新型锅炉汽包水位测量及保护系统的应用与分析

新型锅炉汽包水位测量及保护系统的应用与分析
【摘要】锅炉汽包水位是锅炉运行的一项重要指标。

运行中汽包水位必须保持在正常范围内，以确保锅炉本体以及汽机的安全。

由于汽包水位控制以及虚假水位造成的恶性事故时有发生，严重影响火电厂运行的安全。

真实、准确、及时的测量汽包水位，可以为运行人员提供准确的操作依据，避免锅炉发生水位重大事故，以保证锅炉运行的安全性和经济性。

【关键词】汽包；汽包水位；真实水位
【Abstract】The boiler feed water is an important indicator of boiler operation. Drum water level must be kept in a normal range，to ensure that the boiler and the safety of the turbine，due to a false level of drum level control，and the vicious accidents have occurred，seriously affecting the operation of thermal power plant safety. True，accurate and timely measurement of water level，can effectively run when the accident provide operating basis，to avoid the occurrence of major accidents，which have a direct or indirect social and economic benefits.
【Key words】Drum；Water level；The true level
0 引言
锅炉汽包水位测量系统是通过一种或多种测量传感器对锅炉汽包水位测量，由控制系统或保护装置对汽包水位进行控制、调节、显示及报警，实现对锅炉汽包水位进行测量、保护动作和监视的保护系统。

维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。

汽包水位过高，直接影响汽水分离的效果，使饱和蒸汽湿度增大，含盐量增多。

当水位高到一定程度时，蒸汽就要带水，而水中含盐浓度远比蒸汽的高，致使蒸汽品质恶化，盐类将在过热器管壁上结垢，导致过热器管被烧坏、爆破，严重时会导致汽轮机进水。

若汽包水位过低，则破坏了锅炉的汽水自然循环，致使水冷壁管被烧坏，严重缺水时还会发生爆管等事故。

因此测量汽包水位就显得十分重要，测量汽包水位仪表的选择、优劣就起关关键作用。

传统的锅炉汽包水位计有：连通器水位计、电极式测量传感器（电接点水位计）、就地双色水位计（云母水位计）、磁翻板水位计、单室平衡容器差压式水位计、双室平衡容器差压式水位计等。

新型锅炉汽包水位计有：
（1）连通器原理水位计：高精度电极式测量传感器、无盲区低偏差云母水位计。

（2）差压式原理水位计：内置式单室平衡容器式水位计
新型锅炉汽包水位计具有更高的准确性、更好的稳定性以及更强的可靠性。

1 传统汽包水位测量系统误差分析
1.1 连通管式水位计测量原理及误差分析
图1 连通器工作原理图
连通管式水位计是利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在连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。

连通管式水位计的显示水柱高度H′可按下式计算：
汽包水位计管内水柱平均温度与汽包压力、汽包水位、汽包压力的变动速度及表体结构、环境温度、风向等因素均有关。

汽包工作压力对水位计显示值的影响圈较大，当汽包工作压力变化时，除了导致水位计管内水柱温度变化，即ρa变化而影响水位计水位显示值外，还会引起ρw，ρs的变化而使测量产生偏差。

当汽包内实际水位H值一定时，压力愈高，ΔH值愈大；压力愈低，ΔH值愈小。

如果汽包正常水位设计在H0=300mm，而且运行时实际水位恰好在正常水位线上，则水位计的示值偏差：在压力p=4.0MPa 时，ΔH=-59.6mm；在压力p=10MPa时，ΔH=-97.0mm；在压力p=14MPa时，ΔH=-122.3mm；在压力p=16MPa时，ΔH=-136.9mm。

可见当汽包压力每升高1MPa 时，一般连通管式水位计的示值偏差变化的平均值约为-6.5mm。

汽包内实际水位高度对水位计显示值也存在影响，当汽包工作压力为一定值时，汽包内的实际水位也会对水位测量产生偏差，由公式不难看出，偏差ΔH与实际水位H成正比，H值愈大，ΔH值愈大；H值愈小，ΔH值也愈小。

根据上海锅炉厂提供的资料，对于亚监界锅炉（18.4～19.6MPa）在额定压力下，汽包水位计的零水位要比汽包内实际正常水位低150mm，也就是说，当H=300mm 时，ΔH=-150mm；当H=0mm时，近似偏差ΔH=0mm；但是，当H=600mm时，近似偏差高达ΔH=-300mm。

