焦作电厂锅炉汽包水位安全监测、联锁、防满水和缺水保护

1、焦作电厂锅炉汽包水位安全监测、联锁、防满水和缺水保护“一体化改造”简介焦作电厂 张积秋 荆予华摘要本文对焦作电厂在6台HG670/140-10型超高压燃煤自然循环汽包炉（以#3机为例）上所进行的“一体化改造”作了简介，将陈旧的监控、保护系统改造成了测量准确、功能完善、性能可靠的一流系统，为同类厂汽包水位改造探索出了一条成功的路子。 关键词 汽包水位 ；改造；高精度取样传感器；电极；保护前言焦作电厂自87年12月#1机组投运直至#2-#6机组相继投运以来，特别是自97年秦皇岛热电厂发生“12.16”#4炉恶性水位事故以来，针对与汽包水位有关的测量、监控、联锁、保护系统的特点，面对防止电力生产重大

2、事故的二十五项重点要求（简称二十五项反措）的新形势，根据焦作电厂6台在役锅炉的实际情况，采用先进技术和装备，结合大、小修和DCS改造，对汽包水位的一次测量元件、信号传输电缆、二次显示仪表、DCS内组态逻辑（或PLC逻辑回路），进行了系统设计和“一体化改造”，将陈旧的监控、保护系统，改造成了测量准确、功能完善、性能可靠的一流系统，在汽包水位监控保护与报警系统测量不准确、不可靠等一些“老大难”问题上实现了新的技术突破，为同类厂汽包水位改造探索出一条成功的路子。1. “一体化改造”前，汽包水位测量、监控、联锁、保护系统情况以我厂#3炉为例，介绍改前系统，参见图1.图21.1 汽包就地设有三个云母水位

3、计，分设于汽包中间和两端，设于汽包两端的云母水位计测孔位置位于汽包直段，距汽包封头4米。1.2 在距汽包封头5米处两端各设有一个老式电接点测量筒，配套二次显示仪表为浙江鄞县大嵩锅炉仪表厂DWY系列智能电接点水位计。一侧（西侧）的测量系统用于监视汽包水位、提供汽包水位保护值信号及用作汽包水位记录仪信号源；另一侧（东侧）的测量系统用于提供汽包水位值和值信号。1.3 在汽包的中段，设有两个平衡容器，经差压变送器转换输出420mADC信号，供水位自动调节系统所用。2. “一体化改造”前汽包水位测控、保护系统存在的主要问题2.1 云母水位计工作原理是连通器原理。许多科研单位和专家教授已经论证，只能安装0

4、点下移后，在额定工况和0水位条件下，作为校核零水位的手段，当工况改变时（如机组变压运行），显示值必须经过人工修正后才能作为汽包水位的监视手段。（见电力技术1982年12期P.38“高压锅炉就地水位计严重误差的消除”一文和饶纪杭“汽包水位测量问题”一文）。事实上，我厂运行并未使用云母水位计作为监视及校核之用，而云母水位计也不易看清水位，加之日常维护跟不上，形同虚设。2.2 老式电接点水位测量筒（传感器），随着使用压力增高，取样负误差增大。我厂6台锅炉为HG670/140-10型超高压燃煤自然循环汽包炉配套老式电接点水位测量筒，0水位取样负误差理论值为105mm。在#4炉做对比试验，实测值偏低10

5、0 mm；高水位定值偏低190 mm 。此外，旧式电极与测量筒之间密封泄漏率高，电极寿命短，测量筒内水质差，电极易污染，需经常排污冲洗，导致保护投/退频繁，严重影响安全运行。此系统用于主表监控，已引起锅炉水位长期严重高于厂家规定值运行；用于保护，由于高水位停炉定值误差大（达190 mm以上），使高水位停炉保护动作过于迟缓，严重高于厂家规定停炉值，已淹过给水清洗孔板，饱和汽早已严重带水。2.3 原设计整个汽包只有两个电接点水位计，为了防止误投退、误检测而导致汽包水位保护误动，采取了汽包一侧（西侧）的一个测量筒只取值（±75mm）信号，汽包另一侧（东侧）的那个测量筒取值（±20

