亞臨界汽包鍋爐水位測量系統的改造及應用

石清泉　萬太浩

摘要：由于傳統汽包水位測量裝置簡單粗糙、原理簡單，造成雙色云母水位計積垢模糊、電接點水位計泄漏，受環境溫度影響，導致汽包水位測量系統顯示偏差大等問題，嚴重危及機組安全。通過采用新型原理和先進工藝形結合的高端測量設備，對其進行更新改造，實現水位計顯示清晰、測量準確，各水位計全過程、全范圍穩態時偏差不超標準要求，達到機組安全穩定運行的目標。

關鍵詞：亞臨界；汽包；鍋爐水位；測量系統；系統改造

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）36-0034-04

1 概述

陜西國華錦界電廠4×600MW亞臨界機組，鍋爐設備采用上海鍋爐廠有限公司生產的SG2093/17.5-M910型控制循環汽包鍋爐，屬于采用美國CE公司燃燒技術的產品。該鍋爐采用擺動式調溫、四角布置、切向燃燒、正壓直吹式制粉系統、單爐膛、∩型布置、固態排渣、平衡通風。鍋爐汽包內徑為1743mm，通體直段長26216mm，兩端采用球星封頭，包括封頭鍋筒總廠28286mm。在汽包長度方向分布六根大直徑下降管，爐水經過匯合集箱后，由3臺爐水循環泵送到水冷壁下部的環形聯箱中。在環形集箱內，各個水冷壁管接入口處都裝有節流圈。汽包中心線以下220mm處定為正常水位線。原汽包水位測量系統配置4只外置的水位平衡容器、2只普通的雙色水位計、2只電接點水位計，在汽包兩側對稱布置。

2 改造原因、范圍、要求

2.1 改造原因

因各種水位測量裝置精度不足、制造粗糙、原理落后等原因而存在的誤差，致使3號爐就地水位與DCS顯示差值為80mm以上，汽包兩側的水位偏差在30～50mm左右，影響汽包水位的判斷和運行控制，嚴重威脅到機組的安全可靠運行，也不符合《防止電力生產重大事故的二十五項要求》中水位偏差值不大于30mm的規定。因此，對汽包水位測量系統的雙色水位計、電接點水位計、平衡容器等進行全面改造。

2.2 改造范圍

將原有4臺外置式平衡容器、因泄漏無法投運的2臺電接點水位計、2臺就地雙色云母水位計拆除。安裝4臺內置式平衡容器，并對4臺差壓變送器進行溫度、壓力補償，解決環境溫度所引起的測量誤差。將左側原有電接點水位計改為高精度取樣電極傳感器，將右側原有全量程電接點水位計改為滿量程高精度取樣電極傳感器，將疏水引到兩側下降管位于爐水泵入口處，使其杜絕頻繁泄漏而達到長期穩定的投運效果。安裝低偏差的雙色云母水位計，將疏水引到兩側下降管位于爐水泵入口處，并達到自沖洗功能，確保時刻清晰顯示水位。平衡容器連接差壓變送器，把差壓信號接到DCS，便于準確可靠檢查汽包水位。

DCS系統水位組態；系統的靜態、動態調試。

2.3 改造要求

確保汽包水位測量各水位計在任何環境溫度下做到壓力、溫度補償，使之接近汽包飽和水的溫度和比重，確保各水位計指示的同一性，并能在DCS系統中實現邏輯組態。各水位計之間取樣相互獨立，水位計配置、安裝滿足《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定》和《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》。

差壓水位計補償信號與補償公式科學合理，確保水位測量信號如實反映汽包內真實水位；消除差壓水位計參比水柱溫度誤差帶來的測量誤差。電接點水位計必須有消除溫度誤差造成水位測量偏差的技術手段，安全可靠，電極平均無故障時間不小于25000小時。云母水位計必須有消除溫度誤差造成水位測量偏差的技術手段，有冷凝裝置，可以自動沖洗云母片，基本免維護。

