亚临界汽包锅炉水位测量系统的改造及应用
摘要：由于传统汽包水位测量装置简单粗糙、原理简单，造成双色云母水位计积垢模糊、电接点水位计泄漏，受环境温度影响，导致汽包水位测量系统显示偏差大等问题，严重危及机组安全。通过采用新型原理和先进工艺形结合的高端测量设备，对其进行更新改造，实现水位计显示清晰、测量准确，各水位计全过程、全范围稳态时偏差不超标准要求，达到机组安全稳定运行的目标。
关键词：亚临界；汽包；锅炉水位；测量系统；系统改造
中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）36-0034-04
1 概述
陕西国华锦界电厂4×600MW亚临界机组，锅炉设备采用上海锅炉厂有限公司生产的SG2093/17.5-M910型控制循环汽包锅炉，属于采用美国CE公司燃烧技术的产品。该锅炉采用摆动式调温、四角布置、切向燃烧、正压直吹式制粉系统、单炉膛、∩型布置、固态排渣、平衡通风。锅炉汽包内径为1743mm，通体直段长26216mm，两端采用球星封头，包括封头锅筒总厂28286mm。在汽包长度方向分布六根大直径下降管，炉水经过汇合集箱后，由3台炉水循环泵送到水冷壁下部的环形联箱中。在环形集箱内，各个水冷壁管接入口处都装有节流圈。汽包中心线以下220mm处定为正常水位线。原汽包水位测量系统配置4只外置的水位平衡容器、2只普通的双色水位计、2只电接点水位计，在汽包两侧对称布置。
2 改造原因、范围、要求
2.1 改造原因
因各种水位测量装置精度不足、制造粗糙、原理落后等原因而存在的误差，致使3号炉就地水位与DCS显示差值为80mm以上，汽包两侧的水位偏差在30～50mm左右，影响汽包水位的判断和运行控制，严重威胁到机组的安全可靠运行，也不符合《防止电力生产重大事故的二十五项要求》中水位偏差值不大于30mm的规定。因此，对汽包水位测量系统的双色水位计、电接点水位计、平衡容器等进行全面改造。
2.2 改造范围
将原有4台外置式平衡容器、因泄漏无法投运的2台电接点水位计、2台就地双色云母水位计拆除。安装4台内置式平衡容器，并对4台差压变送器进行温度、压力补偿，解决环境温度所引起的测量误差。将左侧原有电接点水位计改为高精度取样电极传感器，将右侧原有全量程电接点水位计改为满量程高精度取样电极传感器，将疏水引到两侧下降管位于炉水泵入口处，使其杜绝频繁泄漏而达到长期稳定的投运效果。安装低偏差的双色云母水位计，将疏水引到两侧下降管位于炉水泵入口处，并达到自冲洗功能，确保时刻清晰显示水位。平衡容器连接差压变送器，把差压信号接到DCS，便于准确可靠检查汽包水位。
DCS系统水位组态；系统的静态、动态调试。
2.3 改造要求
确保汽包水位测量各水位计在任何环境温度下做到压力、温度补偿，使之接近汽包饱和水的温度和比重，确保各水位计指示的同一性，并能在DCS系统中实现逻辑组态。各水位计之间取样相互独立，水位计配置、安装满足《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》。
差压水位计补偿信号与补偿公式科学合理，确保水位测量信号如实反映汽包内真实水位；消除差压水位计参比水柱温度误差带来的测量误差。电接点水位计必须有消除温度误差造成水位测量偏差的技术手段，安全可靠，电极平均无故障时间不小于25000小时。云母水位计必须有消除温度误差造成水位测量偏差的技术手段，有冷凝装置，可以自动冲洗云母片，基本免维护。
