火电厂锅炉汽包水位测量方法的探讨

火电厂锅炉汽包水位测量方法的探讨

锅炉的蒸汽储存水位是锅炉管理系统的重要参数，关系到装置的安全运行。水位过高或急剧波动会影响汽水分离效果,送出的蒸汽中含水过多,蒸汽品质变差,造成受热面结盐,严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏;水位过低会引起排污失效,炉内加药进入蒸汽,甚至引起下降管带汽,影响锅炉水循环,造成炉管大面积爆破。因此汽包水位的测量一直是人们关注的热点[1~11]。本文介绍了锅炉汽包水位测量方法的工作原理、特点及其改进措施,特别是近年发展起来的汽包水位软测量方法。1一般测量方法和改进措施目前常用的锅炉汽包水位的测量方法主要有云母水位计、电接点水位计、差压式水位计等及其它们的多种改进型水位计[1~6]。1.1双色云水位计云母水位计是一种普遍的汽包就地水位计,它实际上就是一根连通管,对低压锅炉,可以用玻璃作为水位计观察窗;对高压锅炉,炉水对玻璃有较强的腐蚀性,会使玻璃透明度变差而不利于水位监视,故常用优质云母片作为观察窗。由于云母水位计只能就地监视,且汽水界面不清晰,零水位负误差较大,不能用来校核差压水位计。此外,此表量程一般不能覆盖满、缺水停炉定值,在水位计很高或极低时已失去监视作用。双色云母式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。双色云母水位计的优点:按连通器力平衡原理取样,测量稳定;可以直接看到水位,显示清晰直观,还可与彩色电视机配套使用实行远距离传送水位图像;当压力很低,例如启停炉时,零水位误差很小;在锅炉正常运行时,当取样水柱高度很低时,取样误差很小。双色云母水位计的缺点:由于水位计内的水柱温度比汽包内的水温低得多,水位计水位比饱和水位低得多,存在严重测量负误差,没有解决高压力下零水位误差过大的问题;云母的透明度不好,易结垢而使显示模糊,需经常冲洗,但频繁排污易造成表计热变形而泄漏以及存在显示盲区;云母片寿命不长,需定期更换,维护量大;只能用于水位监视,不能记录,不能实现水位的自动调整。针对传统的双色水位计缺点,20世纪末秦皇岛华电测控设备有限公司推出了WDP系列无盲区低偏差双色水位计[2~4]。无盲区低偏差双色水位计是利用饱和蒸汽加热水位计的水样,再通过蒸汽冷凝后的饱和水加热和置换水位计内的水样,使水样温度接近汽包内水的温度,不仅可以消除因水样温度低造成的测差,还可以加速表计内的水循环。用冷凝水快速置换饱和水,置换后的饱和水含盐低,减少了云母片结构和接点污染,减少表体泄漏,延长维修周期,降低了维修费用。由于它的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,因而消除了显示盲区。因此,WDP无盲区低偏差双色水位计不仅测量误差小,而且可靠性高、维护量小。1.2电接头水位计的优点电接点式(电极式)水位计与云母水位计一样,也是一种基于连通管式原理的测量装置。与云母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,利用汽包内饱和蒸汽及凝结水介质的电阻率相差极大的性质,以此来判断电极是处于水空间,还是处于汽空间。该水位计是一种电气式测量仪表,它将水位直接转换成不连续的相应数目的电接点信号。电接点水位计的优点: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;指示不受汽包压力的影响,在锅炉启/停过程中能准确反映水位情况;结构简单,造价低,运行可靠,调校方便;测量延时小,投运速度快。电接点水位计的缺点:由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内水的温度,因此,水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度,尤其在超高压和亚临界压力运行时误差更大;由于相邻两电接点有一定距离,水位信号变化是阶跃的。它的指示是不连续的,两电极之间的距离是仪表的不灵敏区,不便于实现水位自动控制;电极机械密封易泄漏;取样水质差,易污染电极,需要经常排污;电极使用寿命短。