湖南省火电厂锅炉汽包水位测量保护系统的调查和分析

1、湖南省火电厂锅炉汽包水位测量保护系统的调查和分析刘复平 刘武林 朱晓星（湖南省电力试验研究院热控所）【摘 要】汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数，由于配置、安装、运行及维护不当的原因，汽包水位测量系统存在测量值与实际值不符的情况，将严重影响机组的安全稳定运行。通过深入现场详细调查，对我省火电厂汽包水位测量、水位保护的状况进行了综合评价，分析了其中存在的问题，并根据有关规程及安评的要求提出了建议，以确保锅炉的安全运行。【关键词】汽包水位、测量、保护、调查Abstract:Drum level is an important parameter of boiler operation.If dr

2、um level be configured,installed,operated, or maintained by mistake,discrepancy between measurement and actual value would occurred,and power unit could not be operated safely.Based on detailed field survey,the comprehensive evaluation of drum level is measurement and protection system in Hunan Prov

3、ince is conducted,and the problems among it are analyzed.Finally,the paper gives some advice according to related codes.Key words:Drum Level,Measurement,Protection,Survey1 汽包水位测量系统概述汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数，如果锅炉汽保水位过高，会降低汽水分离装置的分离效果，造成汽包出口饱和蒸汽中含水过多，含盐浓度增大；如果汽包水位过低，可能破坏水冷壁管束中的水循环，使上升管得不到炉水冷却。为保证锅炉的安全，正常运行的

4、汽包水位须维持在50mm内变化。湖南省电力试验研究院根据防止电力生产重大事故的二十五项重点要求第8条（简称二十五项重点反措）“防止锅炉汽包缺水、满水事故”和国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)（国电发2001795号）（简称国电汽包水位若干规定）、火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定（DRZ/T01-2004）（以下简称汽包水位技术规定），对省内主要火电厂8台超高压、10台亚临界自然循环汽包炉的汽包水位测量、保护系统进行调查，掌握各机组汽包水位测量系统配置、安装、运行、维护及水位保护的情况，落实有关规程及安评的要求，完善了水位保护功能，确保了锅炉的安全运行。

5、汽包水位的测量方式主要有两种，一是根据参比水柱高度差值的原理测量，使用差压计将汽包水位对应的水柱所产生的压强与参比水柱所产生的压强进行比较，根据测得的差压值转换为汽包水位，差压式水位测量装置使用该方法。二是根据连通管测量原理，直接测量汽包水位，就地水位计及电极式水位计使用该方法。1.1差压式水位的测量原理汽包水位差压测量方法如图1所示，其中H为平衡容器中心线至下取样孔的距离，A为汽包零水位到平衡容器中心线的距离，B为汽包零水位到下取样孔的距离，h为实际水位与零水位线的差，a为参比水柱密度，w为饱和水密度，s为饱和蒸汽密度。由力平衡原理可得到等式：p=Hag-(A-h)sg-(H-A+h) wg

6、经推导可得：h=A+H (a-w)/( w-s)- p*103/(w-s)经转换汽包水位计算公式一：h=A-p-H*f1(p)*f2(p)，其中p为汽包压力，f1(p)=(a-w) /103，f2(p)= 103/(w-s)。也可以转换为公式二：h=f3(p)*H-p* f2(p)-B，其中p为汽包压力，f3(p)= f1(p)+1/ f2(p)= (a-s)/ 103。这两个汽包水位计算公式在省内各机组都有应用。H：mmA：mmB：mm p：mmH2Oh : mm p：MPa s：kg/m3 w：kg/m3 a：kg/m3图1 汽包水位差异测量1.2汽包就地水位计的测量原理就地水位计及电极式

7、水位计测量原理非常简单，它采用的是连通管式测量方法。虽然汽水侧取样管及连通管本身都有保温层，但连通管内水的温度总是低于炉内饱和水温度的，因此它的密度高于炉内饱和水密度的，根据力平衡原理，连通管内水的液位一定低于汽包的实际水位的，这个偏低值取决于两个参数：汽包压力和连通管内不饱和水的温度。2汽包水位测量、保护系统的情况2.1汽包水位测量系统的配置情况 在我们调查的锅炉中，8台125MW200MW级的超高压锅炉和6台2001年前投产的300MW级亚临界自然循环汽包炉，原设计采用电极式水位计做水位保护，差压水位计用于汽包水位调节，从2001年开始，逐步改造使用了差压水位计做水位保护。还有4台300M