电接点水位计的电极，在设计上应该采用自密封技术，同时做到安装、维护方便。
所有水位计测量准确，各水位计全过程、全范围稳态时偏差不超过30mm，瞬态时不超过50mm。
3 改造水位测量装置的工作原理及优越性
3.1 低偏差双色云母水位计
利用汽包里的饱和蒸汽来给表体加热，防止表计内的饱和水因向外传热而降温。再使冷凝后的饱和水给表计内的水置换，以加速水位计内的水循环，达到水位计内的水温接近于饱和水的温度，使水位计内的水位能够在全工况的任何情况下，都与汽包内的真实水位相接近，从而实现了准确监视汽包水位的目的。
以冷凝器里冷凝以后的饱和水来置换水位计里的水，水位计内的循环加速；同时，饱和蒸汽冷凝以后形成的饱和水，含盐较低，使云母片结垢减少，水位计的排污周期相对延长。
水位计表体的温差变化较小，从而减弱水位计表体的热变形，使云母和玻璃能有良好的接触，减少密封处的泄漏，水位计的检修周期延长，维护的人工和备件的费用降低。
与普通水位计比较，优越性体现在：（1）偏差较小：水位计表体得到加热，使饱和水温度接近汽包温度，显示的水位比较接近汽包中的实际水位；（2）没有盲区：使用八窗云母，每窗的可见范围大，左右搭接量较多，水位总是在左右的视窗范围内得到显示；（3）达到自冲洗功能，水位时刻清晰可见；（4）使用寿命长，泄漏率低，维护费用低。
3.2 内置的平衡容器
运行过程中，汽包里的饱和蒸汽进到冷凝罐中，冷凝形成饱和水再回流到平衡罐中。汽包里的饱和水通过负压侧的取样管，引到差压变送器的负端。参比水柱所形成的静压，经过正压侧取样管引出，到差压变送器的正端。由差压变送器输出差压信号到DCS，在DCS中通过压力补偿计算出汽包内的水位。这样做就消除了环境温度对参比水柱密度的影响，计算出来的水位更接近汽包里的实际水位，反映汽包真实水位。
因为水位通过饱和水与饱和汽的密度来反映，密度只与压力有关。所以，只要测量出汽包的压力就能够根据饱和蒸汽及饱和水的密度，计算出汽包水位。
与外置式平衡容器来比较，内置的平衡容器避免了环境温度给单室平衡容器和参比水柱内水密度的影响，信号更加稳定，使测量的附加误差更小，补偿公式更加简捷，计算结果更加准确。因为单室平衡容器和参比水柱内水的温度，受环境温度以及容器的结构、表管布置影等因素的影响巨大；水的密度又受水的温度影响较大。较小的差压误差，补偿计算后会加大约2倍，使水位测量增加一个较大的随机误差。
内置的水位平衡容器，将单室容器放在了汽包内部，使它的水容器与参比水柱永远处在饱和温度的环境里，避免参比水柱的水温难于测量的弊端，进而确保信
号稳定，并提供一个更加准确、稳定、可靠的差压信号，从而使汽包水位的测量、调节与保护更加真实、可信。
内置式的平衡容器的优越性：（1）把平衡管放置到汽包内部，就会使平衡罐和引出管中的水的温度与汽包内内饱和水的温度相同，那么它的密度也与饱和水的密度相同。这样，在对补偿进行计算的时候，选择参数就相对稳定了，能够精确地计算出汽包的水位；（2）由于在汽侧的取样管上安装了冷凝罐，能够及时地向平衡罐里补充冷凝后的饱和水，确保在锅炉启动不久就能够投入汽包水位；（3）设有备用的正压取样管，可以防止内置的平衡罐在出现意外的情况下，能够将正压表管与之连接，以防万一。
3.3 高精度取样电极传感器
测量筒设置有伸高冷凝器，在取样系统所形成水样置换流程：饱和汽进入伸高冷凝器，冷凝产生的大量凝结水经疏水管进入水室，再经水侧取样管流向汽包。
