電站汽包液位控制的溫壓修正

陳磊

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

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電站汽包液位控制的溫壓修正

陳磊

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

蒸汽作為工業領域的三大動力源之一，與電力相比更具有可靠、可控、能量巨大的特點，因而蒸汽的用途十分廣泛。目前蒸汽的主要功能還是做功(例如蒸汽透平、汽輪機發電等)，通常由蒸汽帶動的設備都是工廠的核心，每時每刻都必須正常運行，一旦停運會造成不可估量的損失。蒸汽主要來源是鍋爐，是化工生產中不可或缺的重要設備。

鍋爐汽包液位保持正常可控既是生產過程的主要工藝指標，同時也是保證鍋爐安全運行的重要條件之一。如果液位過高，由于汽包上部的空間減小，從而影響汽、水分離，使蒸汽帶液，不僅降低蒸汽的產量和質量，而且還會造成汽包結垢或汽輪機葉片損壞，引起事故；當液位過低時，輕則影響汽、水平衡，重則燒干鍋爐，嚴重時會導致鍋爐爆炸。又因為汽包容積小，且橫截面積中間大、上下小，所以當液位偏離正常的中間值時，會越變越快，因而對汽包的液位必須進行自動調節。筆者就汽包液位控制相關的管道安裝、儀表選型以及控制組態、實際運行狀況作簡要闡述。

1汽包液位檢測

根據DRZT 01—2004《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定》，汽包液位的測量至少采用以下三種方式： 2個雙色(紅綠)水位計(加工業電視監視)、2個電接點水位計以及3個差壓式液位變送器(配單室平衡容器)。

1) 雙色水位計是一種就地顯示儀表，如圖1所示。通電工作后由光源發出的光通過紅、綠濾色鏡片，射向水位計本體液腔，在腔內汽相部分，紅光射向正前方，而綠光斜射到壁上被吸收，而在腔內液相部分，由于水的折射使綠光射向正前方，而紅光斜射到壁上，所以在正前方觀察，顯示汽紅水綠。雙色水位計在電廠水位監視系統設計過程中是常用的一種儀表，簡單實用，但也有其自身的缺點： 鍋爐正常運行時，就地水位計中水溫與汽包中水溫有差別，就地水位計顯示的水位不同于汽包中的水位，此差值受汽包壓力、就地水位計的保溫條件等因素的影響。

圖1　雙色水位計工作原理示意

2) 電接點水位計具有結構簡單、顯示直觀、維護量較小的特點，作為可以遠傳的就地儀表廣泛地應用在各種容器的水位測量上。電接點水位計同樣是利用連通器的原理進行測量，它將汽包水位反映到測量筒內，利用安裝在測量筒內的電極對汽、水導電性能的差別，分別點亮不同的紅燈、綠燈來顯示汽包水位。可采用保溫、加熱等辦法克服電接點水位計偏差大的缺陷，使水樣平均溫度逼近汽包內飽和水溫，取樣水柱逼近汽包內水位，使電極如同在汽包內部一樣檢測，以提高水位測量精度。如今市面上也出現直接安裝在汽包內部的耐高溫電接點水位計，其測量精度比目前傳統電接點高，將來可能成為可靠的水位安全聯鎖信號源。

3) 第三種液位檢測手段是差壓液位變送器，儀表的檢測原理同普通差壓變送器，在這里不再贅述。差壓液位變送器安裝要求如圖2所示。

圖2　差壓液位變送器安裝示意

2相關參數關系

變送器汽側取樣管上安裝平衡容器，容器側面水平引出管線接至汽包的汽側取樣孔，容器底部垂直引出管線至差壓變送器的負壓側。為了避免汽包水位變化時，平衡容器內水位變化影響測量水位的準確性，一般情況下平衡容器內的水面積在50cm2以內就能完全保證汽包水位測量的準確性，即采用直徑10cm的球形容器做平衡容器就已經足夠了。該項目平衡容器選用DN100的規格。平衡容器前的汽側取樣管、水側取樣管的水平段、取樣閥門應保溫，平衡容器及其下部形成參比水柱的管道不應保溫，引到差壓變送器的2根管道應平行敷設、共同保溫，并在冬季加溫度可控的伴熱(但要防止過度伴熱)，差壓變送器應就近安裝在保溫箱內。

以上方法是目前國內主流的汽包液位檢測方法，根據《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》規定： 對于過熱器出口壓力為13．5MPa及以上的鍋爐，其汽包水位計應以差壓式(帶壓力修正回路)水位計為基準。在實際的生產過程中，如果只參考水溫做出液位判斷是不準確也不完整的，不同氣壓下汽包水位產生的差壓值的實驗數據見表1所列。

