鍋爐汽包水位監(jiān)視基準(zhǔn)表和保護儀表選型

1、將 發(fā) 表 于中國電力2003年7期鍋爐汽包水位監(jiān)視基準(zhǔn)表和保護儀表選型收稿日期：2003-03-10；修回日期：2003-05-00作者簡介：高維信（1942-），男，江蘇睢寧人，高級工程師（教授級），從事火電熱工自動化工作。高維信1，董 強2，荊予華3，尤紅軍 4，滕會英5(1.淮安維信儀器儀表有限公司，江蘇 淮安 223001；2. 山西陽光發(fā)電有限公司，山西 陽泉 045200；3.焦作電廠，河南 焦作 454001； 4.馬頭發(fā)電總廠，河北 邯鄲 056044；5.衡豐發(fā)電有限公司， 河北 衡水053000)摘 要：分析差壓水位計環(huán)境溫度修正難點、測量附加差壓的不確定性和隨機性、實測

2、不穩(wěn)定、易大幅度飄移、0位必須頻繁核對等問題。差壓式水位計的測量不穩(wěn)定性影響保護全過程投入，保護實際傳動校驗問題多。通過差壓水位計和新型電接點水位計的性能比較，指出監(jiān)視基準(zhǔn)表、主表和保護儀表不宜選用差壓水位計，而應(yīng)選用電接點水位計。提出保護與自調(diào)“合用”差壓式信號的“危險集中”問題，并提供“危險分散”設(shè)計實例供借鑒。關(guān)鍵詞：鍋爐；汽包水位；監(jiān)視基準(zhǔn)表；保護儀表；選型；危險分散中圖分類號： 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-9649（2003）07-0000-000 前言云母、電接點、差壓水位計是測量汽包水位的主要在用儀表，性能各有所長，但都有不容忽視的缺陷。汽包水位監(jiān)控保護系統(tǒng)整體設(shè)計，按監(jiān)

3、視、自調(diào)、保護3個子系統(tǒng)對其測量裝置主要性能的不同要求，優(yōu)化配置相應(yīng)儀表，是防止鍋爐重大水位事故的重要策略。但監(jiān)視基準(zhǔn)和保護儀表配置問題長期未能妥善解決。由于認(rèn)為短期內(nèi)不可能解決電接點水位計誤差大和水位測點少問題，由于保護與自調(diào)信號的“危險集中”問題尚未引起汽包水位測量系統(tǒng)配置設(shè)計的重視，規(guī)定差壓水位計用于監(jiān)視基準(zhǔn)和保護，使之成為3個子系統(tǒng)的同一配置儀表。但差壓水位計的實測值易變、誤差不確定性，及差壓式保護在鍋爐啟動時不能投入、水位實際傳動校驗性能差等問題，并未解決。圖1單室平衡容器系統(tǒng)在20多臺超高壓、亞臨界鍋爐上，新型高精度、高可靠性電接點水位計已可靠用于監(jiān)視基準(zhǔn)與保護，“汽包水位多測孔接

4、管”新技術(shù)已成功地增加了水位測點。因此，對強調(diào)差壓水位計用于監(jiān)視基準(zhǔn)與保護這一問題值得討論。1 差壓水位計實測難點最主要問題在于一次測量系統(tǒng)（見圖1），水位h轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的差壓P需一定過程，在“hP1”轉(zhuǎn)換中環(huán)境溫度準(zhǔn)確修正難度大，不易消除傳輸附加差壓P2。1.1 理論修正計算的難點h =P1+（）gLg（）-(1)圖2正壓室溫度分布式(1)中：為正壓室水柱平均密度；為飽和水密度；為飽和汽密度；g為重力加速度；L為正壓室水柱高度。()是汽包壓力p的單值非線性函數(shù)，可較準(zhǔn)確修正。()是p和正壓室平均溫度Tc p的函數(shù)，準(zhǔn)確計算Tc p是修正難點。正壓室為傳熱樞軸，截面積：S；直徑：D；周長：U；頂