该流程作用：（1）凝结水温度为饱和温度，可提高水柱平均温度；（2）大量纯净水进入水柱，将原有部分水样压回汽包，水样为有源“活水”，实现水质自动净化；（3）在水侧取样管里是连续的流到汽包的高温水流，在汽包的水位非常急速地升高时，从水侧的取样管中返回到水室的水温，依然接近饱和水温度，不仅可减小水位升降动态附加误差，还可有效防止锅水中脏物进入测量筒；（4）在锅炉运行过程中，能够不用升降汽包水位进行定期的满水和缺水保护传动校验。关闭水侧取样阀门截止流向汽包的水流后，测量筒内的水位会自动上升，由于设计的冷凝水流量大，在额定工况下几分钟就可使测量筒“满水”，在“满水”过程中即完成高水位定值测量试验及其开关量信号传动校验。然后开排污门放水可使测量筒“缺水”，完成低水位定值测量试验及其开关量信号传动校验。
由于测量筒采取多重措施，使取样水柱温度与汽包内饱和水温度相等，测量筒内的质量水位与汽包内水位相等，电极如同在汽包内检测一样，实现了全工况全量程高精度取样与传感测量。按该测量筒取样测量监控汽包0水位长期运行，在汽包壁上所形成水迹中心线与锅炉厂规定的0水位线偏低值不大于30mm，证实该测量筒取样测量值已逼近汽包内实际水位，所以可保证电接点水位计用于主表监视和停炉保护的准确性、稳定性、可
信性。
与普通测量筒相比，该测量筒内的汽、水与水柱之间热交换的热流密度大得多，即加热或冷却水柱的速度快得多，故取样水柱对压力变化的动态响应快得多，水柱相似直径又小得多，水位升降动态附加误差小。
多重技术措施使取样水柱上下温度均匀，可减弱水位升降对电极的热冲击。取样水质好，可减轻电极污染，可减弱仪表测量电流对电极的电腐蚀，可延长电极的寿命，实现3年检修周期免排污。
配套机械柔性自密封电极专利组件，压力愈高，机械密封愈紧，密封件有良好的回弹性能，有足够的密封力保证不泄露，又可减小电极的预紧密封力。电极上仰安装，可有效防止挂水。
上述技术措施的综合，实现了测量筒高精度取样、高可靠性传感。
与常规电接点水位计比较，具有如下特点：（1）取样精度高：取样水位逼近汽包内的实际水位，主表的监视与报警的可靠性强；（2）避免了环境温度和压力因素的影响，既能在变参数条件下运行，又可以在点火的时候投入停炉保护；（3）压力变化时能够快速响应，在水位上升下降变化时的动态误差小；（4）不用通过升降汽包的水位做水位保护的传动校验，校验简易、准确可靠；（5）电极与测量筒之间的自密封，不但有良好的密封，还方便电极的拆装；（6）对取样管道长度要求宽松。
4 水位测量装置的安装及需要注意的问题
4.1 无盲区低偏差双色水位计
零水位定位。用水平管测量汽包中心线，中心线下220mm为汽包设计零位。
无盲区低偏差云母水位计比普通云母水位计重得多，需用与汽包上连接的槽钢一起固定的支架支撑。
将测量筒悬吊在支架上，调整筒的高度，使无盲区低偏差云母水位计0位与汽包0水位线等高，误差不大于3mm。
无盲区低偏差云母水位计筒体轴心线应与铅垂线平行（偏差小于0.5度）。
在下降管上距离汽包中心线大于15m的适当位置开孔（直径10mm）用于焊接连接排水管的加强座。
焊接的管道坡口打磨完毕，吹扫管路内部杂质，两侧管口封堵严密。
焊接截门、汽水侧取样管、排水管、排污管。汽、水侧取样管路中途不允许有U形弯，以免影响正常
取样。
排水管不允许安装在仪表管路保温腔内。排水管道应以支架、管卡固定。排水管垂直段做好膨胀弯。
调整摄像头的位置和距离，使水位电视显示清晰
全面。
管道支吊架安装后应保证管道牢固且膨胀自由。
4.2 内置式平衡容器
