循環流化床鍋爐汽包水位測量中的問題分析與改進

郭建文

(甘肅銀光化學工業集團有限公司儀表計量檢測中心,甘肅 白銀 730900)

循環流化床燃燒技術是近幾十年來發展起來的一項潔凈煤燃燒技術，具有高效和低污染的特點，有利于改善劣質煤的燃燒問題并減輕硫化物的排放。為了保證循環流化床鍋爐的安全平穩運行，必須對鍋爐的過程工藝與設備采取有效的控制，其中鍋爐汽包水位測量對保障鍋爐安全運行起著非常重要的作用。但由于循環流化床鍋爐汽包內的測量環境比較復雜，實現汽包水位測量存在一定的難度，同時鍋爐汽包水位測量技術尚有不完善之處，為此筆者對循環流化床鍋爐汽包水位的測量進行分析研究，制定測量改進方案，以提高循環流化床鍋爐汽包水位的測量準確性。

1 循環流化床鍋爐簡介①

循環流化床鍋爐是一種新型的燃用固體燃料(如煤)的鍋爐，固體顆粒(石灰石、砂粒及爐渣等)在爐膛內以一種特殊的氣固流動方式運動，離開爐膛的顆粒又被分離并送回爐膛循環燃燒。

循環流化床鍋爐可分為兩部分：第一部分為流化床燃燒室，由氣固分離設備(分離器)、固體物料再循環設備(返料裝置和返料器)及外置換熱器等組成，這些設備形成了一個固體物料循環回路；第二部分為尾部對流煙道，布置有過熱器、再熱器、省煤器及空氣預熱器等，與常規火炬燃燒鍋爐相近[1]。

2 汽包水位測量

2.1 汽包水位測量的特點

鍋爐汽包滿水、缺水事故是長期困擾鍋爐安全運行的重大惡性事故，因此保證循環流化床鍋爐汽包水位測量的可靠、準確顯得非常重要，保持鍋爐汽包水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要安全指標。但由于鍋爐汽包內工藝環境條件復雜，汽液兩相共存，汽包內壓力高且壓力隨運行工況可變，燃燒負荷、燃燒工況與給水流量變化都會引起汽包水位的改變，這給汽包水位的準確測量和控制帶來一定的困難。

鍋爐汽包內水位不平穩。鍋爐在運行控制過程中由于各蒸發受熱面、受熱工況的波動和負荷的變化，造成進入汽包的汽水混合物中汽水比例不斷發生變化，同時由于負荷的變化汽包內各點的壓力也處于不斷的波動變化中，最終導致汽包內水位不平穩。

鍋爐汽包內汽液兩相共存。盡管汽包內裝有汽水分離裝置，但汽包中的水還是存在氣泡；蒸汽中也含有水滴，特別是在汽水界面附近，蒸汽和水兩相共存；而且在鍋爐汽包垂直方向上蒸汽濕度變化率不一致，造成汽水分界面模糊不清，導致汽包內水位測量困難。

鍋爐汽包內存在虛假水位。一般來講，一個設備或其他容器內的液位是比較穩定、直觀而且容易測量的，但鍋爐汽包內的液位由于負荷與燃燒工況的變化，導致其存在虛假水位。

通常情況下，汽包水位在給水流量的作用下，水位變化反映了給水量與蒸發量的物質平衡情況。當給水量小于蒸發量時，水位下降；當給水量大于蒸發量時，水位上升。但是當鍋爐蒸汽負荷突然增大時，蒸汽流量突然增加，在燃料量不變的情況下，根據物料平衡關系，水位變化應該降低，但實際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間導致汽包內壓力下降，汽包內水沸騰加劇，水中氣泡迅速增加，產生短暫的水位升高，與物質平衡原則相違，此時上升的水位即為虛假水位；反之當鍋爐負荷突然下降時，蒸汽流量減少，也會出現短暫的水位下降，然后上升，出現虛假水位。虛假水位的出現會造成控制系統的誤動作，給控制帶來困難。因此應認識其規律，采取相應的措施[2]。

