电站汽包液位控制的温压修正

陈磊

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)



电站汽包液位控制的温压修正

陈磊

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

蒸汽作为工业领域的三大动力源之一，与电力相比更具有可靠、可控、能量巨大的特点，因而蒸汽的用途十分广泛。目前蒸汽的主要功能还是做功(例如蒸汽透平、汽轮机发电等)，通常由蒸汽带动的设备都是工厂的核心，每时每刻都必须正常运行，一旦停运会造成不可估量的损失。蒸汽主要来源是锅炉，是化工生产中不可或缺的重要设备。

锅炉汽包液位保持正常可控既是生产过程的主要工艺指标，同时也是保证锅炉安全运行的重要条件之一。如果液位过高，由于汽包上部的空间减小，从而影响汽、水分离，使蒸汽带液，不仅降低蒸汽的产量和质量，而且还会造成汽包结垢或汽轮机叶片损坏，引起事故；当液位过低时，轻则影响汽、水平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸。又因为汽包容积小，且横截面积中间大、上下小，所以当液位偏离正常的中间值时，会越变越快，因而对汽包的液位必须进行自动调节。笔者就汽包液位控制相关的管道安装、仪表选型以及控制组态、实际运行状况作简要阐述。

1汽包液位检测

根据DRZT 01—2004《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》，汽包液位的测量至少采用以下三种方式： 2个双色(红绿)水位计(加工业电视监视)、2个电接点水位计以及3个差压式液位变送器(配单室平衡容器)。

1) 双色水位计是一种就地显示仪表，如图1所示。通电工作后由光源发出的光通过红、绿滤色镜片，射向水位计本体液腔，在腔内汽相部分，红光射向正前方，而绿光斜射到壁上被吸收，而在腔内液相部分，由于水的折射使绿光射向正前方，而红光斜射到壁上，所以在正前方观察，显示汽红水绿。双色水位计在电厂水位监视系统设计过程中是常用的一种仪表，简单实用，但也有其自身的缺点： 锅炉正常运行时，就地水位计中水温与汽包中水温有差别，就地水位计显示的水位不同于汽包中的水位，此差值受汽包压力、就地水位计的保温条件等因素的影响。

图1　双色水位计工作原理示意

2) 电接点水位计具有结构简单、显示直观、维护量较小的特点，作为可以远传的就地仪表广泛地应用在各种容器的水位测量上。电接点水位计同样是利用连通器的原理进行测量，它将汽包水位反映到测量筒内，利用安装在测量筒内的电极对汽、水导电性能的差别，分别点亮不同的红灯、绿灯来显示汽包水位。可采用保温、加热等办法克服电接点水位计偏差大的缺陷，使水样平均温度逼近汽包内饱和水温，取样水柱逼近汽包内水位，使电极如同在汽包内部一样检测，以提高水位测量精度。如今市面上也出现直接安装在汽包内部的耐高温电接点水位计，其测量精度比目前传统电接点高，将来可能成为可靠的水位安全联锁信号源。

3) 第三种液位检测手段是差压液位变送器，仪表的检测原理同普通差压变送器，在这里不再赘述。差压液位变送器安装要求如图2所示。

图2　差压液位变送器安装示意

2相关参数关系

变送器汽侧取样管上安装平衡容器，容器侧面水平引出管线接至汽包的汽侧取样孔，容器底部垂直引出管线至差压变送器的负压侧。为了避免汽包水位变化时，平衡容器内水位变化影响测量水位的准确性，一般情况下平衡容器内的水面积在50cm2以内就能完全保证汽包水位测量的准确性，即采用直径10cm的球形容器做平衡容器就已经足够了。该项目平衡容器选用DN100的规格。平衡容器前的汽侧取样管、水侧取样管的水平段、取样阀门应保温，平衡容器及其下部形成参比水柱的管道不应保温，引到差压变送器的2根管道应平行敷设、共同保温，并在冬季加温度可控的伴热(但要防止过度伴热)，差压变送器应就近安装在保温箱内。

以上方法是目前国内主流的汽包液位检测方法，根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》规定： 对于过热器出口压力为13．5MPa及以上的锅炉，其汽包水位计应以差压式(带压力修正回路)水位计为基准。在实际的生产过程中，如果只参考水温做出液位判断是不准确也不完整的，不同气压下汽包水位产生的差压值的实验数据见表1所列。