拆除汽包汽、水侧取样管保温，将汽水侧取样管一次门前适当位置割下，取样管打磨好坡口后，吹扫干净管路并严实密封，严防杂质进入。
安装外部冷凝罐时，管路应该向上倾斜，以利于冷凝罐中冷凝的水流入汽包内的平衡罐。
焊接的管道、插管、变径三通等坡口打磨完毕，吹扫干净管路内部杂质，两侧管口封堵严密，严防杂质进入，并摆放好。
安装水侧插管及三通部分时，要使三通的位置水平。
内部的平衡罐安装：在汽包里面把插管由水侧管向上穿出汽包，平衡罐的端口要保持水平。可利用汽侧取样管或者汽包壁上预留的钢板，生根固定平衡罐及中间管路。安装完成后测量平衡罐高度并做好记录，作为设定变送器量程的依据和DCS公式中的参数。平衡罐安装位置不得影响汽包门的开关。
安装取样器，取样器与取样管水平安装，且取样器上的孔为上的孔为上下方向。
安装汽包外正压、负压侧取样管上一次门、变径和表管至变送器，焊接前吹扫干净表管内杂质。
在汽包内进行焊接作业，不得在汽包内壁上引弧。
整体管路焊接完毕后，对每路管路进行吹扫，确保每路管路通畅无杂质。
安装中的注意事项：（1）冷凝罐的标高应该高于汽侧取样管的根部，要有大于1∶100的倾斜角度；（2）平衡罐应该水平放置，在完成安装后须对其检测（距离零水位的高度）；（3）汽包内端部水位稳定区域作为负压侧的取样点，以免受到涡流的影响；（4）敷设取样管时要避开高温物体或管路，减少对差压测量的影响。
4.3 高精度电接点水位计
水位定位。用水平管测量汽包中心线，中心线下220mm为汽包设计零位。
测量筒比普通测量筒重得多，需用与汽包上连接的槽钢一起固定的支架支撑。
用导链机构将测量筒悬吊在支架上，调整筒的高度，使测量筒0位与汽包0水位线等高，误差不大于3mm。
测量筒筒体轴心线应与铅垂线平行（偏差小于0.5°），以确保电极不挂水。
焊接的管道坡口打磨完毕，吹扫管路内部杂质，两侧管口封堵严密。
按要求焊接截门、汽水侧取样管。汽、水侧取样管路中途不允许有U形弯，以免影响正常取样。
排水管不允许安装在仪表管路保温腔内。排水管道应以支架、管卡固定。排水管垂直段做好膨胀弯。
电极安装前应检查电极芯与头部的阻值是否为0，电极芯对电极肩盘的绝缘电阻应大于20MΩ。
石墨环多于2个反而不利于密封。清理出固定座中残存的石墨密封碎屑后，手推电极、石墨垫、衬垫组合插入固定座底部密封函室中。应在压盖螺纹上涂汉高乐泰抗咬合剂后，套过电极，拧入固定座挤压石墨密封环。
在额定压力下自密封组件能自动产生很大的自紧力，在亚临界压力下自紧力可达900公斤力，不需要像普通电极组件那样施力拧紧压盖，否则会使固定座的螺纹受力过载而变形，很难拧出压盖，甚至会损坏固定座。
5 改造后的应用情况
陕西国华锦界电厂#3锅炉，在2012年12月份进行汽包水位测量系统的全面改造，已经平稳运行20个月。期间，所有水位计全过程、全范围投入，测量准确、可靠。就地水位计结垢少，能够清晰观察水位；电接点水位计显示准确，未发生以往的电极频繁泄漏现象；内置平衡容器既优化布置，又做到精确地测量。应用过程中，水位测量各设备稳态时偏差不超过30mm，瞬态时不超过50mm。
参考文献
[1] 上海锅炉有限责任公司SG-2093/17.5-M910锅炉使用说明书[S].
[2] 秦皇岛华电测控设备有限公司水位计说明书[S].
作者简介：石清泉（1969-），男，辽宁建平人，陕西国华锦界能源有限责任公司工程师，研究方向：锅炉检修与维护管理；万太浩（1981-），男，辽宁锦州人，陕西国华锦界能源有限责任公司工程师，研究方向：锅炉热工控制。