5、點為飽和水溫度t h；環(huán)境溫度：T c 。計算 T c p，需取極短分析元體dx，研究正壓室溫度分布t=f（x），如圖2所示，溫度坐標(biāo)0點位于T c 。熱平衡方程：Q QdQ -(2) 式(2)中Q為輸入熱量；Q為輸出熱量；dQ為散熱量。散熱方程為：dQUtdx - (3)式(3)中為放熱系數(shù)。由傅里葉定律有： -(4) -(5)式中為導(dǎo)熱系數(shù)。由式（2）式（5）得二階一次微分方程： -(6)式(6)中m(U)/(S)0.5。方程邊界條件：x=0時，頂點溫度t（0）= t h；當(dāng)L/D大于50，樞軸可視為無限長，即x=時，t=0 。通常，D=16 mm，L=650670 mm，L/D接近50，

6、底點溫度大于0 ，但接近于0 。式（6）的解為t= t h e- m x -(7) 可見，正壓室溫度為指數(shù)曲線分布。在0L區(qū)間對t(x)積分，求平均值t c p :t c p(t h /m L)(1- e- m L ) -(8) 由于式(8) 溫度坐標(biāo)0點位于T c ，實際的平均溫度Tc p(t h /m L)(1- e- m L)T c -（9）式(9)表明，Tc p與t h 、Tc 、L 、S、U有關(guān)。而t h、又與汽包壓力有關(guān)，放熱系數(shù)是變量、且量值不易確定?？梢姡琓c p 是隨汽包壓力、導(dǎo)熱系數(shù)、放熱系數(shù)變化的變量，工程計算復(fù)雜、難度大，實際計算誤差必然導(dǎo)致()修正誤差大。1.2 難以

7、消除一次測量隨機性附加差壓正負(fù)壓傳輸豎直管路較長，兩管有溫差便有附加差壓P2，導(dǎo)致測量值飄移。例如，豎直管路10 m，正壓管30 、負(fù)壓管20 ，在壓力15.5 Mpa時附加差壓340Pa，相當(dāng)于測量值升高75 mm。很多老電廠的傳輸管路長達幾十米，附加差壓問題更嚴(yán)重。不少電廠為減小P2而上移變送器。文獻1指出，離平衡容器過近，儀表反應(yīng)過于靈敏，不利于提高自動調(diào)節(jié)品質(zhì)，熱水易竄入變送器。伴熱腔的伴熱投、停，或腔中其它管路排污，電熱帶燒壞或電源消失，傳輸管中的水凍冰，等因素都會形成很大附加差壓，導(dǎo)致測量值大幅度“飄移”使儀表失效。傳輸管路中滯留有空氣，風(fēng)向改變，所產(chǎn)生附加差壓也會使測量值發(fā)生明顯

8、“飄移”。從附加差壓的的形成，不難看出，附加差壓的形成是隨機的，量值難以確定，且變化無常，由附加差壓問題引發(fā)的儀表故障，往往很難診斷、處理。目前尚無有效方法消除或補償附加差壓。1.3 試驗整定法及缺陷由于難以準(zhǔn)確計算Tc p ，實際修正按下述方法確定：（1）給定。例如50 ，給定為冬夏環(huán)境溫度平均值；以紅外線測溫儀測量正壓室?guī)c溫度，取平均值作為常量Tc p。Tc pTcp是變量，且不等于環(huán)境溫度，顯然會加大修正誤差。（2）以鉑電阻測量正壓室與汽包零水位等高點壁溫，作為Tc p。其效果好于（1）法，但該點溫度不一定等于平均溫度，由于鉑電阻與管壁簡易包扎固定測量，誤差較大且不穩(wěn)定，同樣會加大修正

