锅炉汽包水位测量系统方案

电接点水位计
电接点式汽包水位测量装置的测量筒的示意图如下图所示，它是 一种基于联通管式原理的测量装置，与普通就地云母水位计(或双色水 位计)不同之处在于测量筒内有一系列组成测量标尺的电极，由于汽、 水电导率的很大差别，造成处于汽和水中的电极电阻值有很大差别， 以此来判断电极是处于水空间，还是处于汽空间。利用多个电极即可 判断当前的水面位置。
2000日国家电力公司颁发了防止电力生产重大事故的二十五项重点要求并随后于200121日针对其中汽包水位测量系统专门颁发了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2004年由电力行业热工自动化标准化技术委员会负责编制了火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定简称技术规定
锅炉汽包水位测量系 统
当红、绿光以不同的角度由空气射入前面一个玻璃窗口进 入蒸汽空间，在通过后面一个玻璃窗口射到空气中时，虽 然光线产生多次折射，但光线方向改变不大，如图a。这 是红、绿光的入射角正好使绿光斜射时到光线通道的侧壁， 当红光正好射到影屏上，显示红色。图b所示为红、绿光 通过水时发生的现象。由于两块玻璃不是平行安装的，有 一定夹角，因而水部分形成一段“水棱镜”，入射的红、 绿光均产生较大的折射而向顺时针方向旋转，结果使斜射 的绿光折向光纤通道的中心，到达影屏，显示绿色。原来 处于光线通道中心的红光斜射，折向光线通道侧壁，不被 显示。结果在正前方观察即显示出汽红、水绿、汽满全红、 水满全绿的现象。
水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度。而且受汽包内的 压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响， 水位计显示值和汽包内实际水位间不是一个确定的、一一对应的关 系。因此，即使我们按额定工况将水位计下移而使汽包正常水位时， 水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时，仍将产生不可忽略 的偏差。
联通管式水位计主要有双色水位计和电接点水位计。
双色水位计
汽包就地双色水位计是最为直观的水位监视装置，通过就地安
装的摄像头可直接将水位显示在控制室。

双色水位计主要由表体、阀门、光源总成(光源箱、观察罩)、定
时电源组成，根据光学原理，由灯泡发出的光，通过红绿滤色片，再
通过聚光境射向水位计本体。
由于空气与蒸汽的光学性质接近，窗口玻璃为平板玻璃，
阶跃式显示是电极式水位计的固有特性，为了满足运 行监视要求，在常用监视段(±100mm)内电极设置密集些， 超出该范围时，分辨力可适当降低些，例如，按 19 个电 极分布时，其电极位置设置为：0、±15、±30、±50、 ±75、±100、±150、±200、±250、±300mm。电极在 测量筒上按 120°角布，以保证筒体强度和便于安装。电 源的一端接电极芯，另一端接测量筒体的公共电极。为了 防止电极的极化作用，电极需采用交流电源。
测量意义

锅炉汽包水位是锅炉最重要的热工参数，准确、可靠的测量汽包
水位，使水位控制在允许范围内，对保证发电设备的安全经济运行具
有十分重要的意义。

汽包水位过高，会影响汽水分离装置的汽水分离效果，使饱和蒸
汽的湿度增大、含盐量增多，造成过热器和汽轮机通汽部分积垢，日
久容易引起过热器管壁超温甚至爆管，以及汽轮机效率降低、轴向推
其中：双色水位计和电接点水位计属于联通管 式水位计。
联通管式水位计
联通管式水位计通过汽、水阀门分别与汽包汽侧、水侧相连接， 形成连通体，利用连通器的原理使水位计的水位与汽包相一致，水位 计与汽包的连接如下图所示。
联通管式水位计是利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在联通管 处有相等的静压力，从而可以用水位计中的水柱高度来间接反映汽包 中的水位，因此，也称为重力式水位计，其水位称为重力水位。
为了减小误差，需对差压式水位计测量的误差进行补偿，由变送器测得 的差压信号，进入DCS系统，通过汽包压力补偿的方式对以上公式进行补偿 计算，汽包水位经汽包压力校正后，测量精确度已得到提高。由于补偿时假 定正压侧参比水住温度恒定为50℃，而实际上由于上部受饱和蒸汽凝结水的 加热，参比水柱温度总是高于室温。汽包压力愈高，饱和蒸汽凝结水温度愈 高，参比水柱平均温度也愈高。为了消除汽包压力对参比水柱温度的影响， 一般可将平衡容器后参比水柱引出管先水平延长一段后再垂直向下接至差压 变送器，这样参比水柱温度就不再受汽包压力影响了。有的平衡容器上在参 比水柱上装有温度测量装置，可在DCS中对参比水柱中水的平均密度进行补
取样孔上并联 2 个或更多的取样管，其中一个平衡门、一次门或排污门泄漏，
或检修时操作不当，极易影响并联的其它水位计的测量，带来很大的测量误
包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将
立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉
汽包水位计是机组安全运行的极端重要的系统。

