锅炉汽包水位监测中应注意的问题

锅炉汽包水位监测中应注意的问题

固定锅炉的蒸汽袋水位是锅炉运行的重要安全指标。随着火电机组的不断增加,汽包水位测量误差大和启动时汽包水位保护不能正确投入的问题越来越突出。针对汽包水位测量和保护系统存在的问题,近几年来,不断对原有装置进行了技术改进,并取得了成功,大大提高了汽包水位测量的准确性。1连通管水位计测量准确度连通管式水位计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,从而可用水位计中的水柱高度间接反映汽包中的水位。连通管水位计测量原理如图1所示。汽包重量水位和云母水位计示值误差:式中:ls为汽包压力下饱和蒸汽的密度;lw为汽包压力下饱和水的密度;la为云母水位计测量管内水的平均密度;H为汽包内重量水位;Ha为云母水位计显示值。从式(1)中可以看出ΔH与云母水位计测量筒内水的温度有关,与汽包压力有关。云母水位计温度一定时,汽包压力愈高,误差愈大;汽包内压力一定时,云母水位计筒内水温度愈高,误差愈小。根据连通管水位计原理,可知提高水位计测量准确度可有多种方法,如水位连通器加装热套、补偿与修正、改进结构。(1)给连通器加装热套虽然有效,但又造成了显示、信号传递的不方便,故始终未得到推广;(2)补偿与修正的方法,虽然可近似地设定连通器内的水温从而省去水温测量环节,但是水温的设定应有充分的根据,通过修正来提高测量准确度也比较繁琐;(3)改进结构方法,其难度不大,比其他减小水位误差的方法更有效、更简单,是值得推广的。因此对于连通管式水位计的改进多为结构改进。1.1汽、水界面显示云母水位计只能就地监视,且汽水界面不清晰,且零水位负误差在汽包压力为18.40~19.60MPa时达到150mm,已不能用来校核差压水位计;同时,此表量程一般不能覆盖满、缺水停炉定值,在水位计高或极低时已失去监视作用。双色水位计是由云母水位计发展而来。双色水位计改进了云母水位计结构,辅以光学系统,利用光从空气进入蒸汽或水产生不同的折射,使汽水界面显示成红、绿两色的分界面,显示清晰,并可利用工业摄像系统等方式远传显示。然而传统的双色水位计测量误差大、云母片易结垢而使显示模糊、频繁排污易造成表计热变形而泄露以及存在显示盲区,没有解决高压力下零水位误差过大的问题。WDP系列无盲区低偏差双色水位计,利用汽包内的饱和蒸汽给水位计表体加热,利用冷凝器内冷凝后的饱和水给双色水位计内的水置换,加速双色水位计内的水循环,使双色水位计内的水接近饱和水温度,消除因水样温度低造成的测量误差,达到准确测量汽包水位的目的。同时,由于置换的新水为饱和蒸汽冷凝后的饱和水,含盐低,这样减少了云母片结垢,延长了表计的排污周期,从而减少了表计的热变形,减少了表体的泄露,延长了表体的检修周期,降低了维护费用。由于其显示部分是由两侧水位管的五窗云母组成,相邻云母窗口有一定重叠度,消除了显示盲区。WDP系列无盲区低偏差双色水位计大大提高了汽包水位测量准确性,克服了云母水位计、传统双色水位计的缺点,极大地满足了大机组的需要,为汽包水位提供了一项准确可靠的测量仪表,实现了汽包水位无盲区准确监视。1.2电极式汽包水位测量装置的设计及技术措施电极式汽包水位计是一种基于连通管原理的测量装置,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标尺的电极,由于汽、水电导率的很大差别,造成处于汽和水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。电极式水位计在其量程内有水即可稳定测量,检测可信,即便某点显示有误,仍可根据其余点判断水位,显示直观醒目。故30多年来用于监视主表、差压水位计核对和保护报警。