作者：侯云浩1張國斌2劉吉川3
　　
　　摘要：針對蒙西發電廠鍋爐汽包水位測量系統長期存在各水位計之間偏差較大等嚴重影響機組安全運行的問題，為確定影響水位測量系統精度的因素，通過加裝新型水位計并與傳統水位計并列運行進行試驗對比，研究各種水位計的測量原理、結構、工藝參數、安裝工藝等各環節對水位測量的影響
　　
　　引言
　　
　　國內外已開展了大量針對汽包水位測量精度的理論研究和相關產品的研制，并取得了突破性的進展，但截止目前，基于試驗基礎上的不同原理水位計的對比分析研究仍是一個空白。為此，針對蒙西電廠水位測量改造項目，特采用了新型水位計與傳統水位計并列運行的改造方案，通過對試驗數據對比分析研究，力爭在更深層次、獨立的角度探討各因素對汽包水位測量精度的綜合影響，并希望對發電廠水位測量系統的不斷改進完善有所借鑒。
　　
　　一、改造前系統介紹
　　
　　蒙西電廠#2爐為1057t/h亞臨界循環流化床鍋爐，汽包額定壓力18.92MPa。汽包水位測孔共計6對，右側4對分別用于一臺就地云母水位計和三臺老式外置平衡容器，左側2對分別用于一臺就地云母水位計和一臺傳統電接點水位計。如圖1所示：
　　
　　改造前各水位計之間相差很大，在100mm以上，即使同側差壓水位計（#1、#2、#3差壓水位計）也相差很大；云母水位計顯示不清晰；電接點水位計電極泄露頻繁。汽包水位計測量不準確，不能可靠投入汽包水位保護，給機組運行帶來很大的安全隱患。
　　
　　二、存在的問題及原因分析
　　
　　2.1傳統聯通管式水位計造成測量誤差
　　
　　如圖2所示，原先安裝的電接點水位計和就地云母水位計均屬于聯通管式汽包水位計，由于表體內的水溫遠低于汽包內的飽和水溫度，其密度高于飽和水的密度，從而使其顯示的水位低于汽包內的實際水位。
　　
　　從理論計算公式（2-1）可知，水位測量偏差與水位計管內水柱溫度、汽包工作壓力以及汽包內的實際水位等多種因素有關。
　　
　　ΔH=H′－H=－H（ρa－ρw）/（ρa－ρs）（2-1）
　　
　　式中：
　　
　　H—汽包實際水位高度
　　
　　H′—水位計的顯示值
　　
　　ρs—汽包內飽和蒸汽密度
　　
　　ρw—汽包內飽和水密度
　　
　　ρa—水位計測量管內水柱的平均密度
　　
　　汽包水位計管內水柱平均溫度與汽包壓力、汽包水位、汽包壓力的變動速度及表體結構、環境溫度、風向等因素均有關，篇幅有限在此不在贅述。
　　
　　汽包工作壓力對水位計顯示值的影響也是明顯的，汽包工作壓力變化時，除了導致水位計管內水柱溫度變化，即ρa變化而影響水位計水位顯示值外，還會引起ρw，ρs的變化而使測量產生偏差。當汽包內實際水位H值一定時，壓力愈高，∣ΔH∣值愈大；壓力愈低，∣ΔH∣值愈小。如果汽包正常水位設計在H0=300mm，而且運行時實際水位恰好在正常水位線上，則水位計的示值偏差：在壓力P=4.0MPa時，ΔH=－59.6mm；在壓力P=10MPa時，ΔH=－97.0mm；在壓力P=14MPa時，ΔH=－122.3mm；在壓力P=16MPa時，ΔH=－136.9mm。可見每升高1MPa時，一般聯通管式水位計的示值偏差的變化平均為－6.5mm左右。
　　
　　汽包內實際水位高度對水位計顯示值也存在影響，當汽包工作壓力為一定值時，汽包內的實際水位也會對水位測量產生偏差，由公式（2-1）不難看出，偏差ΔH與實際水位H成正比，H值愈大，∣ΔH∣值愈大；H值愈小，∣ΔH∣值也愈小。根據上海鍋爐廠提供的資料，對于亞監界鍋爐（18.4～19.6MPa）在額定壓力下，汽包水位計的零水位要比汽包內實際正常水位低150mm，也就是說，當H＝300mm時，ΔH＝－150mm；當H＝0mm時，近似偏差ΔH＝0mm；但是,當H＝600mm時，近似偏差高達ΔH＝－300mm。如果將水位計下移150mm，雖然在正常水位處偏差消除了，但當高水位和低水位時，誤差仍將很大。
　　
　　2．2傳統差壓式水位計造成誤差
　　
　　原先裝的單室平衡容器仍采用老式的外置平衡容器（如圖3），參比水柱從平衡容器下部直接引出接至平衡容器正壓側，參比水柱的密度ρa的不確定性會造成很大的測量誤差。
　　
　　2．3安裝方式也是造成測量誤差的原因之一
　　
　　平衡容器汽側取樣管安裝自汽包向下傾斜，影響平衡灌內冷凝水的回流，造成冷凝水回水困難，蒸汽也無法充分進入平衡罐內冷凝（體現為平衡灌外表溫度低），抬高平衡容器L值，存在差壓水位計的測量誤差
　　
　　安裝的變送器保護柜標高也太高，造成到變送器的管路從下部返上來接至變送器，極易造成內部存汽，形成不確定的測量誤差。
　　