由于鍋爐汽包水位測量的特殊性，因此應選擇合適的水位測量儀表與測量方案。

2.2 汽包水位測量儀表

常用的水位測量儀表有差壓式液位遠傳測量儀表、就地顯示玻璃板式水位計和電接點水位計。

差壓式液位遠傳測量儀表一般由遠傳差壓變送器、取壓導管和平衡容器(一般用雙室平衡容器)組成。通過測量汽包內水位的壓差，將水位信號轉換為壓差信號來實現水位的測量。遠傳差壓變送器一般采用目前測量技術成熟的二線制差壓變送器，供電24V(DC)，輸出標準4～20mA信號。差壓式液位遠傳測量儀表系統的一個關鍵部件是雙室平衡容器。平衡容器主要有單室平衡容器和雙室平衡容器，其主要作用是實現汽包水位與壓差之間的準確轉換。雙室平衡容器由于其結構的合理性，在實際使用中采用得比較多。簡單雙室平衡容器測量取壓回路如圖1所示。

圖1 簡單雙室平衡容器測量取壓回路

汽包內的蒸汽在雙室平衡容器凝氣筒A內不斷凝結變為液態，多余的冷凝液通過平衡容器上接管溢流回汽包內，因此凝氣筒A內的液面總是保持恒定，筒內的液體可作為參比水柱(即測量的基準)，接差壓變送器的正壓室，正壓室的壓力是恒定的。倒T字形連通器，其水平部分一段接入汽包，另一端接入變送器的負壓室，負壓側的水柱高度則隨汽包水位H而變化，它的主要作用是將汽包內的動態水位產生的壓力傳遞給差壓變送器的負壓室，與正壓室(參比水柱)壓力比較從而得到汽包中的水位。

從圖1中可以看出，鍋爐汽包在正常運行時雙室平衡容器凝氣筒A內必須滿水且保持恒定，這樣參比水柱才能恒定，且基準保持不變。

就地顯示玻璃板式水位計屬于就地顯示液位計，其液位直觀、測量原理簡單，根據連通管的原理顯示汽包內的水位。

電接點水位計是利用汽水介質的電阻率相差很大的性質來實現水位測量的，屬電阻式水位測量儀表，其突出優點是指示值不受汽包壓力變化而影響，能準確反映水位情況，結構簡單，應用比較廣泛[3]。

2.3 汽包水位測量方案

根據火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統的技術規定，鍋爐汽包水位測量系統必須利用兩種或兩種以上工作原理共存的配置方式。因此，鍋爐汽包水位的測量至少應配置獨立的就地顯示玻璃板式水位計、差壓式液位遠傳測量儀表和電接點水位計，并且每個水位測量裝置都應有獨立的取樣孔。不得在同一取樣孔上并聯多個水位測量裝置，避免相互影響，降低水位測量的可靠性。

差壓變送器鍋爐汽包水位測量系統如圖2所示，主要由差壓變送器、雙室平衡容器、引壓管及排污管等組成。汽包水位測量系統中，水位越高，壓差越小，輸出信號越小：4mA時對應滿水位，20mA時對應零水位。

3 案例分析

3.1 汽包水位測量運行情況

甘肅銀光化學工業集團有限公司近幾年通過投資項目先后新建了4臺30t循環流化床鍋爐，其中4#、5#鍋爐汽包水位計自投運以來一直運行不正常，問題反復出現，維護人員維護工作量大，尤其是4#鍋爐汽包水位計存在運行和維護安全 隱患，但是一直沒有找到水位計運行不正常的核心問題。

圖2 差壓變送器鍋爐汽包水位測量系統

4#、5#鍋爐為單汽包流化床鍋爐，每臺鍋爐汽包分別配置兩臺遠傳差壓液位計、兩臺玻璃板水位計和一臺電接點水位計。運行過程中經常出現兩臺遠傳差壓液位計讀數不穩定、讀數不一致的情況；兩臺玻璃板水位計的其中一臺讀數相對比較穩定，經與實際確認讀數也較準確，另一臺玻璃板水位計讀數不穩定、跳動較大；而且兩臺遠傳差壓液位計和兩臺玻璃板水位計經常出現讀數不一致的情況，導致鍋爐汽包水位給水控制一直未能實現自動控制。

3.2 存在的問題

根據上述現象，對所運行鍋爐的所有水位計進行調研，發現4#、5#鍋爐汽包水位計存在較多問題，查閱4#、5#鍋爐相關設計圖紙，經分析發現，造成循環流化床鍋爐水位計運行不正常的原因主要有以下兩方面：

a. 雙室平衡容器工作不正常。引起雙室平衡容器工作不正常的主要原因是排污閥漏水、凝氣筒中的水漏光、取壓管與取壓閥門配置不合適。

b. 鍋爐汽包水位取壓點不合適。4#、5#鍋爐所有水位計取壓位置都在鍋爐汽包的中部，然而鍋爐汽包中部測量環境條件較差，造成汽包內水位計測量不穩、不準，導致汽包水位計不能正常工作。