但随着使用压力增高,传感器(测量筒)取样负误差增大,亚临界压力下负误差在零位可达l50mm,高水位停炉值可达250mm,在监控保护系统中已失去使用价值。对于高参数锅炉来说,汽包水位测量就没有一种值得信赖的基准仪表。在这种情况下,通常采用安装在汽包内部的取样管,通过取样分析汽、水的电导率来标定水位计或利用大修时留在汽包内部的水痕迹来检查汽包水位计的零点。然而,这2种方法很粗略且操作难度大。GJT—2000型高精度、高可靠性的电极式汽包水位测量装置与汽包水位内置电极传感器解决了这一问题。GJT—2000电极传感器测量筒在测量筒内部设置笼室内加热器,利用饱和汽加热水样。加热器由不同传热元件构成。加热方式有内热和外热,内热既有水柱径向传热元件,又有轴向分层传热元件。加热器上敞口,来自汽侧取样管的饱和蒸汽进入加热器,向汽笼一样加热水柱。传热方式与结构设计既有利于增加加热面积(加热面积是筒体散热面积的1.4倍),又有利于热交换。从而使得测量筒水柱温度接近饱和水温,水位测量精度高。该测量装置最重要的外形特征就是设置了冷凝器使新型测量筒比普通测量筒高出许多。来自汽侧取样管的饱和蒸汽在冷凝器中冷凝,大量凝结水(温度为饱和水温)沿壁而下,分区收集,由布置在饱和蒸汽中的数根疏水管在不同深度疏至水样中,将低温水样高倍率置换出测量筒,有效提高水柱温度,并使之上下均匀分布。GJT—2000采用综合技术措施实现了高可靠性传感,显著降低故障率而减少维护工作量。水质优化设计使取样水质好,免排污。测量筒参比水柱温度恒等于汽包内的饱和水温度,不受环境温度影响,可减弱水位升降对电极的热冲击,延长电极寿命;参比水柱高度恒定,不受汽包压力变化影响。取样真实、报警可信、动态响应快,能适应自点火至额定工况的变参数运行,测量筒内有稳定热源,故对取样管道长度、截面、测量筒现场布置的安装要求宽松于旧型测量筒。采取防电极挂水、防水渍结构设计。GJT—2000电极传感器由于采用了柔性自密封电极组件,使压力愈高,机械密封愈紧,密封可靠,不泄漏。密封件回弹性能好、热紧性能好,解决了传统电极组件密封泄漏问题。汽包水位内置式电极测量装置主要由电极传感器和显示仪表组成。传感器部分主要由固定支架、电极传感器及传感器的延长电缆等组成,电极传感器安装在汽包内需测量的位置,传感器的延长电缆通过焊接在汽包水侧和汽侧取样管上的引出箱引出,并采用固定座、密封垫或密封环、压盖等对延长电缆进行密封,经密封后的延长电缆直接引入汽包平台的接线盒内,再经接线盒内的端子与电缆相连送到控制室显示仪表上进行显示。汽包水位内置式电极测量装置是基于汽包内汽、水的电导率不同,通过安装在汽包内多个电极传感器,采用二次仪表识别其电导率而测量水位。电极传感器直接感应汽包内的水界面,所以取样误差很小、测量很准确,可作为汽包水位测量的基准仪表和实验仪表。由于汽包内置式电极测量装置的测量电极位于汽包内部,因此该装置可最真实地反映汽包内真实水位而不必像传统电接点水位计那样考虑测量筒由于散热而造成的测量筒内水位低于真实水位而造成的误差,可以在锅炉启动时就可以投入使用并作为汽包水位的基准仪表。GJT—2000型电极式汽包水位测量装置与汽包内式电极测量装置都能提供优于旧型电极式水位计的测量结果,成为汽包水位基准仪表与汽包水位保护仪表。但其结构较复杂,维护不方便,尤其是与汽包内式电极测量装置的平衡容器位于汽包内,安装不方便。2差压式汽包水位测量原理差压式水位计的水位—差压转换原理如图2所示。差压式水位计是通过把水位高度的变化转化成差压的变化来测量水位的。其正负管输出的差压值为:式中:L为平衡容器中参比水柱的高度;H为汽包实际水位高度;la为参比水柱(饱和水)密度;g为重力加速度;ls为汽包内饱和汽密度;lw为汽包内水的密度。