汽包水位测量新技术研究与应用

摘要：为解决各火电厂在落实《防止电力生产重大事故二十五项重点要求》时遇到的汽包水位计无法标定、测量误差大、启动时保护不能正确投入等问题，研究开发了汽包内置式电极传感器、汽包内置式平衡容器、汽包外置式平衡容器、高精度取样电极传感器和低偏差云母水位计等。这些新技术的成功应用，提高了汽包水位测量的精确度，使各水位计在稳态时示值偏差在30mm以内，保证锅炉启动时即可投入汽包水位保护。成功开发的可作为汽包水位基准表标定其他水位计的内置电极传感器等技术和产品的应用标志着汽包水位测量技术取得了重大突破。介绍这些汽包水位测量新技术特别是内置电极传感器和内置式平衡容器的特点和应用，并提出新型汽包水位计存在的问题和尚需改进和提高的方面。
关键词：汽包水位；内置电极；内置式平衡容器；误差；事故
中图分类号：TK316   文献标识码：B   文章编号：1004-9649（2006）02-0000-00

0 引言
随着火电机组的不断增加，汽包水位测量误差大和启动时汽包水位保护不能正确投入的问题越来越突出，尤其是秦皇岛热电厂“12•16” 汽包水位低保护拒动，造成锅炉水冷壁大面积爆管的重大设备损坏事故后，引起了国家行政主管部门的高度重视，2000年9月8日国家电力公司制定了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》(以下简称《要求》)，其中增加了防止锅炉满、缺水等事故的重点要求，随后于2001年12月21日又针对汽包水位测量系统专门颁发了《国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)》(以下简称《规定(试行)》) 。上述文件颁发以来，对提高锅炉安全运行，防止锅炉汽包满、缺水事故发挥了重要作用。

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由于《要求》和《规定（试行）》是基于原有测量技术的条件制定的，而原有汽包水位测量技术又存在较多问题，致使各电厂在落实《要求》和《规定(试行)》及安全性评价中都遇到了许多问题，长期存在的汽包测量技术方面的根本性问题仍然没有解决，以致近几年仍不断有发生锅炉满水和缺水事故的报道。本文在分析现行汽包水位测量和保护系统存在问题的基础上，介绍研究开发的汽包内置式电极传感器、汽包内置式平衡容器、无盲区低偏差双色水位计和汽包水位高精度取样电极传感器等汽包水位测量新技术及其在电厂水位测量上的应用。

1  现行汽包水位测量和保护系统存在的问题
对现行汽包水位测量和保护系统存在的问题作了大量实际调查，收集大量现场材料并进行了统计分析，归纳出造成难以落实《要求》和《规定（试行）》的主要原因如下：
（1）各厂在解决汽包水位测量问题的方向上存在问题。各厂均以解决汽包各水位计之间的偏差小于30mm为目的开展工作，而忽略了原汽包水位测量技术存在着很大的测量误差，要全过程、全范围实现各水位计之间的偏差小于30mm是不可能的。对汽包水位测量技术缺乏较透彻的理解也是屡屡造成恶化事故的重要原因。
（2）汽包水位测量技术落后,测量仪表配置及保护逻辑的设计不合理。

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（3）一次仪表和仪表管路的安装方式和尺寸不正确。
（4）取样干扰未引起足够认识。
目前汽包水位测量均采用间接测量法，从测量原理上是测量汽包的重力水位，从水位测量一次转换原理上为连通器原理和差压原理。在研究汽包水位计时，均认为汽包里的水为饱和水，而实际为欠饱和水。这在设计汽包水位计时不可避免地造成了测量误差。
汽包水位测量存在较多问题难以解决的主要原因有：（1）没有可信赖的基准仪表用于标定各种汽包水位计。（2）汽包水位测量技术落后，测量误差大，而且存在很大的不确定性，其规律较复杂，难以掌握。
2  汽包水位测量新技术研究
2.1  汽包水位内置式电极传感器
汽包水位测量没有一种值得信赖的基准仪表，目前采用安装在汽包内部的取样管，通过取样分析汽、水的电导率来标定水位计或利用大修时留在汽包内部的水痕迹线来检查汽包水位计的零点。上述2种方法很粗略且操作难度大。为解决这一问题，研发了汽包水位内置电极传感器并获得了国家专利（专利号ZL 2004 2 0073417.2）。
汽包水位内置式电极测量装置主要由电极传感器和显示仪表组成（见图1）。传感器部分主要由固定支架、电极传感器及传感器的延长电缆等组成，电极传感器安装在汽包内需测量的位置，传感器的延长电缆通过焊接在汽包水侧和汽侧取样管上的引出箱引出，并采用固定座、密封垫或密封环、压盖等对延长电缆进行密封，经密封后的延长电缆直接引入汽包平台的接线盒内，再经接线盒内的端子与电缆相连送到控制室显示仪表上进行显示。 字串8
1—固定支架；2—电极传感器；3—传感器的延长电缆；4—水侧取样管；5—汽侧取样管；
6—显示仪表； 7—电缆；8—引出箱；9—固定座；10—密封垫或密封环；11—压盖
    图1 汽包水位内置式电极测量装置示意
Fig1: sketch map of the Internal Electrode Sensor of Water Level of Steam Drum

汽包水位内置式电极测量装置是基于汽包内汽、水的电导率不同，通过安装在汽包内多个电极传感器，并采用二次仪表识别其电导率而测量水位。电极传感器直接感应汽包内的水界面，所以取样误差很小、测量很准确，可作为汽包水位测量的基准仪表和试验仪表。
该装置安装在通辽电厂一台670t/h汽包炉上并获得了成功应用，结束了汽包水位测量没有基准表，不能实时标定其他水位计的历史，解决了汽包水位测量中的关键技术问题。