9、誤差。由于各種參數(shù)的設(shè)定與實際會有很大偏差，以及影響測量的不確定因素多，故只能待測量系統(tǒng)投運后，與電接點水位表或云母水位表進行0位比較，根據(jù)不同壓力、環(huán)境溫度下的偏差，反復(fù)調(diào)整設(shè)定值，以求偏差小于30 mm。應(yīng)指出：調(diào)整期很長，工作量大；離不開參比表，參比表誤差大則調(diào)不準(zhǔn)；運行中很少有校核調(diào)整上下限的時機。2 差壓水位計實測誤差不可忽視秦皇島熱電廠4號鍋爐“12.16”重大事故通報中，以理論計算實測誤差為108 mm，導(dǎo)致保護拒動。事故前即使懷疑測量不準(zhǔn)，也無法確知誤差值。某廠600 MW機組亞臨界鍋爐，接近額定壓力時電接點水位計負(fù)誤差計算值約130 mm，示值為-60 mm，推算汽包水位為+

10、70 mm。差壓水位計指示為0，則實測誤差為-70 mm。山西陽光發(fā)電有限公司（陽泉二電廠）2號鍋爐（1025t/h）差壓水位計配套單室平衡容器、西門子專用修正軟件。新型電接點水位計配套GJT-2000型高精度取樣電接點測量筒2。2002年11月12日，以K分度級熱電偶實測筒內(nèi)汽側(cè)、水側(cè)溫度，數(shù)據(jù)見表1。表1 GJT-2000高精度取樣電極傳感器水樣溫度測量數(shù)據(jù) 測量次序1234+300點汽側(cè)溫度/352.8353.4301.4296.70點水側(cè)溫度/352.0352.8302.2296.6-300點水側(cè)溫度/350.0351.1304.3298.8水側(cè)平均溫度/351. 0351.9303.

11、2297.8汽包壓力/Mpa17.5017.64負(fù)荷/MW270303測量時間17：0017：3023：00降負(fù)荷時23：00降負(fù)荷時次序3、4為降負(fù)荷時的數(shù)據(jù)，由于熱偶保護套熱慣性較大，300點溫度高于汽側(cè)溫度。水側(cè)平均溫度與汽側(cè)溫度偏差不大于2 ，取樣誤差不大于3 mm。差壓水位計與電接點水位計相比：負(fù)荷280300 MW時偏低15 mm；180 MW時偏低50 mm；120130 MW時偏低100 mm。表明汽包壓力愈低，誤差愈大。3 基準(zhǔn)表、主表的選型汽包水位基準(zhǔn)表是監(jiān)視最主要表計，簡稱主表。應(yīng)是不必借助其它表計即可長期安全監(jiān)視的表計。選型因素應(yīng)為：任何工況都能準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠測量，可

12、信；不需經(jīng)常核對與調(diào)整；故障易檢查、易恢復(fù)；常顯示，醒目直觀。3.1 差壓水位計不宜認(rèn)定為基準(zhǔn)表差壓水位計缺陷是實測值不穩(wěn)定、易飄移（飄移原因不易診斷），在鍋爐啟動、升負(fù)荷較長時間內(nèi)尤為明顯，甚至完全失效，誤差不確定性大、可信度低，必須參照其它表計核對調(diào)整等。缺陷來源：實際參數(shù)偏離修正設(shè)定值；量程范圍內(nèi)各段補償誤差不同；“水位差壓”轉(zhuǎn)換與傳輸系統(tǒng)泄漏；正壓室溫度未趨于穩(wěn)定分布；正壓側(cè)未滿水及上述引起附加差壓變化的各種因素。這是不宜認(rèn)定為基準(zhǔn)表的主要原因。規(guī)定監(jiān)控以“差壓水位計為基準(zhǔn)”，其實測值變化直接導(dǎo)致汽包運行水位大幅度升降，自調(diào)、報警、聯(lián)鎖與停爐保護系統(tǒng)的信號測量基準(zhǔn)隨之變化，勢必造成運行

