發(fā)電廠汽包水位測(cè)量的問題及改進(jìn)

發(fā)電廠（準(zhǔn)電）1號(hào)、2號(hào)鍋爐由ABG司制造，型號(hào)為BZWB-410/.8-M，為單汽包自然循環(huán)煤粉爐，其額定蒸發(fā)量為410t/h，飽和蒸汽壓力11.1MPa，過熱蒸汽壓力9.81MPa，過熱蒸汽溫度540℃。
    每臺(tái)鍋爐汽包兩側(cè)安裝2臺(tái)就地云母水位計(jì)，2臺(tái)電接點(diǎn)水位計(jì)，4臺(tái)平衡容器（水位差壓轉(zhuǎn)換裝置），汽包上所有水位計(jì)的汽側(cè)連通管與水側(cè)連通管分別距汽包中心線300mm，且汽包的正常水位線（零水位線）與汽包幾何中心重合。用于水位記錄的單室平衡容器輸出的壓差值由變送器輸出（4～20）mA信號(hào)，經(jīng)汽包壓力自動(dòng)校正后轉(zhuǎn)變成水位信號(hào)，顯示于記錄儀上；就地云母水位計(jì)和電接點(diǎn)水位計(jì)的水位信號(hào)顯示于集控室儀表上。
一、存在問題
    準(zhǔn)電1號(hào)、2號(hào)爐自投產(chǎn)以來，汽包就地云母水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)和機(jī)械差壓式水位計(jì)均能可靠地監(jiān)測(cè)汽包水位，但鍋爐汽包水位測(cè)量裝置（單室平衡容器）的可靠性、準(zhǔn)確性較差，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行，曾發(fā)生過因汽包水位高使滅火保護(hù)MFT動(dòng)作，機(jī)組解列的事故。其主要表現(xiàn)為：當(dāng)汽包水位上升至一定數(shù)值（約130mm）時(shí)，汽包水位的指示值便以一定的速度向其測(cè)量上限（+300mm）飛升，因而導(dǎo)致高水位保護(hù)動(dòng)作。由于汽包水位測(cè)量始終存在著這種異?，F(xiàn)象，且汽包水位保護(hù)的信號(hào)取自該單室平衡容器和電接點(diǎn)水位計(jì)，使機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行受到威脅。
二、原因分析
2.1 測(cè)量原理
2.1.1 水位差壓轉(zhuǎn)換
    差壓式汽包水位測(cè)量裝置主要由水位差壓轉(zhuǎn)換容器（平衡容器）、壓力信號(hào)表管與差壓計(jì)3部分組成。其工作原理是將水位的高、低信號(hào)轉(zhuǎn)換為差壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。平穩(wěn)容器是測(cè)量裝置的感應(yīng)部件，分為單室與雙室兩種。以單室平衡為例說明其工作原理（圖1）。
                                
    由于汽包內(nèi)的飽和蒸汽在冷凝筒內(nèi)不斷散熱凝結(jié)，筒內(nèi)的液面總是保持恒定，所以正壓管內(nèi)的水信高度是恒定的。負(fù)壓管內(nèi)的水柱高度則隨汽包水位的變化而變化。這時(shí)，壓差值△р可按下式計(jì)算：
                      
式中：Hw為汽包水位；ρ1為冷凝筒中水的密度；ρ'、ρ''分別為汽包壓力下飽和水、汽的密度；g為重力加速度。
    由式（1）、式（2）可知，當(dāng)L為定值，若ρ1、ρ'、ρ''不變時(shí)，由正、負(fù)壓引入口得到的差壓信號(hào)與汽包水位的變化為線性關(guān)系，水位愈高，壓差值愈?。凰挥?，壓差值愈大。
2.1.2  汽包壓力對(duì)水位測(cè)量的影響
    由于ρ'、ρ''的變化將影響水位測(cè)量結(jié)果，ρ'、ρ''與汽包壓力有函數(shù)關(guān)系，因此汽包壓力的變化將影響差壓式水位計(jì)的測(cè)量結(jié)果。由水蒸氣狀態(tài)圖（或表）可知：（ρ1-ρ'）、（ρ'-ρ''）與汽包壓力p在某壓力范圍內(nèi)有近似的線性關(guān)系。
2.1.3 單室平衡容器的壓力校正
    圖2給出了汽包水位壓力自動(dòng)校正系統(tǒng)，f₁ （p）、f₂（p）分別表示（ρ1-ρ'）、（ρ'-ρ''）與汽包壓力p的關(guān)系。
                                    
