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1、海南电力技术论文审核表（3-7）论文题目火电厂高压加热器水位测量优劣分析及改进作 者关洪亮单 位华能海南发电股份有限公司综审意见请黄昌跃专家做专业审查意见审核人：胡滨 日期：2013-9-02专业审查意见1、论文所论的技术改造解决了海口电厂#8、9机组高加水位经常误报警、保护动作失灵问题，避免了机组发生飞车及水击，消除了机组重大隐患，确保了330MW机组的安全生产。2、在2009年改造前，该设备每年发20多项缺陷，每年需花费十多万的维护费；2010年改造后到目前，该设备未发生一条缺陷，花费的维护费用为零元，节约了大量的维护资金。3、本论文对电厂高压加热器测量方式进行全面的分析比较，确定了最优设
2、计方案，并成功运用到现场水位测量改造，解决了实际重大隐患。审核人： 日期： 编辑审查意见审核人： 日期：一校： 二校： 联系人：王海玲，电话：15103086218火电厂高压加热器水位测量优劣分析及改进关洪亮（华能海南发电股份有限公司，海南 海口 570311） 摘 要：火力发电机组均设计高压加热器等分别对给水进行加热来提高机组热效率，此类设备上设计了水位自动控制系统、保护系统来保证机组安全经济运行。本文针对设计中常使用的二种测量方式进行对比、分析其存在的优缺点，并提出了采用优化设计后设备的安装方式及控制策略设计。本文根据现场安装的案例分析及所提观点及改造经验供同行参考与探讨，在设计相应系统时
3、做出更好的选择。关键词：高压加热器 DCS 自动系统 保护系统 冗余0 前言 海口电厂330MW机组的高压加热器原设计为保护系统采用进口耐高温液位开关、自动调节系统采用差压测量方式。由于温度液位开关经常误动及拒动，严重危急机组的安全，须根据实际情况进行设计及选取最佳水位测量方式、控制策略才能保证机组安全经济运行。针对这当前设计方式上存在问题采取改变保护信号的测量方式及控制策略，改进后取得了良好的效果。1 加热器水位测量1.1 水位测量作用及方式加热器水位测量的目地是提供远程水位监视信号，同时提供给控制系统及保护系统用信号。当水位高时保护动作，及时切断进入加热器的汽源及防止水流进入汽轮机，造成汽
4、轮机水冲击。水位测量方式多种多样，如差压法、U型管方式测量法、浮力法、电容法、超声波法等，而电厂在加热器测量方式主要是差压方式及U型管原理测量方式为代表。通常远程监视及自动控制系统用信号采用差压式测量方式：差压变送器输出标准420mA信号与水位差成反比线性关系方式计算出水位高度；水位高低报警及加热器保护系统信号采用U型管原理测量方式：采用浮球耐高温液位开关设备来测出水位是否超过了设定点。1.2 差压式水位测量差压式测量工作原理是把液位高度变化转换成差压变化，也就是根据容器内水位与参比水柱高度差来计算出加热器的实际水位，如图1所示：参比水柱为L， 实际水位为H，高度差为h。因加热器压力为中压，其
5、内外水的比重差基本上相等，均按1mmH2O=10Pa来计算其量程值。当水位差h=0mm时，变送器输出为4mA，水位为最大值L；当水位差h=Lmm时，变送器输出为20mA，水位为最小值0mm；因为变送器的输出信号与水位差h成反比线性关系，根据变送器输出信号就能计算出实际水位。图11.3 U型管方式水位测量电厂加热器水位采用U型管方式来测量水位，并不能测量实时的水位值，只是测量水位高过或低于某一点的水位值，当水位达到其动作点后发出触点动作信号作为报警或保护系统用。这种原理方式测量的设备多种多样，最多是使用电接点水位计及浮球式液位开关，但因电接点水位计的电极泄漏问题，此类设备在大机组的设计中基本不采
