發電廠汽包水位測量的問題及改進

發電廠（準電）1號、2號鍋爐由ABG司制造，型號為BZWB-410/.8-M，為單汽包自然循環煤粉爐，其額定蒸發量為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℃。
    每臺鍋爐汽包兩側安裝2臺就地云母水位計，2臺電接點水位計，4臺平衡容器（水位差壓轉換裝置），汽包上所有水位計的汽側連通管與水側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，經汽包壓力自動校正后轉變成水位信號，顯示于記錄儀上；就地云母水位計和電接點水位計的水位信號顯示于集控室儀表上。
一、存在問題
    準電1號、2號爐自投產以來，汽包就地云母水位計、電接點水位計和機械差壓式水位計均能可靠地監測汽包水位，但鍋爐汽包水位測量裝置（單室平衡容器）的可靠性、準確性較差，影響了機組的安全運行，曾發生過因汽包水位高使滅火保護MFT動作，機組解列的事故。其主要表現為：當汽包水位上升至一定數值（約130mm）時，汽包水位的指示值便以一定的速度向其測量上限（+300mm）飛升，因而導致高水位保護動作。由于汽包水位測量始終存在著這種異常現象，且汽包水位保護的信號取自該單室平衡容器和電接點水位計，使機組的安全、穩定運行受到威脅。
二、原因分析
2.1 測量原理
2.1.1 水位差壓轉換
    差壓式汽包水位測量裝置主要由水位差壓轉換容器（平衡容器）、壓力信號表管與差壓計3部分組成。其工作原理是將水位的高、低信號轉換為差壓信號來實現測量。平穩容器是測量裝置的感應部件，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）。
                                
    由于汽包內的飽和蒸汽在冷凝筒內不斷散熱凝結，筒內的液面總是保持恒定，所以正壓管內的水信高度是恒定的。負壓管內的水柱高度則隨汽包水位的變化而變化。這時，壓差值△р可按下式計算：
                      
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L為定值，若ρ1、ρ'、ρ''不變時，由正、負壓引入口得到的差壓信號與汽包水位的變化為線性關系，水位愈高，壓差值愈小；水位愈低，壓差值愈大。
2.1.2  汽包壓力對水位測量的影響
    由于ρ'、ρ''的變化將影響水位測量結果，ρ'、ρ''與汽包壓力有函數關系，因此汽包壓力的變化將影響差壓式水位計的測量結果。由水蒸氣狀態圖（或表）可知：（ρ1-ρ'）、（ρ'-ρ''）與汽包壓力p在某壓力范圍內有近似的線性關系。
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校正系統，f₁ （p）、f₂（p）分別表示（ρ1-ρ'）、（ρ'-ρ''）與汽包壓力p的關系。
                                    
2.2 原平衡容器特點及分析
    （1） 結構特點 原設計的平衡容器結構如圖3所示。不難看出，這種平衡容器與我國目前測量汽包水位廣泛使用的單室平衡容器在結構上存在著差異。汽側連通管與水側連通管之間有1根垂直連通管，其與水側垂直連通管相交，交點位于水側連通管的水平段上（水側三通接頭B），而與汽側連通管垂直，交點（汽測三通接頭A）低于汽側連通管的水平段（距汽包中心線130mm）。其技術特性為：正常水位時平衡容器輸出壓差△p0=4227Pa，zui大輸出壓差△Pmax=6355Pa。
                            
    （2） 問題分析  當汽包水位在汽側三通接頭A以下變化時，平衡容器輸出的差壓值與汽包水位成線性關系，這與一般的單室平衡容器測量汽包水位的原理相同。而當汽包水位上升并淹沒汽側三通接頭A時，汽側連通管內的飽和蒸汽在冷凝筒的管路上就不是連續的飽和蒸汽，而是由垂直連通管內的飽和水將汽側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。由于汽側連通管內形成水封，靠近冷凝筒側的汽壓則隨溫度的降低而下降，平衡容器冷凝筒內液面上所受的壓力小于汽包壓力（額定19.53MPa），且形成的水封時間愈長，冷凝筒液面上所受的壓力相對愈小，這時汽包壓力作用于單室平衡容器正、負壓側的壓力值不相等，即正壓側小于負壓側。因此，單室平衡容器輸出的差壓值不僅僅是正、負壓側的靜差壓值，而且還增加了汽側連通管內形成水封時汽包壓力作用于正、負壓側的差值。由于汽包壓力值相對較大，所以該差值（值）遠遠大于單室平衡容器的靜壓差值。如果將1臺差壓變送器（按使用要求校驗好，量程為0～6355Pa）接至平衡容器，即差壓變送器正壓側接平衡容器水側，負壓側接平衡容器的汽側，再將差壓變送器的零點進行全程負遷移，當差壓變送器正常投入后，鍋爐汽包壓力至額定值時，且當汽包水位上升至汽側三通接頭A時，差壓變送器接受的差壓值已經超過其量程下限（0 Pa），其輸出的電信號就會以一定的速度沿“高水位”的方向飛升。
    由以上分析得知，當汽包水位指示異常時，此時汽包實際水位線正好為原設計的高水位保護動作值（130mm）。只要汽包實際水位大于130mm時，汽包水位指示值就出現異常，即自異常點起，以一定的速度向其測量上限（+300mm）“飛起”，且水位信號與時間所構成的函數為連續函數，若高水位保護的動作值為+130mm～+300mm范圍內的任意值，汽包水位保護必然動作。因此，原設計平衡容器的測量范圍應為+130mm～+300mm。
三、改進方案及效果
    為了避免汽包水位上升至一定高度時汽側連通管內形成水封，防止汽包水位在測量中發生“飛升”現象，只要將原平衡容器中的垂直連通管去掉，使汽側連通管與水側連通管*隔離即可，這時平衡容器應垂直安裝且與汽包的距離為450mm（圖4）。
                           
    2001年7月8日，按照圖4方案進行了改進，8月29日做了實際水位的升降試驗（+300mm～-100mm），結果顯示：CRT畫面上汽包水位升降曲線為正弦波形。這充分表明，改進后的平衡容器能實現汽包水位的正確測量，汽包水位指示值不再出現飛升現象（圖5）。
                          
四、結 語
    改進后的平衡容器不但能測量汽包水位，而且還有汽包水位的機械保護功能；在測量汽包水位時，只有汽包水位的測量值等于高水位保護的動作值時，高水位保護才能動作，杜絕了因測量異常而引發的事故。

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