如果将水位计下移150mm，虽然在正常水位处偏差消除了，但当高水位或低水位时，误差仍将很大。

1.2 差压式汽包水位计的原理和误差
单室平衡容器式差压水位计：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特定的函数关系。

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结果。

以L=600mm为例，计算表明：
表1 参比水柱平均温度对水位测量的影响表
由此可见，汽包压力和参比水柱温度对差压信号的相对误差的影响都是不可忽略的，而且误差值大小在不同水位高度还是不同的。

双室平衡容器式差压水位计：双室平衡容器采用了外筒对参比水柱加热的方式，但是其外筒加热水无法与汽包内的水经行很好的热交换，虽然在一定程度上有所进步，但是其原理依然无法摆脱固有传统差压式水位计的缺点，即消除温度对参比水柱的影响。

图2 双室平衡容工作原理图
由此图可导出，差压输出值为：
△p=Lg（ρ1-ρs）-Hg（ρw-ρs）（1）
2 新型汽包水位测量系统改进及应用
2.1 高精度电极式测量传感器、无盲区低偏差云母水位计
以秦皇岛华电测控设备有限公司生产的HDSC-GJT2000为例，如图1所示。

它采用了双套筒结构，内筒通过水侧取样管与汽包相连，外筒通过气侧取样管与汽包相连，并且加入补偿管与下降管相连。

其原理为：补偿管与下降管相连，不断的交换水位计外筒由汽侧取样管引入的蒸汽，而此蒸汽不断的对内筒加热，以保证内筒温度与汽包内温度基本保持一致；汽侧取样管的引入的蒸汽不仅仅是作为外筒加热源，其中有部分（如图汽流b）进入冷凝室，蒸汽冷凝成饱和水不断的补充内筒饱和水，这样做不仅使水位计内筒的水和汽包中水的温度基本相同，减少了水位测量误差，而且也不断的对电极进行冲洗，确保了电极的清洁，从而减少了电极的故障率以及减轻了响应的维护工作。

图3 GJT-2000A测量筒原理示意图
秦皇岛华电测控生产的HDSC-WDP系列低偏差云母水位与HDSC-GJT2000原理相似。

传统双色云母水位计存在的云母片结垢，不仅显示不清晰，而且结垢对云母片造成很大的腐蚀，需要定期排污冲洗以及更换云母片。

由于冷凝罐中的水不断的冲洗云母片，避免了云母片的结垢以及结垢造成的定期排污，减少了运行人员的操作，对火电厂安全生产具有很大的意义。

2.2 汽包内置式平衡容器
由图2可算出，如果把正压管移入汽包内部，就变成了图4所示的汽包内置式平衡容器。

由于正压管始终处在饱和水的周围且不断受到蒸汽和蒸汽凝结水加热，故ρ1=ρw，由（1）式可得出变送器所测得的差压值为：
从公式中可以看出变送器所测得的差压值为汽段参比水柱（饱和水）和相同高度的饱和汽静压之差，这一点与以往的任何一种外置式平衡容器不同，而采用
外置式平衡容器测量汽包水位不仅受平衡容器下参比水柱温度变化的影响，而且由于补偿公式是假定汽包内水是饱和状态下推算出来，而实际上汽包内的水是欠饱和的，而且随着负荷变化欠饱和度也是变化的，由此可见不受汽包内水欠饱和以及外置平衡容器参比水柱温度变化的影响，采用内装平衡容器的测量精确度远比外置式平衡容器要高。

由于汽包的汽侧取样管上焊接有冷凝罐，可以及时向平衡容器中补充冷凝后的饱和水，因而可以保证锅炉点火不久就可投入汽包水位测量。

具有防止内装平衡容器故障的后备措施，当内装平衡容器出现意外时，可将正压表管与冷凝罐的备用正压取样管相连，这样可以方便转换到改进型外置式单室平衡容器继续工作。

3 结束语
汽包水位是汽包锅炉的重要参数之一，真实准确的反应汽包内水位工况对火力发电机组的安全、经济运行有着重要的意义。

本文仅在原理上对于新、老式汽包水位计进行对比，对于影响汽包水位测量的安装位置、汽包给水、旋风分离器影响、管路铺设等并没有进行详细阐述。

汽包水位测量做为运行人员观测汽包内工况的“眼睛”尤其重要。

老式汽包水位计经过多年的实践经验，它已经不能满足火力发电厂安全生产的要求，而新式汽包水位计以其真实、准确、维护量低等优良特性，逐步的替代了老式水位计，在火电锅炉厂的安全运行中具有重要的意义。