2.2 原平衡容器特點(diǎn)及分析
    （1） 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 原設(shè)計(jì)的平衡容器結(jié)構(gòu)如圖3所示。不難看出，這種平衡容器與我國(guó)目前測(cè)量汽包水位廣泛使用的單室平衡容器在結(jié)構(gòu)上存在著差異。汽側(cè)連通管與水側(cè)連通管之間有1根垂直連通管，其與水側(cè)垂直連通管相交，交點(diǎn)位于水側(cè)連通管的水平段上（水側(cè)三通接頭B），而與汽側(cè)連通管垂直，交點(diǎn)（汽測(cè)三通接頭A）低于汽側(cè)連通管的水平段（距汽包中心線130mm）。其技術(shù)特性為：正常水位時(shí)平衡容器輸出壓差△p0=4227Pa，zui大輸出壓差△Pmax=6355Pa。
                            
    （2） 問題分析  當(dāng)汽包水位在汽側(cè)三通接頭A以下變化時(shí)，平衡容器輸出的差壓值與汽包水位成線性關(guān)系，這與一般的單室平衡容器測(cè)量汽包水位的原理相同。而當(dāng)汽包水位上升并淹沒汽側(cè)三通接頭A時(shí)，汽側(cè)連通管內(nèi)的飽和蒸汽在冷凝筒的管路上就不是連續(xù)的飽和蒸汽，而是由垂直連通管內(nèi)的飽和水將汽側(cè)連通管中的飽和蒸汽分為兩段，一段與汽包相連，另一段與冷凝筒相連。由于汽側(cè)連通管內(nèi)形成水封，靠近冷凝筒側(cè)的汽壓則隨溫度的降低而下降，平衡容器冷凝筒內(nèi)液面上所受的壓力小于汽包壓力（額定19.53MPa），且形成的水封時(shí)間愈長(zhǎng)，冷凝筒液面上所受的壓力相對(duì)愈小，這時(shí)汽包壓力作用于單室平衡容器正、負(fù)壓側(cè)的壓力值不相等，即正壓側(cè)小于負(fù)壓側(cè)。因此，單室平衡容器輸出的差壓值不僅僅是正、負(fù)壓側(cè)的靜差壓值，而且還增加了汽側(cè)連通管內(nèi)形成水封時(shí)汽包壓力作用于正、負(fù)壓側(cè)的差值。由于汽包壓力值相對(duì)較大，所以該差值（值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單室平衡容器的靜壓差值。如果將1臺(tái)差壓變送器（按使用要求校驗(yàn)好，量程為0～6355Pa）接至平衡容器，即差壓變送器正壓側(cè)接平衡容器水側(cè)，負(fù)壓側(cè)接平衡容器的汽側(cè)，再將差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行全程負(fù)遷移，當(dāng)差壓變送器正常投入后，鍋爐汽包壓力至額定值時(shí)，且當(dāng)汽包水位上升至汽側(cè)三通接頭A時(shí)，差壓變送器接受的差壓值已經(jīng)超過其量程下限（0 Pa），其輸出的電信號(hào)就會(huì)以一定的速度沿“高水位”的方向飛升。
    由以上分析得知，當(dāng)汽包水位指示異常時(shí)，此時(shí)汽包實(shí)際水位線正好為原設(shè)計(jì)的高水位保護(hù)動(dòng)作值（130mm）。只要汽包實(shí)際水位大于130mm時(shí)，汽包水位指示值就出現(xiàn)異常，即自異常點(diǎn)起，以一定的速度向其測(cè)量上限（+300mm）“飛起”，且水位信號(hào)與時(shí)間所構(gòu)成的函數(shù)為連續(xù)函數(shù)，若高水位保護(hù)的動(dòng)作值為+130mm～+300mm范圍內(nèi)的任意值，汽包水位保護(hù)必然動(dòng)作。因此，原設(shè)計(jì)平衡容器的測(cè)量范圍應(yīng)為+130mm～+300mm。
三、改進(jìn)方案及效果
    為了避免汽包水位上升至一定高度時(shí)汽側(cè)連通管內(nèi)形成水封，防止汽包水位在測(cè)量中發(fā)生“飛升”現(xiàn)象，只要將原平衡容器中的垂直連通管去掉，使汽側(cè)連通管與水側(cè)連通管*隔離即可，這時(shí)平衡容器應(yīng)垂直安裝且與汽包的距離為450mm（圖4）。
                           
    2001年7月8日，按照?qǐng)D4方案進(jìn)行了改進(jìn)，8月29日做了實(shí)際水位的升降試驗(yàn)（+300mm～-100mm），結(jié)果顯示：CRT畫面上汽包水位升降曲線為正弦波形。這充分表明，改進(jìn)后的平衡容器能實(shí)現(xiàn)汽包水位的正確測(cè)量，汽包水位指示值不再出現(xiàn)飛升現(xiàn)象（圖5）。
                          
四、結(jié) 語
    改進(jìn)后的平衡容器不但能測(cè)量汽包水位，而且還有汽包水位的機(jī)械保護(hù)功能；在測(cè)量汽包水位時(shí)，只有汽包水位的測(cè)量值等于高水位保護(hù)的動(dòng)作值時(shí)，高水位保護(hù)才能動(dòng)作，杜絕了因測(cè)量異常而引發(fā)的事故。

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