1 000 MW機(jī)組高加水位測量偏差分析與處理

鄭衛(wèi)東,孫長生,付望安,張鵬,李捍華

(1.華能玉環(huán)電廠,浙江省臺(tái)州市,317604;2.浙江省電力試驗(yàn)研究院,杭州市,310014)

0 引言

華能玉環(huán)電廠 4×1 000 MW工程是國家“863”計(jì)劃引進(jìn)超超臨界機(jī)組技術(shù)、逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的依托工程,其高壓加熱器(簡稱高加)選用東方鍋爐廠生產(chǎn)的雙列對稱布置式加熱器。每臺(tái)高加配置 1臺(tái)磁性翻板水位計(jì)、3臺(tái)高液位開關(guān)和 3臺(tái)差壓變送器。其中磁性翻板水位計(jì)用于現(xiàn)場實(shí)際水位觀察,高液位開關(guān)用于高加報(bào)警,差壓式水位變送器用于顯示器上模擬量顯示及高加水位控制和聯(lián)鎖保護(hù)。機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后,基建遺留高加水位測量偏差問題,雖經(jīng)熱工與機(jī)務(wù)人員多次查找分析,但一直未能得到很好解決。2010年 4月,成立專題組進(jìn)行機(jī)組水位測量偏差問題的查找分析和處理措施的探討。本文對這一過程進(jìn)行了總結(jié),為火電機(jī)組高加水位測量系統(tǒng)安裝、檢修、運(yùn)行和維護(hù)提供參考。

1 高加水位測量偏差問題分析與查找

高加作為電廠熱力系統(tǒng)的重要輔助設(shè)備,其運(yùn)行狀況的優(yōu)劣不僅影響機(jī)組的安全性,同時(shí)對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性也有較大的影響[1-8]。要使加熱器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,應(yīng)確保加熱器疏水水位測量精度、改善加熱器疏水調(diào)節(jié)品質(zhì),將疏水水位控制在零水位附近。但由于設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試上的不完善,玉環(huán)電廠的 1～4號(hào)機(jī)組的 12臺(tái)高加水位顯示,其磁性翻板水位計(jì)和差壓式水位計(jì)2者顯示偏差超過150mm的有5臺(tái),偏差在100～150mm的有7臺(tái),偏差在60～99 mm的有7臺(tái),使運(yùn)行無法確定應(yīng)根據(jù)哪個(gè)顯示參數(shù)來進(jìn)行控制。因此,需要查明原因并消除偏差。

1.1 磁性翻板水位計(jì)測量問題分析查找

1.1.1 磁性翻板水位計(jì)測量原理及誤差分析

磁性翻板水位計(jì)的工作原理是根據(jù)磁極耦合原理、阿基米德(浮力定律)等原理結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)的特性而設(shè)計(jì),其容納浮球的腔體內(nèi)液面與被測容器內(nèi)的液面高度接近,腔體內(nèi)的浮球隨著容器內(nèi)液面的升降變化;因腔體外面裝了 1個(gè)翻柱顯示器,而浮球沉入液體與浮出部分的交界處安裝了磁鋼,磁性透過外殼傳遞給翻柱顯示器,推動(dòng)磁翻柱翻轉(zhuǎn)而指示水位高度。根據(jù)其測量原理分析,影響其測量準(zhǔn)確性的可能因素主要來源于:

(1)因筒內(nèi)存在雜質(zhì)或者測量筒受熱產(chǎn)生不規(guī)則形變,引起浮球上下浮動(dòng)不靈活而使測量產(chǎn)生偏差。

(2)因翻柱顯示片卡澀或磁性異常引起不能正常翻轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致顯示異常。

(3)磁翻板測量筒內(nèi)浮球,因材料的密度與被測介質(zhì)密度不適配而導(dǎo)致顯示偏差。

(4)安裝上,由于正負(fù)測量取樣管路的坡度不符合規(guī)程要求(正確安裝應(yīng)如圖 1中虛線所示),導(dǎo)致測量介質(zhì)流通不暢,引起測量失準(zhǔn)。