对于高压锅炉来说,电接点水位计的测量值存在严重的负误差,20世纪90年代末期,淮安维信仪表有限公司推出了GJT-2000型高精度、高可靠性的电接点式汽包水位测量装置[2~4]可解决这一问题。GJT-2000高精度电极传感器在测量筒内部设置笼式内加热器,利用饱和汽加热水样。此外,还设置冷凝器,使新型测量筒比普通测量筒高出许多,这是产品最重要的外形特征。以上两种技术的综合使进入水样的热流密度比普通测量筒大得多,热平衡过渡过程时间短。当压力变化引起汽包内水位变化时,热流密度随之变化,水样温度变化快,故取样对压力变化动态响应快。大量凝结水的生成,在水侧取样管中形成连续流向汽包的高温水流。当汽包水位大幅度升高时返回测量筒的水样少,且水温与饱和温度相差小,故对汽包水位升高的取样动态误差小。笼式内加热器在测量筒内占有相当大比例的空间,与旧型测量筒相比,水位截面积小得多,故对汽包水位变化响应快。GJT-2000电极传感器采用RDJ-2000型柔性自密封电极组件和水质自优化措施提高电极的可靠性。GJT-2000电接点测量筒的准确度、可信度、稳定性、可靠性、全工况工作及保护实际传动试验性能等都优于云母水位计和差压水位计,适宜用作基准表和保护仪表。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。1.3差压式汽包水位计差压式水位计是通过把液位高度变化转化成差压变化来测量水位的。差压式水位计由平衡容器、差压变送器、显示仪表组成。其中平衡容器是水位测量的关键部件。平衡容器是实际上的水位传感器,其工作原理是造成一个恒定的水静压力,使之与被测量水位形成的水静压力相比较,输出二者之差,根据与平衡容器结构相对应的数学模型计算容器内实际的水位。其中传统的平衡容器按结构可分为单室平衡容器、双室平衡容器、蒸汽罩补偿式平衡容器。差压式水位计的优点:精度和稳定性高。运行中故障率低,维护量小;水位信号连续显示,可用于远传、水位记录、水位自动调整;单室平衡容器结构简单,便于安装,计算容易;双室平衡容器有一定的温度补偿作用;蒸汽罩补偿式平衡容器有一定的压力、温度补偿,零水位附近时指示较准确。差压式水位计的缺点: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;使用中存在的问题结构复杂,中间环节多,当汽包内部参数变化时,影响准确测量的因素复杂多变,有问题时处理起来技术难度高;单室平衡容器存在参比水柱温度修正的测量难点,它的测量误差大;双室平衡容器虽具有自补偿的特性,但补偿计算复杂,有关数据无法准确测量和掌握,会出现温度过补偿,水位测量误差较大;蒸汽罩补偿式平衡容器压力变化时误差增大。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。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性。因此,要想提高汽包水位测量精度,就需要解决参比水柱密度不确定性的问题。针对该问题主要研制了内置式平衡容器、改进型外置式单室平衡容器、双恒平衡容器内置式平衡容器等[2~4]。(1)汽包水位平衡罐的设计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。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。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。(2)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,形成了一定高度的参比水柱。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,因此,参比水柱温度偏离造成的水位测量偏差较大,并且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,它采用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。