電接點水位計的電極，在設計上應該采用自密封技術，同時做到安裝、維護方便。

所有水位計測量準確，各水位計全過程、全范圍穩態時偏差不超過30mm，瞬態時不超過50mm。

3 改造水位測量裝置的工作原理及優越性

3.1 低偏差雙色云母水位計

利用汽包里的飽和蒸汽來給表體加熱，防止表計內的飽和水因向外傳熱而降溫。再使冷凝后的飽和水給表計內的水置換，以加速水位計內的水循環，達到水位計內的水溫接近于飽和水的溫度，使水位計內的水位能夠在全工況的任何情況下，都與汽包內的真實水位相接近，從而實現了準確監視汽包水位的目的。

以冷凝器里冷凝以后的飽和水來置換水位計里的水，水位計內的循環加速；同時，飽和蒸汽冷凝以后形成的飽和水，含鹽較低，使云母片結垢減少，水位計的排污周期相對延長。

水位計表體的溫差變化較小，從而減弱水位計表體的熱變形，使云母和玻璃能有良好的接觸，減少密封處的泄漏，水位計的檢修周期延長，維護的人工和備件的費用降低。

與普通水位計比較，優越性體現在：（1）偏差較小：水位計表體得到加熱，使飽和水溫度接近汽包溫度，顯示的水位比較接近汽包中的實際水位；（2）沒有盲區：使用八窗云母，每窗的可見范圍大，左右搭接量較多，水位總是在左右的視窗范圍內得到顯示；（3）達到自沖洗功能，水位時刻清晰可見；（4）使用壽命長，泄漏率低，維護費用低。

3.2 內置的平衡容器

運行過程中，汽包里的飽和蒸汽進到冷凝罐中，冷凝形成飽和水再回流到平衡罐中。汽包里的飽和水通過負壓側的取樣管，引到差壓變送器的負端。參比水柱所形成的靜壓，經過正壓側取樣管引出，到差壓變送器的正端。由差壓變送器輸出差壓信號到DCS，在DCS中通過壓力補償計算出汽包內的水位。這樣做就消除了環境溫度對參比水柱密度的影響，計算出來的水位更接近汽包里的實際水位，反映汽包真實水位。

因為水位通過飽和水與飽和汽的密度來反映，密度只與壓力有關。所以，只要測量出汽包的壓力就能夠根據飽和蒸汽及飽和水的密度，計算出汽包水位。

與外置式平衡容器來比較，內置的平衡容器避免了環境溫度給單室平衡容器和參比水柱內水密度的影響，信號更加穩定，使測量的附加誤差更小，補償公式更加簡捷，計算結果更加準確。因為單室平衡容器和參比水柱內水的溫度，受環境溫度以及容器的結構、表管布置影等因素的影響巨大；水的密度又受水的溫度影響較大。較小的差壓誤差，補償計算后會加大約2倍，使水位測量增加一個較大的隨機誤差。

內置的水位平衡容器，將單室容器放在了汽包內部，使它的水容器與參比水柱永遠處在飽和溫度的環境里，避免參比水柱的水溫難于測量的弊端，進而確保信

號穩定，并提供一個更加準確、穩定、可靠的差壓信號，從而使汽包水位的測量、調節與保護更加真實、可信。

內置式的平衡容器的優越性：（1）把平衡管放置到汽包內部，就會使平衡罐和引出管中的水的溫度與汽包內內飽和水的溫度相同，那么它的密度也與飽和水的密度相同。這樣，在對補償進行計算的時候，選擇參數就相對穩定了，能夠精確地計算出汽包的水位；（2）由于在汽側的取樣管上安裝了冷凝罐，能夠及時地向平衡罐里補充冷凝后的飽和水，確保在鍋爐啟動不久就能夠投入汽包水位；（3）設有備用的正壓取樣管，可以防止內置的平衡罐在出現意外的情況下，能夠將正壓表管與之連接，以防萬一。