6、用，取而代之的是采用新材料新工艺能适应各种环境温度的浮球式液位开关，而用液位开关作保护用信号从设计角度来仅是考虑开关量信号的抗干扰能力强。其动作原理如图2。图22 测量方式优劣分析2.1指标分析2.1.1对于二种测量方式，其测量上各有侧重点,开关量仪表主要是其动作点的准确及可靠，信号不易受到干扰；模拟量仪表测量参数反应监视量实际值及实际趋势变化情况，指标主要反应在测量准确度性度、变差、重复性、不灵敏区、漂移等，须采取良好的保护措施避免信号受到干扰。2.1.2安装在加热器的液位开关，当液位高时，液位开关为通过U型管外部的测量筒中的水位推动浮球向上使其所带的接点发生动作传递出水位高的液位信号；当液
7、位低时，浮球本身重力作用向下使其所带的接点发生动作传递出水位低的液位信号。从其运行情况及动作原理，产生误差主要5个方面：液位开关动作点安装位置与加热器报警点定值是否一致性；液位开关安装的垂直度；U型管内外水温差导致；机械间隙产生；触点动作及回复误差及设备间磨擦阻力产生的一些误差。从以上5种情况均可造成动作点拒动，而不可控因素过多造成该设备安全生产的不可控，因此其动作准确性存在不确定性。2.1.3 水位差压测量方式产生的误差主要4个方面引起：重度差变化；参比水柱未建立好；管路泄漏；平衡门排污门泄漏。当测量要求更准需增加温度及压力补偿，但对中压的压力容器，仅用差压方式测量其水位足够满足精度及安全生
8、产要求，因此对于火力发电机组中的高压加热器水位测量都未设压力及温度补偿。确保参比水柱建立好要求冷态启动前须对其进行注水，在机组运行中因汽测蒸汽的不断凝结，不需再进行注水操作。管路及阀门泄漏可在就地检查及对阀门加压就可发现。此四点在实际生产中较容易实现及管理可控，因此信号的可靠及准确得到保证。2.2 设备适应环境能力及状况分析2.2.1如图3为现场高压加热器上安装美国原装进口的耐高温液位开关装置安装图，因设备常年工作在高温的环境下，液位开关的水位筒都变了颜色；因高温环境导致了开关的极度不可靠，经常发生水位已超过了报警值，水位开关信号不发出，严重危急机组的安全隐患。通过分析原因主要有如下三方面原因
9、：液位开关因安装需要的空间大，无法在一个测量筒上安装完成，只有通过分成更多的筒体来扩展安装的位置，导致水位差层层损失及中间环节多引起传递速度慢等原因造成开关动作不正常；尽管选取了耐高温的液位开关，但工质的温度已接近设备工作的上限，机械传动机构处在高温状态且开关触点位置仍处开65度上的高温上，造成设备寿命大大减少；在如此小的环境中安装了这些测量的液位开关，导致此处环境温度增高，设备间相互影响。 图32.2.2 如图4为了减少流通环节压力损失，对原设备安装方式进行更改：取消了所有的测量筒。但因高温环境设备的传动机构动作但触点接触不良故障时有发生，但相对于第2.2.1条的情况有好转，但可靠性并没得到
10、很大的提高，主要是高温环境造成设备的可靠性降低等。图42.2.3 因设备处于高温环境及安装方式影响了设备可靠性，频发故障严重影响加热器保护的可靠投入。通过分析，改变测量方式为用模拟量替代，现场安装为图5使测量设备远离热源。改变了测量方式后的模拟量信号通过DCS功能模块产生保护的动作值开关量点，替代了用液位开关产生的开关量点。设备改造后再没有故障发生，保护系统可靠投入得到了保证。 汽侧安装图 水侧安装图 变送器安装图图52.3 可维护性比较2.3.1从以上情况可知，采用液位开关作为加热器水位保护用设备存在很大的风险。而日常维护中保护系统试验作法是不具备实际传动的试验或难度较大的均采用从现场短接方