(3)质构优化采用密闭式水柱置换的方法双恒平衡容器利用独特的叉式参比水柱组件置于平衡容器的饱和汽室,并设置了伸高式冷凝室,从而使参比水柱如同在汽包内一样,实现了参比水柱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。因此双恒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,但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。1.4多测孔接头测试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。上面介绍的常用3种水位计各有其特点及优势,实际应用中一般采用联合使用,即利用各种水位计的优势,以电接点水位计为主,以就地水位计为参考,以补偿后的差压式水位计为辅,相互验证,对汽包水位进行综合判断。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,由于有些锅炉汽包水位测量孔数量偏少,不能满足现今机组调节、保护、联锁、报警等多信号的需要,而在汽包上增加测孔存在着诸多困难和安全风险。淮安维信仪器仪表公司开发的多测孔接管技术[2~4]巧妙地为在役汽包增加水位测孔提供了改造手段。它利用汽包原有的在汽包封头处且内孔较大的就地测孔作为母孔取样过道,将新增取样管从母孔取样过道中插进汽包内部取样,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,所增加的测孔取样点带有屏蔽取样器,所增测孔与在汽包封头上直接开孔取样没有区别,多测孔接管上的测孔能满足测量装置取样动态要求。该技术可以将中段测孔取样移至汽包端头区域或认为取样干扰最少的区域,也可以为差压水位计的压力补偿提供独立压力取样测孔。根据在汽包现有接管情况,一般可以增加4~6对在汽包端头的取样点。多测孔接管增孔技术,避开了在汽包壁上钻孔、焊接、局部热处理、金相检查等问题,不影响汽包原设计强度,风险很小,具有施工方便、工期短、效果好等优点。“多测孔接管”技术已在100~600MW的许多锅炉上广泛应用,实践证明这种技术能可靠地解决水位测孔少的问题,避免了保护与自动调节系统合用测孔、合用信号的危险。1.5用户汽包水位测量系统的优缺点GQS型高压汽包核子水位计由黑龙江省科学院技术物理研究所开发,它由放射源、检测器及显示仪表三部分组成。这种水位计是利用γ射线穿透物质时,物质对γ射线的吸收规律符合Beer定律,则只要测出某一时刻γ射线穿透汽包内水的衰减值,即可计算出该时刻的水位值。核子水位计的优点:可对冷态至满负荷状态下的汽包水位进行全程检测显示;非接触式连续测量,不必在测量筒上开孔,实现实时检测,并且精度不受压力、粘度、温度、湿度、腐蚀性等环境影响,在特定条件下也不受介质密度的影响;系统安装方便,调试简单,具有自诊断、追忆等功能,检修快捷;测量筒为无泄漏封闭式,稳定可靠,维护量小;系统具有可与DCS通讯的接口,可以在操作员站上实时显示数据和历史曲线;主机具有I/O接口,可输出汽包水位开关量报警、保护信号。核子水位计的缺点:需要一个稳定放射源,辐射存在安全问题,即便低能量γ射线能量也较大,对人体也有伤害,维护成本较高;在实际应用中必须考虑到本底、散射、衰变等效应给测量所带来的误差。核子水位计适用于低温、高温、高压容器的高粘度、强腐蚀性、易沉淀、易燃易爆等物质的测量,已在胜利发电厂等现场使用,达到令人满意的效果。1.6汽包水位监测测距技术河北燕山大学测试计量技术及仪器重点实验室采用相位激光法测量汽包水位,这种水位计采用光纤作为信号传输媒介使测量现场远离电信号,采用激光进行锅炉的液位测量,利用相位法激光测距原理,通过检测内外光路回波信号的相位差计算出汽包水位的高度。相位测距是采用连续正弦波对光的强度调制来实现,强度调制使光载波的强度随调制信号规律变化的激光振荡。激光法水位计的优点:实时、安全、测量精度高,易于实现;能对锅炉进行遥测,易于组成计算机网络对锅炉进行计量管理;光纤探头不受温度、湿度、静电和电磁场的影响。