由于锅炉启动时差压式测量会受诸多因素的影响,因此锅炉启动时,差压式汽包水位计不作为主要监视仪表,而作为锅炉正常运行时的基准仪表与实现锅炉汽包水位自动和汽包水位保护的测量手段。长期的实际运行经验证明差压式水位计涉及问题较多,主要表现在准确性和稳定性不好,特别是锅炉低负荷运行时,汽包水位的准确性更差。差压式汽包水位计的准确性必须给予高度重视,通过各种措施不断提高其测量精度。通过对差压式汽包水位测量原理的分析,可以看出,引起差压式汽包水位测量误差的主要原因是测量的参比水柱密度的不确定。解决了参比水柱密度不确定性的问题,也就解决了差压式汽包水位测量的准确性的问题。2.1正压侧仪表取样管旋转式单室平衡容器传统外置式单室平衡容器的正压管均由平衡容器底部垂直向下引出,形成了一段高度为L的参比水柱。由于平衡容器的传热使参比水柱的水温不等于室温,而是自上而下从汽包饱和水温度逐渐降低到室温,从而使参比水柱平均温度总是大大高于室温,而且由于饱和水温随汽包压力变化而变化,使参比水柱平均温度的不确定性增加。此外,从水温度与密度关系来看,并不是简单的线性关系,水在4~50℃内其密度变化不大,因此,参比水柱温度偏离造成的水位测量偏差较小;随参比水柱温度进入较高温度区,参比水柱的密度会随温度升高变化增长造成水位测量偏差增大。改进型外置式单室平衡容器为解决这个问题,采用了这样的措施:正压侧仪表取样管从外置式单室平衡容器侧面引出,引出后按1:100下倾延伸1m以上。正压管侧仪表取样管延伸的目的是让平衡容器内的热量沿取样管水平传递,使取样管垂直段(参比水柱)接近环境温度。由于参比水柱处于低温区,因此即使不考虑温度补偿,也不会因为室温变化而导致过大的水位测量偏差。2.2参比水柱的置换率GJT—DII双恒平衡容器,利用独特的结构实现参比水柱温度恒等于饱和水温度。GJT—DII双恒平衡容器结构独特的叉式参比水柱组件置于平衡容器的饱和汽室。来自汽包的汽侧取样管饱和汽在饱和汽室形成凝结水,经裸露的排水管流至汽包下降管。设置伸高式冷凝室,冷凝室产生的凝结水为饱和水,由收集疏水组件注入长臂口,进入参比水柱管,满水后,多余的水由短臂口溢出,使98%以上的参比水柱为向上流动的饱和水水柱。以上2种措施的综合,使参比水柱如同在汽包内一样,温度恒等于饱和水温度。当汽包压力变化时,使饱和汽温度变化,加热或冷却参比水柱,同时置换原有参比水柱的凝结水温度也随之变化。由于叉管的管壁薄,蓄热量较小,则参比水柱温度变化迟延小。又由于伸高式冷凝室高度较高,冷凝面积大,注入长臂凝结水流量很大,即对原有参比水柱的置换率大,极有利于参比水柱温度快速跟踪汽包内的饱和水温度。因此,参比水柱测量动态性能好。GJT—DII双室平衡容器参比水柱温度恒等于汽包内的饱和水温度,不会受环境温度影响,使差压水位校正大为简化。在汽包压力变化工况下,参比水柱高度恒定性好。参比水柱管和正压侧传输管路自动冲水快、满水快,不需要升高汽包水位向参比水柱管和正压侧传输管路“灌水”。由启动至正常的过渡时间短。2.3汽包水位的补偿汽包内置式平衡容器的原理如图3所示。DNZ系列汽包内置水位平衡容器是将单室平衡容器置于汽包内部,汽包运行过程中饱和蒸汽进入到冷凝罐中冷凝成饱和水回流到平衡罐中,参比水柱所形成的静压通过正压取样管引到差压变送器的正端,汽包内的水通过水侧取样管引到差压变送器的负端。由于将平衡罐安装在汽包内,使平衡罐及引出罐中的水温度为汽包内饱和水温度,其密度为饱和水的密度,这样在进行补偿计算时就有相对稳定的参数,可以准确计算出汽包水位。外置式单室平衡容器结构简单,安装方便,取样干扰小,但是由于参比水柱温度受环境影响而产生较大的测量误差,如果采用参比水柱温度补偿,系统复杂,可靠性降低。