表1　不同气压下汽包水位产生的差压值　kPa

从表1中可以看出，对应正常水位的差压值会随着锅炉汽压的升高而改变，不进行压力修正是无法正确测量汽包水位的。此外，锅炉压力升高后，同样的汽包水位变化值所对应的压差变化减小。汽包水位变化±400mm，在大气压下压差的变化为8kPa，而压力上升到19MPa时压差的变化仅为2.96kPa。而且水位越高，压差受压力的影响越大；水位降低后，压差受压力的影响就较小。由此可见，压力变化会给差压式水位表带来相当大的测量误差。但是，该误差只源于压力的变化，而且是有规律可循的。所以，在差压式水位表的测量回路中引入压力修正，就可以将上述误差完全修正。压力修正的原理如下：

Δp×102=Hρa-(A-h)ρs-[H-(A-h)]ρw=

H(ρa-ρw)+(A-h)(ρw-ρs)

(1)

或Δp×102=Hρa-(B+h)ρw-[H-(B+h)]ρs=

H(ρa-ρs)-(B+h)(ρw-ρs)

(2)

式中：H——水侧取样孔与平衡容器的距离，mm；A——平衡容器与汽包正常水位的距离，mm；B——水侧取样孔与汽包正常水位的距离，mm；h——汽包水位偏离正常水位的值，mm；Δp——对应汽包水位的差压值，Pa；ρs——饱和蒸汽的密度，kg/m3；ρw——饱和水的密度，kg/m3；ρa——参比水柱的密度，kg/m3。

式(1)和式(2)中，H，A和B都是常数；ρs和ρw是汽压的函数，在特定汽压下均为定值；ρa除了受汽压的影响外，还和平衡容器的散热条件与环境温度有关，当汽压和环境温度不变时，其值也为定值。这时，差压只是汽包水位的函数。

根据式(1)：

h=A-Δp×102/(ρw-ρs)+H(ρa-ρw)÷

(ρw-ρs)=A-[Δp×102-H(ρa-ρw)÷

(ρw-ρs)

(3)

根据式(2)：

h=H(ρa-ρs)/(ρw-ρs)-Δp×102÷

(ρw-ρs)-B=[H(ρa-ρs)-Δp×102]÷

(ρw-ρs)-B

(4)

令F1(x)=(ρa-ρw); F2(x)=1/(ρw-ρs); F3(x)=(ρa-ρs);

代入式(3)，得：

h=A-[Δp×102-HF1(x)]F2(x)

(5)

代入式(4)，得：

h=[HF3(x)-Δp×102]F2(x)-B

(6)

根据式(5)，用以下修正回路可将汽包水位测量时受汽压影响造成的误差修正，如图3所示。

图3　汽包水位受汽压影响修正误差注：　∑——加法器；×——乘法器；F(x)——函数发生器；SG——信号发生器

根据式(6)的汽压修正回路同图3所示一样，将图中F1(x)改为F3(x)即可。

取样管在安装时要求汽包侧低于平衡容器侧，饱和蒸汽从汽包进入温度较低的平衡容器后会不断凝结成水，溢出的水因重力而流回汽包。容器内表层的水温必然接近饱和温度。平衡容器及其下部管道受到环境温度的冷却，因而随着高度的下降，参比水柱的温度会很快地下降到接近环境温度。参比水柱的平均温度会高于环境温度但远低于饱和温度其准确确定还需要进行必要的试验和计算工作。目前，已知国外用户使用差压式水位表测量汽包水位时，参比水柱的平均温度是按常数考虑的，一般使用的常数为50 ℃或60 ℃。进口机组的运行实际证明，这种方式是可行的，因而现行锅炉基本采用该方式。表2列出参比水柱平均温度按60 ℃计算的函数发生器参数。

表2　函数发生器参数

3液位控制方案

为了实现合理给水，保证锅炉有稳定的蒸汽产量，同时保证汽水分离的效果，需严格控制锅炉给水。锅炉给水调节阀是控制的关键环节，工艺管路上一般有2个调节阀，分别为主给水调节阀、辅助给水调节阀，而对于一些300MW以上能力的锅炉还会增加专门的开工上水调节阀。汽包液位控制模式采用单冲量控制和三冲量控制相结合的方式。单冲量控制模式下，锅炉的给水控制即汽包水位控制： 汽包水位的3个水位变送器测得值，通过压力补偿后取中间值作为测量值。设定值与测量值的差值进入比例积分控制器(单冲量给水控制器)，控制器的输出进入自动切换站，控制给水。