8、W亚临界自然循环汽包炉系2003年以后投产的，一开始就使用了差压水位计做水位控制和保护。 这18台锅炉,现在都配置有12对就地水位计、12对电极式水位计用于显示，3对用于控制与保护的差压水位计，有的锅炉还安装有1对差压式高值水位计用于锅炉上水和停炉时的高水位显示。锅炉汽包水位的调节、报警和保护分别取自3个独立的差压变送器进行逻辑判断并进行了压力修正后的信号。6台2001年前投产的300MW亚临界自然循环汽包炉出厂时汽包上只有4对独立的水位测量取样孔（不计高值水位计的取样孔），给水位计安装使用带来了不便，存在不同水位计共用水位测量取样孔的问题。2.2就地水位测量装置的安装、使用情况 就地水位计采

9、用的是连通管式测量方法，要提高水位计测量的稳定性和准确性，需要稳定连通管内不饱和水的温度。所以就地水位计测量的准确度很大程度取决于水位计连通管的保温情况和汽水侧取样管的倾斜度（保证连通管内不饱和水有一定的循环倍率）。现有的大多数就地水位计的保温情况都不太理想，特别是牛眼式和云母就地水位计更是不理想，10台300MW亚临界汽包炉的电极式水位计的保温情况好一些。保温情况的差异，导致许多锅炉的就地水位计之间的测量偏差较大。 由于连通管内水的温度总是低于炉内饱和水温度的，密度高于炉内饱和水密度，根据力平衡原理，连通管内水的液位一定低于汽包的实际水位，汽包水位技术规定 4.10.1款的要求：应根据锅炉汽

10、包内工作压力重新标定就地水位表的零水位线。在调查中发现，还有相当一部分锅炉的就地水位计和电极式水位计的零水位线均为实际零水位线，没有进行重新标定。2.3差压式水位测量装置的安装、使用情况所有锅炉的差压式水位测量装置的平衡容器都为单室平衡容器，有球体或球头圆柱体，也有相当一部分为圆柱体，容积都满足要求，只要耐压足够，圆柱体也可以使用。 有一部分锅炉的差压式水位测量装置取样管安装不规范，有的呈“厂”字型的，有的倾斜度不足，甚至有个别差压水位计取样管基本上水平。 判断差压式水位计取样管的倾斜度是否足够，可以使用红外测温仪测量正在运行的单室平衡容器的外壁温，如果上下壁温差足够大，就可以认为取样管输水通

11、畅，倾斜度满足要求。现在使用的差压变送器，其准确度等级已达到0.1级，水位测量范围大小已经不影响测量汽包水位的准确度，在安装取样管时可以增加倾斜度，以保证输水顺畅。引到差压变送器的两根管道，技术规定4.9款要求平行敷设共同保温，并根据需要采取防冻措施。对于平行敷设不少人理解为水平敷设，其实为保证管道中的汽泡及时排出，管道应有不小于100：1的倾斜度，同时管道走向不要太复杂了，变送器离取样系统之间的距离最好控制在6米以内。有一个值得注意的问题，不少锅炉汽包水位计算公式中的安装尺寸（H、A、B值）设置值，三个差压式水位计完全相同，为锅炉厂提供的安装设计值，其实，由于水位计安装位置不同，取样管的长度

12、也有一定的区别，各水位计的实际安装尺寸与设计值是有偏差的。应在安装完成后，精确测量取样管，平衡容器的安装尺寸，是否符合有关规程，然后将具体的安装尺寸设置在汽包水位计算公式中。且差压变送器的量程设置要比H值有20%以上的裕度。 与就地水位计类似，差压式水位计的保温工作也存在问题：主要是取样阀门没有保温，引到差压变送器的两根管道没有保温，或者两个差压变送器的管道和汽包压力变送器的管道保温在一起，个别炉还有差压式水位计参比水柱被保温的现象。 差压式水位测量装置进行温度修正所选取的参比水柱平均温度应根据现场环境温度确定，并且应定期根据环境温度变化对修正回路进行设定。这一项工作目前开展得不够好，除最近投