2.2  汽包内置式平衡容器
为消除环境温度及水位测量取样对差压水位计测量的误差，研发了汽包内置式平衡容器并获得了国家专利（专利号ZL 03 2 06523.X），如图2所示。
  图2 内置式平衡容器原理
Fig2  the theory map of Internal balancing vessel of water level of steam drum

变送器测得的差压值为：

                       ------(1)
式中：L为平衡容器中参比水柱的高度； 为汽包实际水位高度； 为平衡容器浸泡在饱和汽中的参比水柱(饱和水)密度；g为重力加速度； 为汽包内饱和汽密度； 为汽包内水的密度。
从式（1）中可看出变送器测得的差压值ΔP为汽段参比水柱（饱和水）和相同高度的饱和汽静压之差，即差压变送器测得的差压值与汽包内的水是否饱和无关，实际上汽包里的水为欠饱和水，从这点上说内置式平衡容器测得的结果是非常准确的。
由公式（1）得：
                         ------- （2）
从式（2）可看出水位测量的结果只与汽包内的饱和汽和饱和水的密度及变送器测得的差压值有关，而饱和汽和饱和水的密度是汽包压力的单值函数，因此它是目前受干扰影响极小的差压水位计。

2.3 WDP低偏差水位计和GJT高精度电极传感器
联通管式水位计利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在联通管处有相等的静压力，从而可用水位计中的水柱高度间接反映汽包中的水位。

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如图3所示，联通器水位计的显示水柱高度Hˊ可按下式计算：
                -------------(3)
式中：H  为汽包实际水位高度；Hˊ为水位计的显示值；  为水位计测量管内水柱的平均密度。

图3 联通器水位计原理
Fig 3  The schematic diagram of Connected Vessel Water Guage

由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内水的温度，因此， 总是大于 ，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度，它的示值偏差为：
            ------------(4)
由式（4）可看出，当水位计管内的水柱密度 等于汽包内水的密度 时，其示值偏差ΔH =0。
WDP无盲区低偏差双色水位计和GJT汽包水位高精度取样电极传感器均是利用饱和蒸汽加热水位计的水样，再通过蒸汽冷凝后的饱和水加热和置换水位计内的水样，使水样温度接近汽包内水的温度，消除因水样温度低造成的测量误差，达到测量准确的目的。
此外，WDP无盲区低偏差双色水位计和GJT汽包水位高精度取样电极传感器采用了独特的工艺和结构设计，并获得了国家专利：成功采用了冷凝水快速置换饱和水，减少了云母片结构和接点污染；GJT电极传感器由于采用了柔性自密封电极组件，解决了传统电极组件密封泄漏问题。大量应用实践证明，这2种仪表不仅测量误差小，而且可靠性高、维护量小。 字串5

3 汽包水位测量新技术的应用
上述几种水位计的测量误差较小，均能满足汽包水位的测量要求，因此各水位计间的偏差在锅炉启、停和正常运行全过程中，在各水位计的测量范围内小于30mm。这些新水位计的出现为解决汽包水位的测量和仪表的合理配置及保护逻辑的设计奠定了基础。
上述几种水位计已成功应用于国内近百台容量不同的汽包炉上，取得了理想的效果，使用最完整的是通辽发电总厂4号炉。该锅炉安装了1套7点的内置电接点水位计、3台DNZ汽包内置式平衡容器、2套GJT汽包水位高精度取样电极式水位计、1台WDP无盲区低偏差云母水位计，保留了1台云母水位计。机组在2005年9月1日大修结束后的启动中，尽管汽包两侧的实际水位发生了最大（108mm）的偏差，但同侧水位计间的偏差小于30mm。内置式平衡容器与内置电接点水位计最大相差9.7mm，多数时间在3mm以内，GJT汽包水位高精度取样电极式水位计和WDP无盲区低偏差云母水位计比内置电接点水位计高20mm左右，而保留的1台云母水位计在额定负荷时却低了115mm。其水位保护由3台差压水位计三选中后的水位计与2台高精度取样电极式水位计进行三选二来完成。
北京京能热电股份有限公司安装了1台GJT高精度取样电极传感器和3台DYZ外置式平衡容器并将取样点从汽包内部移至汽包两端，安装工作一丝不苟，严格按照工艺要求安装设备和仪表取样管路，使各水位计间的偏差小于20mm，这说明安装质量将直接影响测量误差，也应引起重视。

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4  结语
    新型汽包水位测量装置的研究开发和成功应用，从根本上解决了汽包水位计测量误差大的问题。内置电接点水位计的开发使汽包水位计的准确性有了判据，配置完整而准确的汽包水位测量装置为汽包水位测量仪表的合理配置和汽包水位保护逻辑的设计提供了依据，真正做到锅炉正常运行中各汽包水位测量装置间的示值偏差小于30mm，锅炉启动时就可正确投入汽包水位保护。这些新技术和新产品成功解决了汽包水位测量的老大难问题，保证了切实落实《要求》和《规定(试行)》中的有关要求，为机组的安全运行提供了保证。
尽管新型汽包水位计基本满足了锅炉安全运行要求，但仍存在许多工艺上的问题，如内置电极可维护性差，要用作测量和保护信号还有待于进一步改进和提高；差压式水位计转换环节多，影响测量结果的因素多等，这些问题都有待于不断研究和改进，采用更先进的测量技术来提高测量的准确性和可靠性，使锅炉汽包水位控制和保护做到万无一失。

参考文献：
［1］侯子良,刘吉川，侯云浩,等.锅炉汽包水位测量系统［M］.北京:中国电力出版社， 2005.
HOU Zi-liang,LIU Ji-chuan,HOU Yun-hao,et al.The water survey system of the boiler steam drum.［M］Bejing