6、0mm）和值（±300mm）信号。当且仅当值信号出现时，用于报警；当且仅当西侧的值和东侧的值同时出现时，汽包水位联锁动作，打开或关闭相关电动门；当且仅当西侧的值和东侧的值同时出现时，停炉保护动作。深入分析可知，这种“二取二”相“与”逻辑，是较好地避免了保护误动，但存在着保护拒动的极大危险。可见改造将十分必要和紧迫，尤其是对这么重要的保护，应按“二十五项反措” 881的要求，锅炉汽包水位高、低保护应采用独立测量的三取二的逻辑判断方式。当有一点因某种原因须退出运行时，应自动转为二取一的逻辑判断方式，并办理审批手续，限期(不宜超过8h)恢复；当有二点因某种原因须退出运行时，应自动转为一取一

7、的逻辑判断方式，应制定相应的安全运行措施，经总工程师批准，限期(8h以内)恢复，如愈期不能恢复，应立即停止锅炉运行。2.4 即使解决了传感器测不准问题，解决了“三取二”等保护逻辑问题，但摆在我们面前的还有汽包水位测孔不在汽包封头开孔和测孔少问题。汽包水位测孔开在直段而不开在汽包封头，属选位不佳。测量取样口距离汽包内装置、下降管口很近，易受干扰。当测孔附近的旋风分离器倾倒或顶帽脱开、给水清洗孔板倾斜、给水管法兰刺开时，取样干扰大增，装置测量值变化可大到100150mm。热工和运行人员检查汽包外测量系统确属正常情况下，很难判断哪个水位计准确，更不敢冒然投入保护。我厂 炉曾出现东侧比西侧汽包水位高到

8、100mm多次，停炉检查一切正常，一运行就出现东侧比西侧汽包水位高的奇怪现象。无奈，只好就认为东侧的水位正确而投入汽包水位保护，显然是凭侥幸未发生事故。水位测孔少，通常需在汽包上开孔，而在汽包上开孔，对在役锅炉来说，存在着大修时间紧和汽包强度受到影响等问题，锅炉厂家因工艺复杂而索要的开孔费也不是一个小数目。测孔问题不解决，汽包水位保护“三取二”逻辑便无从谈起，其可靠性也只能是一句空话。3.“一体化改造”方案（参见图3焦作电厂#3炉改造后系统图）经较深入调查，综合多种因素，我厂与江苏淮安维信仪器仪表有限公司合作，大胆采用了“多测孔接管”专利技术和RDJ-2000型最新专利电极，淘汰了老式测量筒，

9、采用了GJT-2000A型和GJT-2000B型汽包水位高精度取样传感器（简称新型测量筒），一次性从根本上解决了改造前汽包水位测量所存在的如下问题：测不准问题；测孔选位不佳和测孔少问题；电极泄漏和电极寿命短而导致的保护投/退频繁问题；保护误动特别是拒动问题；采用“单室平衡容器差压变送器”。保护信号源所存在的种种问题：A.测不准。汽包内水的密度与平衡容器内的密度不一致，是造成汽包水位测量误差的内在因素。由于汽包内水的工艺过程比较复杂，汽包水位测量值的修正也显得十分困难。B.进行额定工况下的满水、缺水实际传动试验不太可能，而在滑参数低压力情况下和冷态情况下所做的实际传动试验，只能验证传动正确与否，

10、不能验证水位实际动作值是否准确。C.点火启动升负荷阶段也是水位事故率高发阶段，由于差压变送器输出不正常而导致水位保护不能全程投入。3.1 利用“多测孔接管”专利技术，巧妙地解决了汽包水位测孔少和汽包水位测孔不在汽包封头的问题。即不用在汽包上重新开孔而增加4对相互独立的封头测孔，将原取样点移至最佳位置。增加的4对测孔（带有取样屏蔽装置）与在封头上直接开孔取样没有区别，能满足仪表取样动态要求。该技术避开了在汽包壁上钻孔、焊接、热处理、金相检查等关键问题，不影响汽包原强度设计，风险很小。外观上看，多测孔接管上的几个小接管是并联的，但取样却是独立的，互部干扰。#3机运行近900天的实践证明，改造是成功