3.3 高精度取樣電極傳感器

測量筒設置有伸高冷凝器，在取樣系統所形成水樣置換流程：飽和汽進入伸高冷凝器，冷凝產生的大量凝結水經疏水管進入水室，再經水側取樣管流向汽包。

該流程作用：（1）凝結水溫度為飽和溫度，可提高水柱平均溫度；（2）大量純凈水進入水柱，將原有部分水樣壓回汽包，水樣為有源“活水”，實現水質自動凈化；（3）在水側取樣管里是連續的流到汽包的高溫水流，在汽包的水位非常急速地升高時，從水側的取樣管中返回到水室的水溫，依然接近飽和水溫度，不僅可減小水位升降動態附加誤差，還可有效防止鍋水中臟物進入測量筒；（4）在鍋爐運行過程中，能夠不用升降汽包水位進行定期的滿水和缺水保護傳動校驗。關閉水側取樣閥門截止流向汽包的水流后，測量筒內的水位會自動上升，由于設計的冷凝水流量大，在額定工況下幾分鐘就可使測量筒“滿水”，在“滿水”過程中即完成高水位定值測量試驗及其開關量信號傳動校驗。然后開排污門放水可使測量筒“缺水”，完成低水位定值測量試驗及其開關量信號傳動校驗。

由于測量筒采取多重措施，使取樣水柱溫度與汽包內飽和水溫度相等，測量筒內的質量水位與汽包內水位相等，電極如同在汽包內檢測一樣，實現了全工況全量程高精度取樣與傳感測量。按該測量筒取樣測量監控汽包0水位長期運行，在汽包壁上所形成水跡中心線與鍋爐廠規定的0水位線偏低值不大于30mm，證實該測量筒取樣測量值已逼近汽包內實際水位，所以可保證電接點水位計用于主表監視和停爐保護的準確性、穩定性、可

信性。

與普通測量筒相比，該測量筒內的汽、水與水柱之間熱交換的熱流密度大得多，即加熱或冷卻水柱的速度快得多，故取樣水柱對壓力變化的動態響應快得多，水柱相似直徑又小得多，水位升降動態附加誤差小。

多重技術措施使取樣水柱上下溫度均勻，可減弱水位升降對電極的熱沖擊。取樣水質好，可減輕電極污染，可減弱儀表測量電流對電極的電腐蝕，可延長電極的壽命，實現3年檢修周期免排污。

配套機械柔性自密封電極專利組件，壓力愈高，機械密封愈緊，密封件有良好的回彈性能，有足夠的密封力保證不泄露，又可減小電極的預緊密封力。電極上仰安裝，可有效防止掛水。

上述技術措施的綜合，實現了測量筒高精度取樣、高可靠性傳感。

與常規電接點水位計比較，具有如下特點：（1）取樣精度高：取樣水位逼近汽包內的實際水位，主表的監視與報警的可靠性強；（2）避免了環境溫度和壓力因素的影響，既能在變參數條件下運行，又可以在點火的時候投入停爐保護；（3）壓力變化時能夠快速響應，在水位上升下降變化時的動態誤差小；（4）不用通過升降汽包的水位做水位保護的傳動校驗，校驗簡易、準確可靠；（5）電極與測量筒之間的自密封，不但有良好的密封，還方便電極的拆裝；（6）對取樣管道長度要求寬松。