三冲量控制模式下，锅炉的给水控制是关于给水流量、汽包水位和蒸汽流量这3个变量的控制，具体的组态控制如图5所示。

图5　单/三冲量组态示意

3个变送器的测量值经过压力补偿后取中间值，与设定值的偏差进入比例积分控制器(单冲量给水控制器)，输出进入加法器，与前馈信号主蒸汽流量求和。加法器的计算结果是三冲量给水控制器的设定值，与给水流量一起作为该控制器2个输入信号。三冲量控制器的输出与单冲量控制器的输出同时进入自动切换站。自动切换站接收到分别来自单冲量给水控制器和三冲量给水控制器的给水需求信号，且基于下列条件进行自动切换： 锅炉负荷上升时，当锅炉负荷增加到大于30%BMCR时，锅炉给水控制由单冲量给水控制自动切换到三冲量给水。锅炉负荷下降时,当锅炉负荷减少到小于20%BMCR时，锅炉给水控制由三冲量给水控制自动切换到单冲量给水。自动切换的逻辑判别是通过RS触发器(复位优先)实现的。自动切换站的输出信号分别进入两个函数发生器来实现给水的分程控制。30%以下时给水全部由辅给水调节阀提供，40%以上时全部由主给水调节阀提供，30%～40%作为2个调节阀的切换区域，这样就避免了调节阀的开度有过大的变化而引起给水流量的不稳定。

如采用神经网络内模控制器NNC和鲁棒反馈控制器RC等先进控制算法，还能将负荷控制引入液位控制中。其原理是当下游用汽量、燃煤成分、给水温度等影响负荷的因素发生变化时,通过前馈控制作用于被控对象,保证在控制初化的情况下系统仍然具有良好的调节品质。

4液位检测技术的改进

除了采用成熟的DCS三冲量控制，还能对液位检测仪表加以改进。传统的双色水位计、电接点水位计经过了无数工程的实际验证，但也不乏出现一些新的检测技术，例如进口的磁翻板液位计，20世纪90年代末开始应用于上海杨树浦电厂350 ℃，12MPa的工况下，使用至今未出现大的问题；广州某电子科技有限公司外贴式液位计，根据回波检测原理检测液位，无需接触介质，直接在罐体外壁测量(适用温度-30～300 ℃、任何压力)；还有欧系品牌导波雷达测量汽包旁通管内的液位，也能得到汽包液位的变化数值。高温高压浮筒液位变送器能承受锅炉汽包的恶劣工况，其原理是根据介质中浮筒所受浮力大小的变化来测量液位，在理论上可以很好地克服虚假液位发生时介质密度急剧变化引起的测量偏差。

5总结

所有的新技术在全面推广应用前都需经过广泛工程实践，累积大量业绩和经验，笔者建议在工程设计中应根据不同汽包工况谨慎使用。至于汽包液位控制的组态方案，各大科研院所及工程公司还在积极努力研究中，希望不久的将来能在汽包液位控制这个传统领域有所突破。

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摘要：针对汽包液位控制采用差压法检测存在蒸汽密度变化引起测量不准的问题，特别是出现虚假水位时不进行温压补偿，测量会严重偏离实际值的现象，采用经汽包压力和温度修正的液位值以及三冲量互相配合来实现液位稳定控制。通过对某动力中心锅炉运行现状的调查，可以看出带压力修正以及配合三冲量控制的汽包水位控制相对稳定可控。

关键词：虚假液位温压修正三冲量差压法变送器

Temperature and Pressure Correction Applied in Power Plant Drum Level ControlChen Lei

(Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd., Ningbo, 315103, China)

Abstracts： Aiming at problem of measurement uncertainty caused by vapour density changing with differential pressure detecting for drum level control, especially the measuring result will deviate from actual data seriously when false liquid level appears if temperature and pressure are not compensated. To avoid this kind of situation, the method of level with pressure and temperature compensation combined with three-impulse control is adopted to realize stable level control. Through investigation of a dynamic operation situation of certain power plant, it is found drum level is relatively stable and controllable under pressure compensation combined with three-impulse control.

Key words：false liquid level; temperature and pressure compensation; three-impulse control; differential pressure; transmitter

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)03-0041-04

作者简介：陈磊(1982—)，男，2005年毕业于华东理工大学自动化专业，获工学学士学位，现就职于中石化宁波工程有限公司，从事石油化工自动化工程设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-01-06，修改稿收到日期： 2015-04-16。