13、隱患。因此又規(guī)定，以就地水位表為基準(zhǔn)，“定期（每班）核對”，“定期對修正回路進行設(shè)定”。基準(zhǔn)表應(yīng)最準(zhǔn)、最穩(wěn)定，不需頻繁校核。規(guī)定頻繁校核，不僅在技術(shù)邏輯上與基準(zhǔn)表概念相矛盾，運行人員也難以做到“每班核對”。校核措施執(zhí)行問題：（1）需按額定壓力下0水位誤差值，降低云母水位計安裝標(biāo)高或下移標(biāo)尺，只能保證云母水位計在額定壓力下和0水位時指示準(zhǔn)確，在低壓時反而有很大誤差，在鍋爐滿水時依然偏低很多，缺水時反而偏高很多，顯然會干擾事故水位判斷和果斷手動停爐；（2）如一個運行班為低壓運行工況，必須升壓至額定壓力。核對條件與時機的限制，易導(dǎo)致“每班核對”流于形式。（3）由于“0飄”具有隨機性，每次核對后并不能

14、保證下次核對前不發(fā)生“0飄”，核對和校正不能從根本上消除隱患，由于核對不方便，周期不可能再縮短。另外，以CRT差壓水位計為主表，不利于緊急事故處理。因為，按人機工程學(xué)理論，人面對緊急危險情況的錯誤反應(yīng)概率高，在緊急事故情況下CRT畫面變換頻繁，運行人員可能由于極緊張找不到水位畫面而延誤水位事故處理。3.2 新型電接點水位計可作為監(jiān)視主表、基準(zhǔn)表電接點水位計按連通器原理取樣，全工況取樣可靠。陽泉二電廠試驗再次證明，淮安維信儀器儀表有限公司研制的GJT-2000型測量筒2取樣水位逼近汽包內(nèi)水位。電接點水位計對取樣水位的檢測原理基于多區(qū)間電極報警式測量，多個電極組成水樣測量標(biāo)尺，以相應(yīng)紅綠燈光柱界面

15、顯示水位，直觀醒目。在電極對應(yīng)的燈光變色瞬間，可準(zhǔn)確推知水位。即使某點顯示有誤，仍可根據(jù)其余測點判斷水位。足見檢測準(zhǔn)確、可信。馬頭發(fā)電總廠8號爐配置的GJT-2000測量筒運行3年后，測量筒0位與汽包內(nèi)水跡線中心實測偏差23 mm，證明取樣水位已接近汽包內(nèi)實際水位（定義與飽和水位不同）。配置圖4所示系統(tǒng)的鍋爐，僅以電接點水位計即可長期安全監(jiān)視。云母水位計已成為次要表計，甚至成為“擺設(shè)”。新型電接點水位計的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性、可信度、全工況工作性能均優(yōu)于差壓水位計，應(yīng)作為主表、基準(zhǔn)表。運行人員以此可全過程、全量程準(zhǔn)確核對差壓水位計。電接點水位計的階梯模擬量送入DCS ，可根據(jù)歷史記錄核對差壓

16、水位計。4 保護儀表的選型應(yīng)從2方面考慮：比較準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與可靠性及水位保護實際傳動校驗性能，擇其綜合性能佳者；避免保護與自調(diào)信號“危險集中”。4.1 電極式和差壓式保護信號比較可靠性高于差壓式差壓式保護測量值易大幅度飄移，降低了準(zhǔn)確性。上飄后，汽包水位未到滿水定值時易誤動，汽包實際缺水時測量值則不能等于或小于缺水定值而拒動。下飄的結(jié)果則相反。為防止飄移引發(fā)誤動，有些電廠不得不加大信號延時，甚至長達10 s，以便緊急應(yīng)對；差壓式測量原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量值飄移因素多，可靠性相應(yīng)較低。火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程（DL500094）規(guī)定，“熱工保護用的接點信號宜來自一次儀表”。報警電極在汽、水中對地電