4 水位測量裝置的安裝及需要注意的問題

4.1 無盲區低偏差雙色水位計

零水位定位。用水平管測量汽包中心線，中心線下220mm為汽包設計零位。

無盲區低偏差云母水位計比普通云母水位計重得多，需用與汽包上連接的槽鋼一起固定的支架支撐。

將測量筒懸吊在支架上，調整筒的高度，使無盲區低偏差云母水位計0位與汽包0水位線等高，誤差不大于3mm。

無盲區低偏差云母水位計筒體軸心線應與鉛垂線平行（偏差小于0.5度）。

在下降管上距離汽包中心線大于15m的適當位置開孔（直徑10mm）用于焊接連接排水管的加強座。

焊接的管道坡口打磨完畢，吹掃管路內部雜質，兩側管口封堵嚴密。

焊接截門、汽水側取樣管、排水管、排污管。汽、水側取樣管路中途不允許有U形彎，以免影響正常

取樣。

排水管不允許安裝在儀表管路保溫腔內。排水管道應以支架、管卡固定。排水管垂直段做好膨脹彎。

調整攝像頭的位置和距離，使水位電視顯示清晰

全面。

管道支吊架安裝后應保證管道牢固且膨脹自由。

4.2 內置式平衡容器

拆除汽包汽、水側取樣管保溫，將汽水側取樣管一次門前適當位置割下，取樣管打磨好坡口后，吹掃干凈管路并嚴實密封，嚴防雜質進入。

安裝外部冷凝罐時，管路應該向上傾斜，以利于冷凝罐中冷凝的水流入汽包內的平衡罐。

焊接的管道、插管、變徑三通等坡口打磨完畢，吹掃干凈管路內部雜質，兩側管口封堵嚴密，嚴防雜質進入，并擺放好。

安裝水側插管及三通部分時，要使三通的位置水平。

內部的平衡罐安裝：在汽包里面把插管由水側管向上穿出汽包，平衡罐的端口要保持水平。可利用汽側取樣管或者汽包壁上預留的鋼板，生根固定平衡罐及中間管路。安裝完成后測量平衡罐高度并做好記錄，作為設定變送器量程的依據和DCS公式中的參數。平衡罐安裝位置不得影響汽包門的開關。

安裝取樣器，取樣器與取樣管水平安裝，且取樣器上的孔為上的孔為上下方向。

安裝汽包外正壓、負壓側取樣管上一次門、變徑和表管至變送器，焊接前吹掃干凈表管內雜質。

在汽包內進行焊接作業，不得在汽包內壁上引弧。

整體管路焊接完畢后，對每路管路進行吹掃，確保每路管路通暢無雜質。

安裝中的注意事項：（1）冷凝罐的標高應該高于汽側取樣管的根部，要有大于1∶100的傾斜角度；（2）平衡罐應該水平放置，在完成安裝后須對其檢測（距離零水位的高度）；（3）汽包內端部水位穩定區域作為負壓側的取樣點，以免受到渦流的影響；（4）敷設取樣管時要避開高溫物體或管路，減少對差壓測量的影響。

4.3 高精度電接點水位計

水位定位。用水平管測量汽包中心線，中心線下220mm為汽包設計零位。

測量筒比普通測量筒重得多，需用與汽包上連接的槽鋼一起固定的支架支撐。

用導鏈機構將測量筒懸吊在支架上，調整筒的高度，使測量筒0位與汽包0水位線等高，誤差不大于3mm。

測量筒筒體軸心線應與鉛垂線平行（偏差小于0.5°），以確保電極不掛水。

焊接的管道坡口打磨完畢，吹掃管路內部雜質，兩側管口封堵嚴密。

按要求焊接截門、汽水側取樣管。汽、水側取樣管路中途不允許有U形彎，以免影響正常取樣。

排水管不允許安裝在儀表管路保溫腔內。排水管道應以支架、管卡固定。排水管垂直段做好膨脹彎。

電極安裝前應檢查電極芯與頭部的阻值是否為0，電極芯對電極肩盤的絕緣電阻應大于20MΩ。

石墨環多于2個反而不利于密封。清理出固定座中殘存的石墨密封碎屑后，手推電極、石墨墊、襯墊組合插入固定座底部密封函室中。應在壓蓋螺紋上涂漢高樂泰抗咬合劑后，套過電極，擰入固定座擠壓石墨密封環。

在額定壓力下自密封組件能自動產生很大的自緊力，在亞臨界壓力下自緊力可達900公斤力，不需要像普通電極組件那樣施力擰緊壓蓋，否則會使固定座的螺紋受力過載而變形，很難擰出壓蓋，甚至會損壞固定座。

5 改造后的應用情況

陜西國華錦界電廠#3鍋爐，在2012年12月份進行汽包水位測量系統的全面改造，已經平穩運行20個月。期間，所有水位計全過程、全范圍投入，測量準確、可靠。就地水位計結垢少，能夠清晰觀察水位；電接點水位計顯示準確，未發生以往的電極頻繁泄漏現象；內置平衡容器既優化布置，又做到精確地測量。應用過程中，水位測量各設備穩態時偏差不超過30mm，瞬態時不超過50mm。

參考文獻

[1] 上海鍋爐有限責任公司SG-2093/17.5-M910鍋爐使用說明書[S].

[2] 秦皇島華電測控設備有限公司水位計說明書[S].

作者簡介：石清泉（1969-），男，遼寧建平人，陜西國華錦界能源有限責任公司工程師，研究方向：鍋爐檢修與維護管理；萬太浩（1981-），男，遼寧錦州人，陜西國華錦界能源有限責任公司工程師，研究方向：鍋爐熱工控制。