表1　不同氣壓下汽包水位產生的差壓值　kPa

從表1中可以看出，對應正常水位的差壓值會隨著鍋爐汽壓的升高而改變，不進行壓力修正是無法正確測量汽包水位的。此外，鍋爐壓力升高后，同樣的汽包水位變化值所對應的壓差變化減小。汽包水位變化±400mm，在大氣壓下壓差的變化為8kPa，而壓力上升到19MPa時壓差的變化僅為2.96kPa。而且水位越高，壓差受壓力的影響越大；水位降低后，壓差受壓力的影響就較小。由此可見，壓力變化會給差壓式水位表帶來相當大的測量誤差。但是，該誤差只源于壓力的變化，而且是有規律可循的。所以，在差壓式水位表的測量回路中引入壓力修正，就可以將上述誤差完全修正。壓力修正的原理如下：

Δp×102=Hρa-(A-h)ρs-[H-(A-h)]ρw=

H(ρa-ρw)+(A-h)(ρw-ρs)

(1)

或Δp×102=Hρa-(B+h)ρw-[H-(B+h)]ρs=

H(ρa-ρs)-(B+h)(ρw-ρs)

(2)

式中：H——水側取樣孔與平衡容器的距離，mm；A——平衡容器與汽包正常水位的距離，mm；B——水側取樣孔與汽包正常水位的距離，mm；h——汽包水位偏離正常水位的值，mm；Δp——對應汽包水位的差壓值，Pa；ρs——飽和蒸汽的密度，kg/m3；ρw——飽和水的密度，kg/m3；ρa——參比水柱的密度，kg/m3。

式(1)和式(2)中，H，A和B都是常數；ρs和ρw是汽壓的函數，在特定汽壓下均為定值；ρa除了受汽壓的影響外，還和平衡容器的散熱條件與環境溫度有關，當汽壓和環境溫度不變時，其值也為定值。這時，差壓只是汽包水位的函數。

根據式(1)：

h=A-Δp×102/(ρw-ρs)+H(ρa-ρw)÷

(ρw-ρs)=A-[Δp×102-H(ρa-ρw)÷

(ρw-ρs)

(3)

根據式(2)：

h=H(ρa-ρs)/(ρw-ρs)-Δp×102÷

(ρw-ρs)-B=[H(ρa-ρs)-Δp×102]÷

(ρw-ρs)-B

(4)

令F1(x)=(ρa-ρw); F2(x)=1/(ρw-ρs); F3(x)=(ρa-ρs);

代入式(3)，得：

h=A-[Δp×102-HF1(x)]F2(x)

(5)

代入式(4)，得：

h=[HF3(x)-Δp×102]F2(x)-B

(6)

根據式(5)，用以下修正回路可將汽包水位測量時受汽壓影響造成的誤差修正，如圖3所示。

圖3　汽包水位受汽壓影響修正誤差注：　∑——加法器；×——乘法器；F(x)——函數發生器；SG——信號發生器

根據式(6)的汽壓修正回路同圖3所示一樣，將圖中F1(x)改為F3(x)即可。

取樣管在安裝時要求汽包側低于平衡容器側，飽和蒸汽從汽包進入溫度較低的平衡容器后會不斷凝結成水，溢出的水因重力而流回汽包。容器內表層的水溫必然接近飽和溫度。平衡容器及其下部管道受到環境溫度的冷卻，因而隨著高度的下降，參比水柱的溫度會很快地下降到接近環境溫度。參比水柱的平均溫度會高于環境溫度但遠低于飽和溫度其準確確定還需要進行必要的試驗和計算工作。目前，已知國外用戶使用差壓式水位表測量汽包水位時，參比水柱的平均溫度是按常數考慮的，一般使用的常數為50 ℃或60 ℃。進口機組的運行實際證明，這種方式是可行的，因而現行鍋爐基本采用該方式。表2列出參比水柱平均溫度按60 ℃計算的函數發生器參數。

表2　函數發生器參數

3液位控制方案

為了實現合理給水，保證鍋爐有穩定的蒸汽產量，同時保證汽水分離的效果，需嚴格控制鍋爐給水。鍋爐給水調節閥是控制的關鍵環節，工藝管路上一般有2個調節閥，分別為主給水調節閥、輔助給水調節閥，而對于一些300MW以上能力的鍋爐還會增加專門的開工上水調節閥。汽包液位控制模式采用單沖量控制和三沖量控制相結合的方式。單沖量控制模式下，鍋爐的給水控制即汽包水位控制： 汽包水位的3個水位變送器測得值，通過壓力補償后取中間值作為測量值。設定值與測量值的差值進入比例積分控制器(單沖量給水控制器)，控制器的輸出進入自動切換站，控制給水。