(5)測量回路底部無排污系統(tǒng),取樣管路最低處污物無法排出影響介質(zhì)的流通性,對測量產(chǎn)生影響。

圖1 高加磁翻板式水位計(jì)測量取樣圖Fig.1 M easurement ofmagnetic-flap water-levelmeter in HP heater

1.1.2 磁性翻板水位計(jì)現(xiàn)場安裝問題分析

針對 1～4號(hào)機(jī)組高加水位磁翻板水位計(jì)與差壓式水位計(jì)間的偏差大問題,在現(xiàn)場對各自取樣筒的基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)際檢查和核對,結(jié)合測得數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)高加位磁翻板水位計(jì)測量系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問題:

(1)一些現(xiàn)場測量差壓式高加水位計(jì)取樣筒的安裝基準(zhǔn)值與分散控制系統(tǒng)(distribution control system, DCS)中設(shè)置的偏置值存在偏差,引起測量偏差。

(2)一些磁翻板零位到取樣口距離、翻板取樣口到水筒取樣口距離,與測量要求不符。

(3)一些就地磁翻板液位計(jì)存在卡澀現(xiàn)象,導(dǎo)致測量產(chǎn)生較大偏差。

(4)從安裝上要求,汽側(cè)取樣管應(yīng)有向下斜向筒體的坡度,以保證蒸汽的流通和足夠的流通面積。但水位取樣管至取樣筒的大小頭處,存在倒坡積水影響蒸汽流通的問題。

(5)取樣系統(tǒng)未安裝排污門,無法定期排污,使筒內(nèi)浮球存在因雜質(zhì)而影響上下浮動(dòng)靈活的可能性,或因取樣最低處污物無法排除影響水系統(tǒng)流通,從而影響測量準(zhǔn)確性。

1.1.3 紅外線儀表水位輔助判斷上的應(yīng)用試驗(yàn)

由于高加DCS現(xiàn)實(shí)水位和就地磁翻板水位存在較大差異,普遍認(rèn)為就地磁翻板液位更加準(zhǔn)確。為核實(shí)磁翻板的準(zhǔn)確性,根據(jù)高加就地磁翻板水位測量筒內(nèi)存在較為明顯汽水分界線這一特點(diǎn),探討了使用紅外線點(diǎn)溫計(jì)和紅外成像儀測量高加水位測量筒體溫度,利用溫度梯度確定汽水分界線,從而確定實(shí)際水位位置的輔助判斷水位計(jì)顯示準(zhǔn)確性的方法,并進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)測量了2臺(tái)機(jī)組 A、B高加磁翻板液位計(jì)筒體溫度,根據(jù)測得的溫度陡度數(shù)據(jù)估算分析所定的水位,與DCS顯示水位偏差40～50 mm,而磁翻板液位計(jì)現(xiàn)實(shí)顯示的數(shù)據(jù)偏高。但由于點(diǎn)溫計(jì)測量時(shí)所受的干擾源較多,需要采取相應(yīng)措施進(jìn)一步試驗(yàn)分析,提高測量判斷的準(zhǔn)確性。

(2)根據(jù)規(guī)程要求,汽側(cè)取樣管應(yīng)有向下斜向筒體的坡度,以保證蒸汽的流通和足夠的流通面積。但用點(diǎn)溫計(jì)測量了一些高加取樣口及管路溫度,存在溫度差,這是因?yàn)槿庸艽笮☆^處坡度不符合安裝規(guī)程要求,存在積水影響了蒸汽的流通,從而引起測量誤差。