激光法水位计的缺点:频率漂移、锅炉内部气体的折射率以及气体对激光的散射和吸收对测距有一定影响,需要设法修正补偿;光学仪器精密复杂,价格贵、操作维护困难,因此在工厂使用中推广有较大的难度。2卢洛市的软测量技术2.1采集数据处理功能软测量技术主要解决工业过程中普遍存在的一类无法或难以在线测量的过程变量(即主导变量)的检测问题。它是利用一些易于测量变量(即辅助变量)与被测变量(即主导变量)密切关系,构造某种数学模型(即软测量模型),通过软件分析与计算,来间接估计出待测变量的方法。它是以软件代替硬件(即传感器)功能。软测量技术主要包括辅助变量的选择、测量数据处理、软测量模型的建立和软测量模型的在线校正等4个方面内容。其中辅助测量变量选择包括选择辅助测量变量的类型、数量及测量点3个方面;为保证软测量的精确性,采集数据需要进行换算处理和误差处理;软测量模型是软测量技术的核心,软测量模型就是辅助变量与主导变量的数学关系模型,建模方法有机理建模、经验建模及混合建模方法。其中机理建模是从过程内在的物理和化学规律出发,通过物料平衡、能量平衡和动量平衡,建立数学模型;经验建模是通过实测或依据积累的操作数据,采用状态估计、回归分析、模糊、神经网络、支持向量机等方法得到经验模型;混合建模是把多种建模方法交叉融合在一起,可兼有多者所长、互补其短;软测量系统应该根据对象特性的变化,在线修正软测量模型,以适应变化的工况。2.2建立汽包水位软测量模型软测量技术是近年来在过程控制和检测领域出现的一种新型测量技术,尽管目前汽包水位的软测量技术还不成熟,基本上还处于理论阶段,但由于软测量技术具有成本低、响应快、精度较高、维护简单、适应范围广等优点,因此,软测量技术在汽包水位测量中应用是研究热点问题,汽包水位的软测量具有广泛的应用前景。电厂锅炉汽包水位的工艺机理较为明确。锅炉是用来生产蒸汽的换热系统,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,只要汽包进水量与汽包出汽量相等,就可保证汽包的水位不变,若进水量大于出汽量,水位上升;反之则下降。文献根据汽包水位动态过程中的质量平衡机理,利用水位与汽包进水量和出汽量之间的关系建立了软测量理论模型。由于汽包进水量和汽包出汽量尚无现存的测量装置,已经测得的相关量是给水量和汽轮机进汽量,文中详细分析汽轮机进汽量和给水量与汽包进水量和汽包出汽量的差别后,将汽轮机进汽量、锅炉给水量和汽包压力作为软测量模型的输入,导出了汽包水位软测量的实现模型。但未对模型的动态特性以及模型有效性进行分析,只能得到汽包压力和水冷壁吸热量都不变情况下的汽包水位变化趋势。文献在对汽包水位变化机理深入分析的基础上,依据基本的物质平衡和能量平衡关系,建立一个能够反映自然循环汽包锅炉基本运行的汽包水位软测量模型。汽包液面下容积其实是由饱和水容积和饱和汽容积组成的,汽包水位的变化是由汽包中饱和水量和饱和汽量综合作用的结果,文中详细分析了汽、水容积的变化规律,从而建立了汽包水位的软测量模型。在稳定工况下仿真验证得到了较好的效果,但非稳定工况下以及机组在启停机时产生了较大的偏差,主要原因在于模型中锅炉蓄热系数很难动态地求得,要得到准确的测量结果,就要对模型进行修改。文献深入研究汽包水位变化机理,结合现场数据的统计分析方法,建立了一个基于机理分析与数据统计分析方法相结合的锅炉汽包水位软测量模型,此文还通过对现场数据统计分析,发现了利用风量和排烟氧量构造的热量信号与水冷壁吸热量之间的函数关系,较好地解决了燃煤机组水冷壁吸热量计算问题,从而最终建立了一个基于机理分析与数据统计分析方法相结合的汽包水位软测量模型。实验结果表明该软测量模型能较好地捕捉到“虚假水位”现象,且能反映在典型扰动工况下汽包水位的动态特性。锅炉的汽包水位变化是一个复杂的物理、化学过程,影响锅炉汽包水位诸多因素具有耦合性强、非线性强等特征。因此锅炉汽包水位的软测量,难以完全采用机理建模,比较适合采用经验建模。神经网络作为非线性模拟的一种具有生命力的方法,BP网络又是目前应用最广泛的多层前向网络,它能实现任何非线性