由于锅炉汽包水位对象的复杂性，以及水位计测量原理的固有特
性，决定了汽包水位测量的复杂性以及实际运行中存在着许多不确定
性因素和较大的测量误差，以致多个汽包间常常有很大偏差，使运行
2. 锅炉汽包水位控制和保护应分别设置独立的控制器。在控制室，除借助 DCS监视汽包水位外，至少还应设置一个独立于DCS及其电源的汽包水位 后备显示仪表(或装置)。 3. 锅炉汽包水位控制应分别取自3个独立的差压变送器进行逻辑判断后的 信号。3个独立的差压变送器信号应分别通过3个独立的输入/输出(I/O)模件 或3条独立的现场总线，引入分散控制系统(DCS)的冗余控制器。 4. 锅炉汽包水位保护应分别取自3个独立的电极式测量装置或差压式水位 测量装置(当采用6套配置时)进行逻辑判断后的信号。当锅炉只配置2个电 极式测量装置时，汽包水位保护应取自2个独立的电极式测量装置以及差压 式水位测量装置进行逻辑判断后的信号。3个独立的测量装置输出的信号应 分别通过3个独立的I/O模件引入DCS的冗余控制器。 5. 每个汽包水位信号补偿用的汽包压力变送器应分别独立配置。 6. 水位测量的差压变送器信号间、电极式测量装置信号间，以及差压变送 器和电极式测量装置的信号间应在DCS中设置偏差报警。 7. 对于进入DCS的汽包水位测量信号应设置包括量程范围、变化速率等坏 信号检查手段。
锅炉汽包水位计的正确安装是保证锅炉汽包水位计准确可靠运行的关键
因素之一。由于锅炉汽包水位计的取样系统（平衡容器等），归属锅炉专业
安装，而锅炉安装人员对测量要求不太了解，又缺少统一的质量标准，所以
安装方面问题常常较多加之由于安装造成的测量误差缺少可以查找的详细原
始记录资料，因此，很难查找和消除由此而引起的误差。
力增大。当水位高到一定值时，还会造成蒸汽带水，使汽轮机产生水
冲击，引起破坏性事故（如推力瓦融化、轴封破损和叶片断裂，严重
时，还会出现叶轮和大轴变形等），直接威胁汽轮机的安全经济运行；

水位过低，会影响自然循环锅炉的水循环安全，造成水冷壁管某
些部分循环停滞，因而局部过热甚至爆管。

锅炉运行中，我们是通过水位计来监视和控制汽包水位的。当汽
H = ( a - s)g.Ｌ-ΔＰ /( - w )gs
H：汽包内水位 Ｌ：参比水柱高度 g：重力加速度
a：参比水柱的平均密度 w：汽包内水的密度 s：饱和蒸汽密度
单室平衡容器测量原理图
根据公式（3）可以看出,汽包水位与差压之间不是一个单变量函数关系， 更不是一个线性函数关系；饱和水密度和饱和蒸汽密度的变化将影响测量结 果，而饱和水密度和饱和蒸汽密度与汽包压力也是函数关系。因此，汽包压 力的变化将影响差压水位计的测量结果。此外，参比水柱温度变化同样也会 影响差压水位计的测量，参比水柱中水的平均密度通常是按50℃时水的密度 来计算的，而实际的具有很大的不确定性与50℃时水的密度相差很大是造成 测量误差的主要原因之一，而将汽包内水视为饱和水（多数汽包内水为欠饱 和水）也是造成测量误差的主要原因之一。
电接点水位计由于其阶跃式显示、分辨力低（最少也 要间隔15～30mm）、漏点多、接点易结垢、水位波动时 易挂水爬电、不能进行数据记录等固有先天性缺陷，当锅 炉工作压力进入亚临界状态下，汽包水位显示值之间会产 生明显的偏差，使用电接点水位表监视亚临界锅炉的汽包 水位并不是一个明智的选择。但其优点是，在锅炉起停时 即压力远偏离额定值时它能较准确的反映汽包水位。
偿，进一步提高了汽包水位的测量精确度。
汽包水位测量系统的配置组合