11、式进行，对于以上液位开关故障发生情况过多，不进行实际传动就无法确认其可靠性。做实际水位传动试验时需通过关小或开大加热器的疏水门，提高或降低加热器的水位来测试开关的动作情况，此时须退出抽汽逆止门保护，影响机组的安全运行且给工作带来极大不便：不可能经常进行此类试验；另一方面是因无法安装更多的液位开关，无法实现三选二方式来提高保护的防拒动及误动，保护可靠性大大降低，一般情况下均采用了高二串高三值，此方式增加了保护的拒动可能性；更危急的是当某个液位开关焊点发生泄漏进行检修时，需长时间的退出保护来处理缺陷。因此目前采用此安装方式的电厂存在着风险。2.3.2大型火电机组均采用DCS系统作为控制平台，采用变
12、送器测量方式成为更可靠的方式，主要有如下原因：采用DCS控制系统的火电机组，模拟量均采用了计算机屏蔽电缆，严格的屏蔽接地及电缆的分层铺放后，模拟量的可靠性均达到了99.99%，可靠性极高；高可靠性的模拟量信号加上DCS系统强大的功能模块，轻易实现信号的三选二或三选中逻辑，提高了保护的可靠性；同时水位自动调节因三取中后，信号更可靠，确保了自动的长同期的投入；采用了模拟量实现保护后，设备的日常维护时，可以实现保护系统及自动系统不需退出运行就可进行设备的维护工作的进行，确保了机组的安全。2.3.3 当发现原设计的保护定值有错时须进行更改，更显出了采用模拟量做保护的优点：采用开关量装置须把现场的开关割
13、除后重新定位焊接；采用模拟量做保护只须对保护模块的报警值进行更改，省时省力。2.4 人员工作的安全2.4.1从图3及图4中可知因设备安装空间拥挤,其周围环境相当高,日常的检查及消缺工作中须做好防烫伤及高温的措施；且工作人员在设备故障时均需在搭好脚手架后才能进行工作,费时费力，对正常的检修工作都须进行大量的准备工作，对工作的快速开展带来了很大的影响。2.4.2 而采用差压方式，日常的维护只需对变送器进行校验，只需把需要检修的变送器做好相应的隔离后就可进行，通过信号的变化趋势分析可知设备的工作情况，省时省力且人员安全及设备的安全运行得到了保证。3 设备安装及控制策略对于采用液位开关量测量方式，保护
14、系统采用高二动作值串高三动作值来实现抽汽逆止门保护，但此方式要求高，二个开关设备必须动作正常，否则就会出现拒动。从上分析，对于高压加热器等加热容器内工质温度较高，因环境温度高，设备故障频发，就会出现拒动此类情况，无法可靠保证保护动作正确率为100%且日常试验也不容易。本章节是针对采用差压式测量方式后设备可靠、控制策略更完美且易于维护等，但须严格按要求安装就地设备、设计DCS系统的控制策略及DCS通道分配设计等方面来增加保护系统的可靠性。3.1 现场设备的安装3.1.1图6高压加热器安装示意图。因设备厂家水位安装时提供了一对水位安装孔，须采用如下 方式安装方式,通过三通分别扩展成二路输出并分别安
15、装一次门：下图左侧按图示装变送器1及变送送器2，右侧装变送器3及就地水位计。 图63.1.2 一次门及二次门安装时须采用水平安装方式，利于蒸汽凝结成水后回流；3.1.3安装单室平衡容器注水系统,有利于测量系统的快速投入。如冷态开机时因平衡容器中水挥发,参比水柱发生变化，通过对容器的注水，汽测参比水柱建立正常，因此测量系统不需通过凝结方式来建立水柱，做到了随时投入；日常维护时因取样管中的水因被排空，通过正确的确操作建立参比水柱，保证维护后快速投入。3.1.4注水系统要分别设二道阀门：防压力高的水汽进入凝结水；防凝结水进入压力低的容器；注水门不严将影响测量系统的准确性。 3.1.5 三个信号接入DC菜S IO通道时，采用阻燃计算机屏障电缆且每个信号须用独立电缆接入，不可共用同一电缆接入，确保物理上的完全冗余。3.2 系统控制策略的设计因DCS系统强大的功能模块，如下设计图7中的THrSel模块3实现了当一个信号故障时，模块采用了另二个信号的平均值，当二个信号均故障时选取了第三个正常信号量。因此其输