11、的，达到了设计目的。 3.2 解决测不准问题，实现全工况真实取样、高可靠性测量传感。我厂采用的GJT-2000高精度取样电极传感器（简称新测量筒）的原理，见示意图4。通过设置汽笼式加热器加热水样和设置附加冷凝器加大水样中饱和水含量等多项措施，提高水样平均温度，使之逼近饱和水温，取样水柱逼近汽包内水位，从而实现高精度测量。利用加热器和附加冷凝器等热交换设备，在一次取样环节消除汽包压力、环境温度影响，其准确性与稳定性，是差压水位计采用数根折线进行压力非线性修正及环境温度定点补偿所不及的。GJT-2000测量筒还有如下独特优点：一个大修周期免排污，水样置换倍率设计高达20次/小时，水质自优化功能强大

12、。水质好，可增大电极“对地水阻”而减弱电腐蚀电流，从而延长电极寿命。水质稳定，水样自下而上的水阻率分布较均匀，有利于提高二次仪表测量稳定性，不需要经常调整仪表的临界水阻。由于水侧取样管中有连续流向汽包的高温水流，当汽包水位大幅度升降时，电极承受的热冲击较小而延长了电极寿命。GJT-2000测量筒配套安装的RDJ-2000型最新专利电极（柔性自紧机械密封电极），使测量筒锦上添花，其采用独特的机械密封，压力愈高密封愈紧，不易泄漏。电极安装有2-3度仰角，可防止电极挂水与水渍。3.3 有了足够的汽包测孔和最佳的汽包水位取样位置，安装上GJT-2000专利测量筒和RDJ-2000型专利电极，彻底解决了

13、一次设备存在的问题，（二次显示仪表还用原来非常可靠的浙江鄞县大嵩锅炉仪表厂DWY系列智能电接点水位计，余下需要解决的就是汽包水位联锁、保护逻辑问题。三套彼此互相独立、互不干扰的水位测量系统的监测、报警、联锁、保护逻辑如下，通过PLC或更先进的DCS系统极易实现。汽包水位保护按“二十五项反措”改进后的具体逻辑关系是：汽包水位高、低保护采用三取二的逻辑判断方式，当有一套水位表因某种原因须退出运行时，转为二取一的逻辑判断方式，当有二套水位表因某种原因须退出运行时，转为一取一的逻辑判断方式。为实现这种功能，增加相应于三个汽包水位表的退出运行开关（安装在灭火保护操作盘上）。利用开关的闭合与断开来进行逻辑

14、判断方式的转换。逻辑图如下。 东水位表投 F0 中水位表投 西水位表投 东水位表高三值 F(2/3) 中水位表高三值 东水位表高三值 西水位表高三值 中水位表高三值 西水位表高三值 F0 东水位表投 东水位表高三值 F(1/1) F(1/2) 中水位表投 中水位表高三值 西水位表投 西水位表高三值 F(2/3) 延时5s汽包水位高保护动作 F(1/1) F(1/2) 安全门未动作 汽包水位保护投入以上是水位高保护逻辑，水位低保护逻辑同理。3.4 GJT-2000型电接点水位计更适用于保护。在额定工况下，关闭水侧取样截止门后，测量筒内水位逐渐上升，几分钟后可“满水”；关闭排水门，缓慢开启排污门，水位逐渐下降至“缺水”。在水位升降过程中，仪表应发出高低、值报警信号。因此，不需升降汽包水位，即可通过测量筒进行“满水和缺水实际传动校验”，校验快、准、易行，使保护能在锅炉运行中进行实际传动校验成为可能。当然，额定工况下做校