目前，锅炉汽包水位测量主要采用基于联通管式和差压式原理的两种方
法。令人遗憾的是至今没有一种可以准确判别汽包发生“假水位”时的真
实水位在那儿的水位计，更没有一种于锅炉汽包满、缺水事故是长期困扰火力发电厂安全的重大恶性事 故之一，究其原因，首先是因为汽包水位测量技术尚有一些不完善的地方， 而对汽包水位测量技术缺乏较为透彻的理解也是屡屡造成恶化事故的重要 原因。尤其是秦皇岛热电厂“12·16”汽包水位低保护拒动,造成锅炉水冷壁 大面积爆管的重大设备损坏事故后,引起了国家行政主管部门的高度重视。 2000 年 9 月 8 日国家电力公司颁发了《防止电力生产重大事故的二十五项 重点要求》(简称《要求》)，并随后于 2001 年 12 月 21 日针对其中汽包水 位测量系统专门颁发了《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)》(简称《规定(试行)》)。2004年由电力行业热 工自动化标准化技术委员会负责编制了《火力发电厂锅炉汽包水位测量系 统技术规定》（简称《技术规定》）。《技术规定》中对汽包水位测量系 统的配置要求如下：
w ：汽包内水的密度 s ：饱和蒸汽密度
Hˊ：测量筒内水位
Δh：汽包内水位与测量筒内水位差
a ：测量筒内水柱的平均密度
图一 连通器水位计原理示意图
由公式（2）可知；水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽 包工作压力以及汽包内的实际水位等多种因素有关。
由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内饱和水的温度，
人员无所适从，甚至酿成事故。如何解决这些问题是长期来大家一直
关心和研究的实际课题。
仪表种类
锅炉汽包水位计按安装位置可分为就地水位计 和远传水位计；按工作原理可分为基于联通管式 (重力式) 和差压式两种原理水位计，目前火力发 电厂用的最普遍的有三种： 1、双色水位计。 2、电接点水位计。 3、差压式水位计。
1、锅炉汽包水位测量系统的配置必须采用两种或以上工作原理共存的配置方 式。
锅炉汽包至少应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置和2套电 极式水位测量装置。
新建锅炉汽包应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置和3套电 极式水位测量装置或1套就地水位计、1套电极式水位测量装置和6套差压 式水位测量装置。

汽包水位计的安装除满足国家和行业有关标准外，还应在如下的安装中，
根据汽包水位计测量的特性，加以注意，以保证水位测量仪表可靠正确运行。
1. 取样孔安装
(1) 取样孔独立性原则

每个水位测量装置都应具有独立的取样孔。不得在同一取样孔上并联多
个水位测量装置，以避免相互影响，降低水位测量的可靠性。如果在同一个
曾经在相当长时间内，锅炉运行时要求不管在什么情况下，
都要求以上述联通管式水位计作为基准仪表，实际上是一个很大的 误区。
差压式水位计
差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位的， 因此，其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是 水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱来实 现的，变送器测得的参比水柱差压间接反映汽包内部的实际水位。平衡容 器分为单室平衡容器、双室平衡容器和内置式单平衡容器，目前，国内外 最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形成差压来测量汽包水位，如 图下图所示。
联通管式水位计测量误差
连通器原理如图一所示：
不考虑饱和蒸汽静压 [（H - Hˊ）× s×g]的影响有公式（１）成立
H w g≈Hˊ ag
--- (1)
H≈Hˊ× a/ w
Δh＝H - Hˊ≈( /a w-1)×Hˊ - (2)
H：汽包内水位
g：重力加速度
8. 本标准要求配置的电极式水位测量装置应是经实践证明安全可靠，能消
除汽包压力影响，全程测量水位精确度高，能确保从锅炉点火起就能投入
保护的产品，不允许将达不到上述要求或没有成功应用业绩的不成熟产品 在锅炉上应用。
汽包水位测量系统的其它产品和技术也应是先进的、且有成功应用业
绩和成熟的。
水位计的安装