其余2种平衡容器都是力求将参比水柱温度逼近饱和水温度,其特点是测量误差小,补偿计算简单。双恒平衡容器由于增加了排水管与下降管相连,使测量系统更为复杂,影响测量的因素增多,使调试更复杂。内置式单室平衡容器测量系统简单,影响测量的因素最小,但是安装复杂。3多测孔接头管口开孔由于锅炉汽包水位测量对锅炉安全运行的重要性,以及大型锅炉汽包长度长(一般在20m),内部过程复杂,水位高低不平,因此,锅炉汽包水位测量严格要求配置采用多测量原理、保护和控制互相独立以及三取二或三取中冗余设计。根据独立性原则,水位计应与测孔“一对一”连接,禁止多个测量装置“合用测孔”,以防止一个取样系统故障和排污时影响多个仪表。这意味着每个汽包上至少应有6~9对水位测控。但是,由于有些锅炉测孔有限,而在汽包上增加测孔存在着诸多困难和安全风险,以致这成了限制贯彻上述标准的重要原因。多测孔接管技术利用汽包原有测孔接管通道,插管到汽包内部取样,增加独立取样测孔,从而不用在汽包壁重新开孔而增加新的测孔。所增加的测孔取样口与原有测孔取样口必须有一定距离,多测孔接管上有母孔小接管和带有屏蔽稳流的增孔小接管,所增测孔与在汽包封头上直接开孔取样没有区别,能满足一次取样装置取样动态特性要求。采用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,不影响汽包原设计强度,风险很小,具有施工方便、工期短、效果好的优点。4基于机理分析的软测量软测量技术依据对可测、易测过程变量(称为辅助变量如压力、温度等)与难以直接测量的待测过程变量(称为主导变量,如产品分布、物料成分)之间的数学关系的认识,采用各种计算方法,通过构造某种数学模型(即软测量模型),实现对主变量的估计。软测量技术主要包括4个方面内容:(1)辅助变量的选择;(2)测量数据处理;(3)软测量模型的建立;(4)软测量模型的在线校正。软测量方法中的核心问题是建立软测量模型,但它不同于一般意义下的数学模型,强调的是通过辅助变量获得对主导变量的最佳估计。如果这种估计模型足够精确,理论上可替代在线分析仪表,实现直接质量控制;由于它不会受到测量滞后的影响,所以在控制性能上获得较大改善。目前建立数学模型的方法主要有机理分析建模、回归分析法、状态估计法、人工神经网络、模糊技术和模式识别法6种,且应用较为广泛。基于机理分析的软测量主要是运用化学反应力学、物料平衡、能量平衡等原理,通过对过程对象的机理分析,找出不可测主导变量与可测辅助变量间的关系,从而实现对某一参数的软测量。这种软测量方法特点是工程背景清晰,与一般工艺设计和计算关系密切,相应的软测量模型也较为简单,便于应用,因此基于工艺机理分析的软测量是工程中一种常见的方法。同时也是工业界最容易接受的软测量方法。在工艺机理较为清晰的应用场合,软仪表往往能取得较好的效果。电厂锅炉是用来生产蒸汽的换热系统,工艺机理较为明确。给水经省煤器加热后送入汽包,然后从下降管经下联箱进到上升管(即水冷壁)。在上升管内吸收炉膛内供给的热量,此时有部分的水变成饱和蒸汽,所形成的汽水混合物又回到汽包中,汽水混合物在汽包内进行汽水分离。饱和蒸汽将导入过热器内,进一步被加热成过热蒸汽,而饱和水再进入下降管重复上述过程。从物质平衡观点出发,只要汽包进水量W=D,就可以保证汽包的水位不变;若W>D,则水位上升,反之,水位下降。由此观点可基于物质平衡来实现汽包水位的软测量,即找出汽包进水量W及汽包出汽量D与水位变化量之间的关系,从而实现对水位的新测量。由于汽包进水量W和汽包出汽量D尚无现存的测量装置,所以考虑利用汽轮机进汽量D1和给水量G,详细分析汽轮机进汽量D1和给水量G与汽包进水量W和汽包出汽量D的差别。此方法是通过分析汽包水位物质平衡机理来建立软测量模型,但事实上这样只能得到汽包压力和水