三沖量控制模式下，鍋爐的給水控制是關于給水流量、汽包水位和蒸汽流量這3個變量的控制，具體的組態控制如圖5所示。

圖5　單/三沖量組態示意

3個變送器的測量值經過壓力補償后取中間值，與設定值的偏差進入比例積分控制器(單沖量給水控制器)，輸出進入加法器，與前饋信號主蒸汽流量求和。加法器的計算結果是三沖量給水控制器的設定值，與給水流量一起作為該控制器2個輸入信號。三沖量控制器的輸出與單沖量控制器的輸出同時進入自動切換站。自動切換站接收到分別來自單沖量給水控制器和三沖量給水控制器的給水需求信號，且基于下列條件進行自動切換： 鍋爐負荷上升時，當鍋爐負荷增加到大于30%BMCR時，鍋爐給水控制由單沖量給水控制自動切換到三沖量給水。鍋爐負荷下降時,當鍋爐負荷減少到小于20%BMCR時，鍋爐給水控制由三沖量給水控制自動切換到單沖量給水。自動切換的邏輯判別是通過RS觸發器(復位優先)實現的。自動切換站的輸出信號分別進入兩個函數發生器來實現給水的分程控制。30%以下時給水全部由輔給水調節閥提供，40%以上時全部由主給水調節閥提供，30%～40%作為2個調節閥的切換區域，這樣就避免了調節閥的開度有過大的變化而引起給水流量的不穩定。

如采用神經網絡內模控制器NNC和魯棒反饋控制器RC等先進控制算法，還能將負荷控制引入液位控制中。其原理是當下游用汽量、燃煤成分、給水溫度等影響負荷的因素發生變化時,通過前饋控制作用于被控對象,保證在控制初化的情況下系統仍然具有良好的調節品質。

4液位檢測技術的改進

除了采用成熟的DCS三沖量控制，還能對液位檢測儀表加以改進。傳統的雙色水位計、電接點水位計經過了無數工程的實際驗證，但也不乏出現一些新的檢測技術，例如進口的磁翻板液位計，20世紀90年代末開始應用于上海楊樹浦電廠350 ℃，12MPa的工況下，使用至今未出現大的問題；廣州某電子科技有限公司外貼式液位計，根據回波檢測原理檢測液位，無需接觸介質，直接在罐體外壁測量(適用溫度-30～300 ℃、任何壓力)；還有歐系品牌導波雷達測量汽包旁通管內的液位，也能得到汽包液位的變化數值。高溫高壓浮筒液位變送器能承受鍋爐汽包的惡劣工況，其原理是根據介質中浮筒所受浮力大小的變化來測量液位，在理論上可以很好地克服虛假液位發生時介質密度急劇變化引起的測量偏差。

5總結

所有的新技術在全面推廣應用前都需經過廣泛工程實踐，累積大量業績和經驗，筆者建議在工程設計中應根據不同汽包工況謹慎使用。至于汽包液位控制的組態方案，各大科研院所及工程公司還在積極努力研究中，希望不久的將來能在汽包液位控制這個傳統領域有所突破。

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摘要：針對汽包液位控制采用差壓法檢測存在蒸汽密度變化引起測量不準的問題，特別是出現虛假水位時不進行溫壓補償，測量會嚴重偏離實際值的現象，采用經汽包壓力和溫度修正的液位值以及三沖量互相配合來實現液位穩定控制。通過對某動力中心鍋爐運行現狀的調查，可以看出帶壓力修正以及配合三沖量控制的汽包水位控制相對穩定可控。

關鍵詞：虛假液位溫壓修正三沖量差壓法變送器

Temperature and Pressure Correction Applied in Power Plant Drum Level ControlChen Lei

(Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd., Ningbo, 315103, China)

Abstracts： Aiming at problem of measurement uncertainty caused by vapour density changing with differential pressure detecting for drum level control, especially the measuring result will deviate from actual data seriously when false liquid level appears if temperature and pressure are not compensated. To avoid this kind of situation, the method of level with pressure and temperature compensation combined with three-impulse control is adopted to realize stable level control. Through investigation of a dynamic operation situation of certain power plant, it is found drum level is relatively stable and controllable under pressure compensation combined with three-impulse control.

Key words：false liquid level; temperature and pressure compensation; three-impulse control; differential pressure; transmitter

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0041-04

作者簡介：陳磊(1982—)，男，2005年畢業于華東理工大學自動化專業，獲工學學士學位，現就職于中石化寧波工程有限公司，從事石油化工自動化工程設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-01-06，修改稿收到日期： 2015-04-16。