13、产和进行汽包水位改造的计算公式中对参比水柱平均温度，设置三种不同环境温度，用人工进行选择，满足温度修正的要求。其它炉的水位计计算公式中均是假设水柱温度为50或60，没有进行温度修正。2.4水位保护逻辑情况 各火电厂的气包水位保护逻辑在2003年以前，基本上都采取DCS厂家提供的三取中或简单的三取二逻辑，在进行安评工作后，逐步进行了整改。引入了汽包水位测点质量校验坏作为退出某点水位保护的判断条件，即用DCS的质量校验模块判断某点水位需退出运行时，即将其模拟量值转化为0，同时发汽包水位质量坏信号；在水位保护组态中，当无任一汽包水位质量坏时，三个水位高（低）三值信号三取二，当有该信号时，三个水位高（

14、低）三值信号三取一；当三个汽包水位测点质量都坏时，直接停炉。汽包水位保护逻辑均满足二十五项重点反措的要求。 在调查中还发现，一些厂的汽包水位测量信号处理在MCS系统中，水位保护的逻辑在FSSS系统中，两者之间有不少网络通讯信号，从安全性的角度，建议将水位保护的逻辑判断做在MCS系统中（汽包水位测量信号在该系统中），FSSS系统中只进行汽包水位MFT动作条件。2.5各种水位计的测量值偏差情况在对汽包水位进行调查时发现：大部分锅炉的三个差压水位计之间偏差较小，大部分时间偏差小于30mm，可信度较高，运行人员普遍反映良好，但是不同类型水位计之间往往偏差较大。差压水位计与就地水位计的偏差较大，一方面是

15、汽包的工作压力一般不在额定压力下，另一方面主要的原因是就地水位计连通管的不饱和水的温度与保温情况相关，连通管的保温情况因为检修等原因是变化的，因此经常出现差压水位计与就地水位计的偏差较大的情况，解决的方法是要加强就地水位计的保温工作。 耒阳3、4号炉的三个差压水位计正常情况下偏差较小，但有时偏差较大，引起偏差较大的原因主要是耒阳电厂的“W”火焰锅炉单个火咀负荷大，出现过燃烧原因导致炉膛火焰中心偏移引起汽包两端循环倍率不同，使汽包两端实际水位短时间出现偏差大的情况。这偏差也反映了炉膛火焰中心偏移引起汽包水位偏差200mm的情况，这样偏差需要通过调整燃烧来解决。2.6水位测量新技术的应用情况湘潭电

16、厂1、2号汽包两侧只有4对独立的水位测量取样孔，长期以来2套电极式水位计分别与2套差压式水位计共用水位测量取样孔。在无法增加汽包水位测量取样孔的情况下，为使共用1对取样孔的电极式水位计和差压式水位计互不干扰，最近采用了多测孔技术，将电极式水位计和差压式水位计的取样孔分开，取得了较好的效果，值得同类型汽包的推广使用。 3汽包水位测量、保护系统的总体情况和建议湖南省各主要火电厂的锅炉汽包水位测量系统在防止电力生产重大事故的二十五项重点要求（国电发（2000）589号文）和电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定（国电发（2001）795号文）发布以后，进行了大量的整改，总体情况较好，测量准确度较高，保护设置基本合理，为保护机组的安全运行创造了条件。但是由于经验和理解上的差异，每台机组都存在一些问题，需要整改。 水位测量系统安装中存在大量安装不规范的问题，建议以后在水位系统安装时，应由具有丰富机械安装经验的人员把关，以保证安装质量。对水位计的保温工作应引起足够重视，有关技术人员对保温的人员交底工作一定要做好。部分锅炉的老式电极式水位计，它的电极在零水位线分布较密，连通管的上下开孔对应于汽包上的取样孔，如果降低零水位线则连通管的上部需要加长，部分区域将无电极，下开孔将在有电极的区域，影