(3)在進(jìn)行高加水位定值調(diào)整試驗(yàn)的同時(shí),分別用紅外成像儀對磁翻板水位測量筒和差壓水位測量筒的水位位置進(jìn)行研究性測試,探討通過筒體溫度值的變化來輔助判斷水位位置的試驗(yàn)。紅外成像儀測量水位約為270mm,當(dāng)時(shí)實(shí)際水位約為230mm。

研究測試結(jié)果表明,紅外成像儀在判斷水位測量位置的問題上,可以作為輔助判斷手段進(jìn)行專題研究,但由于紅外成像儀測量過程中,存在許多不確定因素,如周圍溫度、光線、筒體光潔度,筒體油漆、手持成像儀的穩(wěn)定性等,都將影響其測量結(jié)果,因此需要進(jìn)一步試驗(yàn),摸索其規(guī)律,提高被測對象位置判斷的準(zhǔn)確度。

1.2 差壓式水位測量引起誤差分析

差壓式水位測量引起誤差來自 2方面,即正負(fù)測量取樣管路的安裝不符合規(guī)程要求和測量信號(hào)未經(jīng)補(bǔ)償而引起誤差,下面分別進(jìn)行分析。

(1)安裝不符合規(guī)程要求引起誤差。

為保證測量取樣管路介質(zhì)的流通和足夠的流通面積,從安裝上要求,汽側(cè)連通管應(yīng)有向下斜向筒體的坡度。但現(xiàn)場檢查,高加水位測量差壓變送器的取樣管大小頭處,無斜向取樣筒的坡度(如圖2虛線所示),且有的還存在倒坡,該處積水將影響蒸汽取樣的流通,對測量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。測量筒水測連通管存在較大的U型結(jié)構(gòu),測量筒及取樣連通 U型管最低處未裝排污閥,導(dǎo)致整個(gè)介質(zhì)取樣回路無法排除雜質(zhì)和污水,也將對測量產(chǎn)生較大影響。

圖2 高加差壓式水位測量取樣圖Fig.2 Measurem ent of pressure-difference water-levelm eter in HP heater

(2)測量信號(hào)未經(jīng)壓力補(bǔ)償引起誤差。

設(shè)計(jì)時(shí)高加水位測量信號(hào)未作壓力補(bǔ)償,由此造成的測量偏差,超超臨界機(jī)組比超臨界機(jī)組要顯得突出。

差壓式水位變送器是通過把加熱器水位高度的變化,轉(zhuǎn)換由單室平衡容器內(nèi)的參比水柱所形成的差壓變化來測量實(shí)際水位。引其變送器差壓值 ΔP計(jì)算如下:

式中:h為高加實(shí)際水位高度,h=h0+h顯,h0為偏置值,h顯為測量顯示值,mm;h1為平衡筒參比水柱高度(現(xiàn)場實(shí)測是800 mm),mm;h2為負(fù)壓側(cè)水柱高度, mm;ρqw為高加內(nèi)疏水密度,kg/m3;ρqs為高加內(nèi)飽和蒸汽密度,kg/m3;ρa(bǔ)為平衡容器參比水柱平均密度, kg/m3;ρm為負(fù)壓側(cè)水柱平均密度,kg/m3。

如果不考慮高加抽汽的影響,并將高加內(nèi)疏水、負(fù)壓側(cè)水柱、平衡容器參比水柱平均密度近似于常溫常壓下水的密度1 000 kg/m3,則高加實(shí)際水位h可以簡化為

式中:h1=0.8m;ρqw≈1 000 kg/m3。

當(dāng)ΔP=0mmH2O時(shí),h=800 mm;

當(dāng)ΔP=800mmH2O時(shí),h=0 mm。

因?yàn)閔=h0+h顯,所以h顯=h-h0。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量 1號(hào)高加磁翻板零水位基準(zhǔn)點(diǎn)與1號(hào)高加差壓筒差 -260 mm,故 1號(hào)高加差壓水位變送器0～800 mmH2O對應(yīng)實(shí)際水位為:

當(dāng)ΔP=0 mmH2O時(shí),h顯=h-h0=800 mm-260mm=540 mm;