　　三、改造方案
　　
　　針對以上存在的問題，#2機組改造方案中采用了能在原理上有效避免傳統的差壓式水位計和聯通式水位計的新型水位測量裝置，并且在安裝過程中解決了上述存在的問題，具體改造方案如下：
　　
　　將右側兩臺老式單室平衡容器拆除，安裝一臺DNZ-20型汽包水位內裝平衡容器和一臺GJT高精度取樣電極傳感器；保留原一臺老式單室平衡容器和一臺就地云母水位計，以便改造完成后進行新老水位計的對比。將左側電接點水位計和就地云母水位計拆除，安裝一臺DNZ-20型汽包水位內裝平衡容器和一臺WDP低偏差云母水位計。盡可能利用原一次截門和固定支架。
　　
　　具體配置如表1：
　　
　　改造后示意圖如圖4：

　　
　　四、改造后的對比試驗
　　
　　4.1起機階段到300MW負荷實驗
　　
　　通過實驗曲線圖可以看出，保留的#2差壓水位計在不同負荷下偏差值不同，在啟機和低負荷時，其顯示值比新型水位計偏高，50MW時偏高50mm左右。隨著負荷的升高，參比水柱的溫度越來越高，與補償公式中的參比水柱設定溫度偏差越來越大，測量誤差也越來越大，其顯示值又比新型水位計偏低，當負荷升至120MW時保留的老式#2差壓水位計比內裝平衡容器偏低70mm左右，當負荷升至300MW時老式差壓水位計比內裝平衡容器偏低120mm左右（見曲線一）。為此，在DCS補償公式中比照改后的差壓水位計將顯示結果修正+120mm。
　　
　　曲線一、起機升負荷時差壓水位曲線
　　
　　（注：紅色線為保留的#2差壓水位計，HLValue為標尺處數據，日期為2009/10/14時，121MW時，比#3差壓低76mm，比#1差壓低71mm。）
　　
　　另外，保留的云母水位計由于安裝0點下移了120mm，在冷態時保留的云母水位計比改造的這四臺汽包水位計高120mm，隨著負荷的升高，偏差逐步減小，滿負荷時其顯示值和新型水位計示值基本一致，偏差在20mm左右，但隨著汽包內水位的升降其偏差值增大，尤其是在事故跳閘值附近偏差超過150mm。
　　
　　由曲線圖可以看出，在起機和低負荷時，老式差壓水位計顯示值比內裝平衡容器高，50MW時偏高50mm左右，隨著負荷的升高，參比水柱的溫度越來越高，與補償公式中的參比水柱設定溫度偏差越來越大，測量誤差也越來越大，當負荷升至120MW時，老式差壓水位計顯示值比內裝平衡容器低70mm，當負荷升至300MW時，老式差壓水位計顯示值比內裝平衡容器低120mm。
　　
　　4.2253MW負荷時升降水位實驗
　　
　　在機組253MW負荷時進行了水位升降實驗，實驗數據見表2。
　　
　　由表格數據可以看出：
　　
　　（1）改造后的新水位計之間的偏差在30mm以內，能準確反映實際水位。
　　
　　（2）老式云母水位計顯示值比差壓水位計偏低至少40mm,且偏差值隨著水位增高而增大。
　　
　　（3）按照三取中作為真實水位，當實際水位在-87mm時，老式云母水位計比差壓水位計低43mm；實際水位值在0附近時，老式云母水位計比差壓水位計偏低44mm；實際水位在73mm時，老式云母水位計比差壓水位計低78mm。
　　
　　（4）在接近或達到滿負荷的時候，修正結果后的差壓水位計2與差壓1和差壓3之間的偏差在允許范圍內。
　　
　　五、結論及建議
　　
　　（1）基于實驗對比，聯通管式原理的汽包水位計顯示的水柱值不僅低于鍋爐汽包內的實際水位，而且受汽包內的壓力、水位、壓力變化速率以及水位計環境條件等諸多因素影響。固定端的下移0位安裝“熱補償”方式，只能減小滿負荷時0水位附近的測量誤差，而從起機到滿負荷過程中，傳統聯通云母水位計與實際水位始終存在誤差，不能在所有工況下彌補水位誤差。因此，長期以來，運行人員不管在什么情況下，都要求以上述聯通管式水位計作為基準儀表，實際上存在很大的誤區。
　　
　　（2）汽包內水欠飽和及參比水柱溫度對差壓信號相對誤差的影響都是不可忽略的。因此傳統的水位測量系統要保證全工況、全范圍保持水位一致是不可能的。各廠為使各水位計偏差小于30mm，采用云母水位計下移，修改DCS、或修改變送器等辦法，這樣只能使差壓和云母在額定“零”水位時接近，埋下了事故隱患。
　　
　　（3）傳統差壓水位計和云母水位計存在較大的測量誤差，尤其在特殊工況下測量誤差更大，給運行人員造成誤導，無法判斷汽包水位的真實狀況，增加了事故風險。
　　
　　（4）目前有很多電廠仍然把云母水位計作為汽包水位測量的基準表，對差壓水位計結果進行盲目修正，使得汽包水位長期處于高水位或低水位運行，對機組經濟性造成影響，同時帶來存在保護誤動、拒動的可能。
　　
　　C-2010-4