改造前汽包水位測量系統回路如圖3所示。

圖3 改造前汽包水位測量系統回路

3.3 分析研究

為了驗證上述造成汽包水位計運行不正常的原因，在前期調研的基礎上制定了試驗方案，并在4#鍋爐進行了試驗驗證，試驗結果與發現的問題如下：

a. 差壓液位儀表運行正常且滿足測量要求。

b. 4#鍋爐兩臺水位計的雙室平衡容器排污閥與正負壓室排污閥均漏水且設置不合理，造成雙室平衡容器凝氣筒內液態水泄漏，參比水柱不恒定，導致水位測量不準、不穩。

c. 在排除鍋爐汽包排污閥與雙室平衡容器正負壓室排污閥均漏水的問題后，在沒有汽包的情況下雙室平衡容器與差壓液位計測量回路正常，測量準確、穩定。

d. 在排除鍋爐汽包排污閥與雙室平衡容器正負壓室排污閥均漏水的問題后，在靜態(不產蒸汽)情況下，對鍋爐汽包加減水，確認鍋爐汽包、雙室平衡容器和差壓液位計測量回路均正常；玻璃板液位計工作正常；兩臺差壓液位計、兩臺玻璃板液位計和DCS系統操作面板液位顯示數據基本一致。

e. 在動態(產蒸汽)情況下，鍋爐汽包水位計運行不穩定，是由于鍋爐汽包液位計取壓點不合適和測量環境不穩定造成。

f. 差壓液位計未增加取壓手閥，給后期維護帶來不便。

通過以上試驗分析，在鍋爐正常運行中雙室平衡容器凝氣筒內一直要充滿液態水才能保證水位測量準確、穩定，鍋爐在長時間停爐后重新點爐運行前必須檢查雙室平衡容器凝氣筒內是否為滿水位，否則要通過注水孔加滿水；鍋爐水位計取壓口一定要選擇汽包內環境相對比較平穩的地方(如汽包兩端)。

3.4 整改方案

對4#、5#鍋爐汽包雙室平衡容器正負壓室排污閥方案重新進行設計，排污閥只保留一個，進行直排，不與鍋爐其他排水系統相連。當排污閥泄漏時可及時發現，避免雙室平衡容器凝氣筒內液體外漏，優化排污管線與排污閥。差壓液位計應增加取壓手閥，以方便后期的維護，取壓管配置應盡可能短。選擇合適的汽包水位計取壓點，這在鍋爐建成汽包安裝完畢后實現比較困難，因此最好在汽包加工制作前選擇好水位計的取壓點。鍋爐高溫、高壓處所使用的閥門按規定應選擇高溫、高壓閥門，以防泄漏。改造后汽包水位測量系統如圖4所示。

按照整改方案改造后的汽包水位測量系統，兩臺差壓液位計運行平穩，水位讀數準確一致；兩臺差壓液位計與兩臺玻璃板水位計讀數一致，且能實現鍋爐汽包水位的自動控制聯鎖。

4 結束語

循環流化床鍋爐汽包水位測量由于其測量環境的復雜性與不確定性，水位測量技術有待于進一步改進與完善，對鍋爐汽包水位測量的認識需進一步提高。鍋爐汽包水位作為鍋爐運行的一個

圖4 改造后汽包水位測量系統

重要參數，對鍋爐的安全運行起著非常重要的作用，在實際鍋爐運行操作中要引起足夠的重視，保證汽包水位測量系統正常運行，測量準確、可靠，并嚴格按照相關標準規定進行操作。同時，應加強盤面操作人員、現場操作人員和工程技術人員對循環流化床鍋爐原理結構和使用維護保養運行的學習，保證鍋爐安全運行，并在實際生產中發揮循環流化床鍋爐的更大效率。

[1] 張力.鍋爐原理[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 路春美,程世慶,王永征,等.循環流化床鍋爐設備與運行[M].北京:中國電力出版社,2008.

[3] 張東風.電廠熱力過程自動化[M].北京:中國電力出版社,2011.