當(dāng)ΔP=800 mmH2O時(shí),h顯=h-h0=0 mm-260mm=-260mm。

上述 1號(hào)高加水位測量推算過程中,1號(hào)高加水位測量未經(jīng)過溫度、壓力修正,直接將所測得的差壓信號(hào)按照常溫常壓下轉(zhuǎn)換成水位信號(hào)。但高加內(nèi)疏水密度ρqw近似為常溫常壓下水的密度(1 000 kg/m3)將帶來比較大的測量誤差。

因?yàn)楦呒觾?nèi)疏水是飽和水和未飽和水的混合物。由于未飽和水占高加內(nèi)疏水的大部分,所以一般以高加內(nèi)未飽和水的密度來表征高加內(nèi)疏水的密度。根據(jù)現(xiàn)場抄錄(1 000 MW)的1號(hào)高加抽汽壓力為7.19 MPa,1號(hào)高加疏水溫度為276℃,查找手冊知比對應(yīng)壓力下飽和水的溫度(287.6℃)低 12℃左右,可以查表得到這種工況下疏水對應(yīng)密度為759.07 kg/m3。

當(dāng)差壓變送器測得的差壓為400mmH2O時(shí),如果不進(jìn)行壓力補(bǔ)償,那么計(jì)算得到的高加水位 h顯= 140mm,即CRT上顯示值為140 mm。而采用壓力補(bǔ)償后,計(jì)算得到的高加水位h=251 mm,即CRT上顯示值為251mm。2者測量偏差Δh=111mm。

進(jìn)一步計(jì)算可知:當(dāng)差壓變送器測得的差壓從0～800 mmH2O變化時(shí),在抽汽壓力不變的情況下,不經(jīng)補(bǔ)償時(shí)對應(yīng)的顯示為 -260～540mm,經(jīng)補(bǔ)償后的顯示為-310～810mm,2者測量偏差范圍為-50～270mm。

2 高加水位測量偏差問題處理措施

根據(jù)上述查找和分析,針對高加水位不同測量原理的表計(jì)產(chǎn)生顯示偏差的原因,提出以下處理措施并進(jìn)行實(shí)施。

2.1 磁翻板水位計(jì)問題處理措施

磁翻板水位計(jì)問題,移交生產(chǎn)后再進(jìn)行改造是沒有辦法的行為,應(yīng)在基建階段就進(jìn)行控制。

(1)對所有取樣筒的位置進(jìn)行標(biāo)定,確保標(biāo)高一致。

(2)機(jī)組檢修時(shí),按規(guī)程要求對取樣管路的安裝進(jìn)行修正,確保汽側(cè)取樣管有向下斜向筒體的坡度無倒坡現(xiàn)象;對磁場翻板水位計(jì)取樣筒下部與水側(cè)連通管最低處增加排污門,便于運(yùn)行中排污,防止取樣最低處殘留污物影響測量準(zhǔn)確性。

(3)檢修結(jié)束進(jìn)行高加水壓試驗(yàn)時(shí),對取樣筒進(jìn)行多次排污,直到磁翻板動(dòng)作靈活,否則應(yīng)進(jìn)行檢修或更換。

(4)運(yùn)行中定期排污。消除磁場翻板水位計(jì)因雜質(zhì)存在卡住而不靈活,或因取樣最低處污物無法排出,導(dǎo)致顯示異常因素。先確認(rèn)顯示明顯異常的磁翻板水位計(jì)的卡澀,是外部原因引起還是內(nèi)部原因引起,然后予以消除。

(5)如確認(rèn)因浮球材料密度與被測介質(zhì)密度不適配而引起測量誤差,則對標(biāo)尺進(jìn)行修正。

2.2 差壓式水位測量增加壓力補(bǔ)償

考慮到高加水位h測量,在不進(jìn)行壓力修正的情況下存在較大的測量誤差,建議引入高壓加熱器熱工測量中已配置的高加抽汽壓力這一變量,按以下公式對高加水位測量進(jìn)行壓力修正,其中:

(1)因不同抽汽壓力、不同溫度下冷凝水的密度ρa(bǔ)變化很小,其進(jìn)行壓力溫度修正時(shí)對測量精度影響不大,建議用運(yùn)行中的額定抽汽壓力(6.08MPa)、環(huán)境溫度為40℃的冷凝水密度(約994.80 kg/m3)代表平衡容器參比水柱密度。但也可以將ρa(bǔ)設(shè)計(jì)成可調(diào)整窗口,用于冬夏調(diào)整。

(2)根據(jù)機(jī)組高加實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),高加運(yùn)行中其抽汽壓力對應(yīng)的飽和水溫度與高加疏水管溫度測點(diǎn)的偏差變化較小,建立高加抽汽壓力與高加疏水密度、蒸汽密度之間對應(yīng)關(guān)系,即將 ρqw、ρqs均作為高加抽汽壓力的函數(shù),設(shè)f1(x)=ρqw-ρqs,f2(x)=ρa(bǔ)-ρqs,列出f1(x)、f2(x)函數(shù)發(fā)生器對應(yīng)參數(shù)表用于修正。

(3)機(jī)組檢修時(shí),取樣平衡筒底部增加排污門,定期排污,消除取樣最低處污物無法排出,導(dǎo)致顯示異常因素。

(4)機(jī)組檢修時(shí),糾正水位變送器取樣管坡度不符合規(guī)程(大小頭處存在積水可能性),蒸汽流通不暢,影響測量的準(zhǔn)確性。

(5)增加補(bǔ)水裝置。在機(jī)組啟動(dòng)階段,高加投入初期,金屬應(yīng)力變化最大,相對容易發(fā)生加熱器管爆裂可能。由于電廠利用模擬量作為高加保護(hù)信號(hào),為了保證在機(jī)組啟動(dòng)階段加熱器的安全,差壓式水位計(jì)需要盡早投入,可以及時(shí)向平衡容器中補(bǔ)充冷凝后的飽和水,因而可以保證鍋爐點(diǎn)火不久就可投入加熱器水位測量,確保加熱器保護(hù)正常投入。

2.3 綜合措施

(1)查找高加廠家或設(shè)計(jì)院的有關(guān)高加設(shè)計(jì)計(jì)算書,了解設(shè)計(jì)端差溫度下的正常水位控制值。通過1、2、3、4號(hào)機(jī)組高加水位定值調(diào)整試驗(yàn),檢查并記錄各機(jī)組對應(yīng)磁翻板水位計(jì)、DCS顯示變化值,對有偏差的測量回路進(jìn)行綜合分析后制定處理措施。

(2)對磁翻零位到取樣口距離、翻板到水筒間水口距離、DCS偏置設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)核對,根據(jù)核對結(jié)果對DCS中偏置值進(jìn)行修正。

(3)對有疑義的測量顯示,通過紅外線點(diǎn)溫計(jì)或紅外成像儀測量,進(jìn)行水位位置的輔助判斷,然后對有問題的測量回路進(jìn)行進(jìn)一步檢查分析,查出原因后處理。

3 結(jié)語

通過對玉環(huán)電廠高壓加熱器磁翻板式、差壓式液位計(jì)測量現(xiàn)場安裝的檢查,測量原理與顯示誤差、原因的分析,以及紅外線點(diǎn)溫計(jì)和紅外成像儀測量水位筒體表面溫度梯度進(jìn)行輔助判斷水位測量位置的試驗(yàn),指出了高加水位測量系統(tǒng)中存在的問題和導(dǎo)致測量偏差產(chǎn)生的原因,提出了高加水位測量偏差問題的處理建議。通過改進(jìn),基本可以消除高加水位測量偏差問題。

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