作為輸入量，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的焓、熵、比容和表壓。功能SAT_LIQ_P 是將飽和液體的表壓、氣壓作為輸入量，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的焓、熵、比容和溫度。功能SAT_LIQ_H 是將焓、大氣壓作為輸入量，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的溫度、熵、比容和表壓。

三是Saturation Vapor Curve，該功能模塊主要計(jì)算液體-蒸汽和蒸汽混合區(qū)的各熱力學(xué)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。功能SAT_VAP_T 是將溫度和大氣壓作為輸入量，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的焓、熵、比容和表壓。功能SAT_VAP_P 是將氣壓和表壓作為輸入量，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的焓、熵、比容和溫度。

故汽包中飽和水的密度ρw用STEAMTABLE 模塊功能SAT_LIQ_P，輸入汽包壓力值計(jì)算得到；旁路管中飽和水的密度ρa(bǔ)用STEAMTABLE 模塊功能SAT_LIQ_T，輸入旁路管溫度T（由上下兩塊熱電阻PT100 測(cè)量得到平均值）計(jì)算得到。

考慮機(jī)組在啟停過程中的汽水為非飽和水、飽和蒸汽，此時(shí)不適合用該公式進(jìn)行偏差補(bǔ)償。同時(shí)考慮當(dāng)旁路管溫度點(diǎn)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的旁路管中飽和水的密度ρa(bǔ)則不準(zhǔn)確，會(huì)引起偏差補(bǔ)償值計(jì)算錯(cuò)誤。因此，引入旁路管溫度值進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)溫度點(diǎn)是壞點(diǎn)或溫度低于100℃未達(dá)到飽和蒸汽、飽和水狀態(tài)這兩種情況出現(xiàn)其一，則不進(jìn)行水位補(bǔ)償計(jì)算。

以低壓汽包水位為例進(jìn)行模擬，正常運(yùn)行時(shí)汽包壓力為0.33 MPa，旁路管溫度140℃，低壓汽包實(shí)際水位-133mm。當(dāng)溫度點(diǎn)故障，采集到的溫度數(shù)值為50℃時(shí)，通過邏輯判斷不進(jìn)行水位補(bǔ)償計(jì)算，這時(shí)水位顯示為-140mm。但若在溫度點(diǎn)故障的情況下仍進(jìn)行水位補(bǔ)償計(jì)算，則水位值為-52mm，與實(shí)際水位偏差較大。因此，進(jìn)行是否補(bǔ)償?shù)呐袛嗍怯斜匾摹?/p>

圖2 中T 為旁路管上部和下部溫度（測(cè)量元件PT100）的平均值；P 為汽包壓力；L 為導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)旁路管中的液位；h 為汽包中的實(shí)際液位；ρw為汽包中飽和水的密度；ρa(bǔ)為旁路管中飽和水的密度；T—BQ 為旁路管溫度壞點(diǎn)。

圖2 控制邏輯示意圖Fig.2 Control diagram

3 結(jié)語(yǔ)

高、中、低壓汽包水位是機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控的一項(xiàng)重要指標(biāo)。該電廠通過技術(shù)改造，率先在高溫高壓容器上使用了導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量方式，并針對(duì)因汽包與旁路管內(nèi)的壓力溫度不同導(dǎo)致的水位偏差問題，在Mark Ⅵe 軟件中通過邏輯優(yōu)化針對(duì)性地對(duì)雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得的水位進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，從而得到汽包真實(shí)準(zhǔn)確的水位。目前應(yīng)用情況良好，為同類型設(shè)備測(cè)量提供了新思路，具有很大的推廣意義。