17、阻的高低變化，相當(dāng)于水位一次開關(guān)。開關(guān)量電阻信號可直接用于電測儀表或DCS保護，原理和結(jié)構(gòu)簡單，比差壓式更適合于保護。GJT-2000測量筒采用各種措施提高報警電極定點檢測傳感可靠性。帶有獨特的水質(zhì)自優(yōu)化循環(huán)回路，凝結(jié)水高倍率置換水樣，水質(zhì)自優(yōu)化功能強、水質(zhì)好，可在34年大修周期內(nèi)免排污，減輕電極污染和電腐蝕，利于電測儀表檢測穩(wěn)定。水樣上下溫度均勻，減小了對電極的熱沖擊。獨特的電極自密封組件保證了大修周期內(nèi)電極與測量筒之間機械密封無泄漏。新型DS-2000電測儀表對測量筒及儀表自身有各種診斷功能，進一步提高了電接點水位計的可靠性。電極式保護取樣穩(wěn)定、真實，報警電極定點檢測，開關(guān)量測量準(zhǔn)確性、穩(wěn)

18、定性和可信度都是差壓式保護無法達到的。所以，新型電極式保護綜合性能優(yōu)于差壓式。差壓式保護的測量系統(tǒng)自鍋爐冷態(tài)點火到正常測量需要的過渡時間長。在過渡期內(nèi)測量不穩(wěn)定、變化大，不具備保護投入的可靠條件。由于電力調(diào)度對機組不能準(zhǔn)時并網(wǎng)升負(fù)荷處罰嚴(yán)厲，多數(shù)電廠擔(dān)心在鍋爐點火啟動、并網(wǎng)升負(fù)荷期間水位保護誤動停機停爐，而解除保護。很多1025 t/h鍋爐大約推遲到40%50額定負(fù)荷時才敢于投入保護，使“鍋爐水位保護未投入，嚴(yán)禁鍋爐啟動”規(guī)定形同虛設(shè)。而電極式保護從鍋爐點火起，任何工況下都能可靠投運。4.1.3 電極式保護實際傳動試驗性能高于差壓式（1）差壓式保護試驗性能差由于一次測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，欲使測量

19、值等于保護定值，只能升降汽包水位進行實際傳動校驗。在鍋爐冷態(tài)、熱態(tài)低壓運行時系統(tǒng)測量誤差與高壓運行時可能有很大差異。因此，以鍋爐啟動前或停爐前低壓狀態(tài)校驗數(shù)據(jù)評價高壓運行時的保護測量準(zhǔn)確性，可信度低，校驗只能驗證開關(guān)量信號傳遞是否正確，無異于信號短接試驗。鍋爐運行后或停爐前進行升降水位校驗，汽包水位處于鍋爐廠規(guī)定的停爐值運行，會導(dǎo)致運行工況惡化，校驗風(fēng)險大。如果儀表上下限誤差過大，風(fēng)險更大。有的電廠試驗時險些出大問題。在機組經(jīng)大小修并網(wǎng)后，電廠更不愿冒險試驗。由于試驗意義不大，又有風(fēng)險，實際上很少有電廠在鍋爐運行時升降水位校驗，很多電廠仍然以模擬量傳動和信號短接方法進行試驗，說明試驗可行性不充

20、分。（2）電極式保護實際傳動試驗性能好鍋爐運行中不需升降汽包水位即可進行測量筒滿水和缺水實際傳動校驗。由于GJT-2000測量筒中有高倍率水樣置換循環(huán)回路，關(guān)閉水側(cè)取樣截門后，筒內(nèi)水位逐漸上升，幾分鐘（額定工況下）后可“滿水”；開排污門使水位逐漸下降至“缺水”，其間儀表應(yīng)發(fā)出高低1、2、3值報警信號。因此，水位保護實際傳動校驗快、準(zhǔn)、易行，并可在鍋爐運行中定期校驗。4.2 危險集中問題及其解決辦法1 原測孔接管；2電接點測量筒；3電測儀表；4云母水位計；5平衡容器；6變送器圖3監(jiān)控保護危險集中系統(tǒng)示意電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢察規(guī)程（DL6121996）規(guī)定，“強制性主燃料跳閘的檢測元件和線路，應(yīng)

21、與其他控制系統(tǒng)分開”。火力發(fā)電廠熱工自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)程（DNGJ1689）規(guī)定，“保護用的接點信號應(yīng)取自專用的開關(guān)量儀表”。防止鍋爐汽包滿水和缺水事故規(guī)定，“保護應(yīng)采用獨立測量的三取二的邏輯判斷方式”?！蔼毩ⅰ卑ㄈ营毩?。美國化學(xué)工程師協(xié)會（AICHE）規(guī)定，在基本控制系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)之間應(yīng)在地理上和功能上分開。IECTC65WG10規(guī)定，控制系統(tǒng)應(yīng)與安全相關(guān)系統(tǒng)相互分開和獨立。ISASP84規(guī)定，用于控制系統(tǒng)的傳感器不應(yīng)用于安全系統(tǒng)。美國核工業(yè)系統(tǒng)有關(guān)規(guī)定強調(diào)，冗余系統(tǒng)應(yīng)相互獨立，并在地理上和功能上互相分開”3。因自調(diào)所需信號是小范圍內(nèi)水位相對變量，信號飄移超限時，可自動切換為手動調(diào)節(jié)，

22、危險性小，易應(yīng)對，所以，差壓水位計能很好滿足自調(diào)需要，但并不能說明其性能可很好滿足保護的需要。電站鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)配置、安裝和使用若干規(guī)定規(guī)定，“每個水位測量裝置都應(yīng)有獨立的取樣孔。不得在同一取樣孔上并聯(lián)多個水位測量裝置，以避免相互影響，降低水位測量可靠性”。顯然水位計安裝量不能多于測點數(shù)量。1原測孔接管；2 GJT-2000電接點測量筒； 3電測儀表；4云母水位計；5備用測孔；6多測孔接管；7平衡容器；8變送器；9GJT-2000B全工況大量程電接點測量筒圖4 汽包水位監(jiān)控保護先進系統(tǒng)示意自調(diào)系統(tǒng)只能配套差壓水位計。若規(guī)定采用差壓式保護，由于在役鍋爐汽包水位測點少，最少的僅45點，很難增

23、加測點加裝水位計，只能與自調(diào)系統(tǒng)“合用”3套差壓水位計。那么，監(jiān)控保護系統(tǒng)按“5套配置”，即1套云母水位計、1套電接點水位計、3套差壓水位計，則存在2個問題：（1）等于自行放棄DL6121996規(guī)程中重要條款“汽、水連接管接出點的數(shù)量應(yīng)滿足水位監(jiān)視、給水自動控制的需要”，電廠不再有要求鍋爐廠提供足夠測點的法規(guī)依據(jù)。（2）導(dǎo)致“危險集中”設(shè)計，如圖3所示。“危險”在于，盡管三重冗余信號從取樣端彼此獨立測量，但環(huán)境溫度與附加差壓變化，壓力與溫度修正參數(shù)同樣的不當(dāng)設(shè)定等因素，會同時影響3信號測量，可能使其中2個測量值大幅同向飄移。這是導(dǎo)致主表偏差大、自調(diào)失靈，特別是“三取二”差壓式保護誤動、拒動率較

24、高的主要原因?！拔ｋU集中”的根源在于汽包水位測點少。淮安維信儀器儀表公司的“汽包水位多測孔接管”最新技術(shù)圓滿解決了這一問題。該技術(shù)利用原測孔接管實現(xiàn)1測孔變多測孔，不必在汽包上重新開孔而增加獨立水位測孔（取樣點在汽包封頭），新測孔截面能滿足取樣動態(tài)要求。從汽包外部看，多測孔接管與多個測量裝置并接于母管一樣，但多測孔接管上的幾個測孔取樣相互獨立，所連接的裝置泄漏或排污互不影響。該技術(shù)現(xiàn)已為23臺大型亞臨界、超高壓鍋爐汽包增加了79個水位測點。有了足夠的測點，即可增加測量裝置，進行主表、保護與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)測量優(yōu)化配置，將原汽包水位監(jiān)控保護系統(tǒng)改進成先進系統(tǒng)（見圖4），如河北馬頭發(fā)電總廠、河南焦作電廠、江蘇華能淮陰電廠、