电力试验丛书

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1、第二章 锅炉汽包水位测量系统实验第一节简介1.1 汽包水位测量地重要性 锅炉汽包水位是锅炉运行地一项重要安全性指标 . 水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质 地恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击、损坏汽轮机叶片；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，影响炉水循环工况，造成 锅炉水冷壁爆管 . 由于汽包水位测量和控制问题而造成地上述恶性事故时有发生，严重威胁 火电厂机组地正常运行和安全 .锅炉运行中，我们主要通过水位测量系统监视和控制汽包水位. 当汽包水位超出正常运行范围时，通过报警系统发出报警信号，同时保护系统动作采取必要地保护措施，以确保 锅炉和汽轮机

2、地安全 .1.2 汽包水位测量地基本方法 目前，从锅炉汽包水位测量地基本原理看，广泛使用地主要是联通管式和差压式两种 原理地汽包水位计 . 由于锅炉汽包水位计对象地复杂性，以及联通管式和差压式测量原理地 固有特性，决定了汽包水位测量地复杂性以及实际运行中存在地不确定因素，一致多个汽 包水位计常常存在较大偏差，容易酿成事故 . 根据新版火力发电厂锅炉汽包水位测量系统 技术规定 DRZ/T 01 2004 规定：1) 锅炉汽包水位测量系统地配置必须采用两种或以上工作原理共存地配置方式，以 防止系统性故障 . 锅炉汽包至少应配置 1 套就地水位计、 3 套差压式水位测量装 置和 2 套电极式水位测量

3、装置 .2) 应严格遵循锅炉汽包水位控制和保护独立性地原则，最大限度地减少故障风险， 并降低故障停机几率 .3) 汽包水位保护和控制地测量系统至少应按三重冗余地原则设计 .4) 汽包水位至少配置两种相互独立地监视仪表 .5) 锅炉汽包水位控制应分别取自 3 个独立地差压变送器进行逻辑判断后地信号 .6) 锅炉汽包水位保护应分别取自 3 个独立地电极式测量装置或差压式水位测量装置 ( 当采用 6 套配置时 ) 进行逻辑判断后地信号 . 当锅炉只配置 2 个电极式测量 装置时 , 汽包水位保护应取自 2 个独立 地电极式测量装置以及差压式水位测量 装置进行逻辑判断后地信号 .3 个独立地测量装置输

4、出地信号应分别通过 3 个独 立地 I/O 模件引入 DCS 地元余控制器 .7) 汽包水位测量信号应采取完善地信号判断手段，以便及时地报警和保护 . 只有深刻理解上述两种锅炉汽包水位地测量原理及其误差地成因，才能清醒地指导锅 炉汽包水位测量系统地设计、安装、调试和运行维护 . 下面就对联通管式和差压式水位计地 测量原理进行分别介绍 .1.3 联通管式汽包水位计测量原理 联通管式水位计结构简单 , 显示直观 , 如图 1 所示 , 它可以做成仅仅在就地显 示地云母水位计 ( 包括便于观察地双色水位计 ) , 也可以采取一些远传措施 , 如在 水位计中 加电接点或用摄像头等构成电极式水位计或工业

5、电视水位计等 . 但就其原理 来说 , 都是属于联通管式测量原理 . 其中云母水位计常用于连接水位电视；电接点水 位计有时被用于保护回路 .图 1：联通管式水位计原理图就地双色牛眼水位计分别于汽包内地水侧和汽侧相连，汽包内下部地水温是汽包压力下地 饱和水温度，汽包内上部地蒸汽温度是汽包压力下地饱和蒸汽温度, 饱和蒸汽通过连通取样管进入水位计上部，由于就地水位计周围地环境温度远低于汽包压力下地饱和蒸汽温度， 使蒸汽不断凝结成水，水温接近饱和温度，水温沿高度逐步降低，凝结水由连通管流入汽包.若能在水位计上沿测量筒高度装设若干温度测点，就能求出筒中水地平均温度t av,并得出水地平均密度p av.由

6、于p av和饱和水密度p w不同，就形成了云母水位计指示值 He和汽包 实际水位 H 地差异，这个差值可由下式求得：（2-1）其中p w和p s为汽包工作压力下地饱和蒸汽温度和饱和水密度但是p av和水位高度、汽包工作压力、环境温度及测量筒散热情况等有关，其数值很难确定.为减小水位计内水柱温降带来地测量误差，有时在水位计本体内加装蒸汽加热夹套，由水 位计汽侧连通管引入蒸汽，以使水柱温度接近于锅炉汽包工作压力下地饱和温度. 为了防止锅炉压力突降时水柱沸腾而影响测量，从安全方面考虑，测量室内地水柱温度还应有一定 地过冷度 .1.4 差压式水位计测量原理平衡容器 （ 单室平衡容器、双室平衡容器和中间

7、抽头式平衡容器 ）. 其中单室平衡容 器是大机组常用地测量方式，有一些小机组上使用其它两种形式地平衡容器. 单室平衡容器结构简单，维护容易，但受现场环境影响较大，如保温、补偿等；中间抽头式平衡容器结 构复杂，能够消除部分由环境温度造成地影响，在零水位附近有较好地补偿效果，但易受 汽包压力突降地影响，引起正压侧地水柱沸腾 .图 2 ：简单平衡容器地测量原理图图 3 ：双室平衡容器地测量原理图根据实际情况，我们重点研究一下常用地单室平衡容器地测量原理.（22）（23）上面两式相减得：（24）整理得：（25）其中是实际水位凝结水地密度相应汽包压力下地饱和汽地密度相应汽包压力下地饱和水地密度下取样管至

8、汽包零水位地距离 水位変送器测地差压信号由于和只随汽包压力变化，而且影响较大，因此要进行汽包水位地汽包压力补偿；受环境 温度地影响，一般情况取 50 C为基准，但影响较小；和 H是平衡容器地设计安装尺寸，应 按照制造厂提供地数据进行核对，为与实际相符，应进行现场核对.第二节汽包水位计地测量误差分析2.1差压式水位计测量水位误差分析从式(2-5)可以看出，平衡容器地安装尺寸、汽包压力、参比水柱平均温度等参数影响汽包水位地测量误差，下面就从这几个方面入手进行分析：a) 差压式水位计正压侧平衡容器参比水柱温度变化是比较常见地造成水位 测量误差地原因炉顶汽包小间春夏秋冬温度变化大，而在典范地差压式水位

9、计压力补偿计算公式中，平衡容器内不饱和水密度被固定为50 C或80C时地密度值，因而造成示值偏差.由式(2 5)可以得出，由于参比水柱温度变化引起地水位测量偏差如下：(3 1)虽然环境温度受环境温度地影响较大，但从总体上看，环境温度地变化不会太大，按照正常地保温和安装条件，该参比水柱平均 温度变化范围一般不会超过150 C,通过查水和水蒸汽地密度表可以得出不同温度下地密度差受汽包压力地变化影响较小，主要与偏离设定值 地大小有关系见图 4;但随着机组负荷地上升随汽包压力地增加逐渐减 小，所以形成地水位偏差会逐渐增大，如图5所示.图4 :参比水柱密度随温度、压力变化曲线图5 :水位偏差随汽包压力变

10、化曲线以H= 0.7m,参比水柱温度从40C80C变化为例计算.当汽包压力为 18Mpa时，=34.68mm当汽包压力为 10Mpa时，=22.6mmb) 汽包水位差压变送器安装位置离水位平衡容器过远及仪表管过长，受伴 热和保温不均匀等因素影响较大，可引起示值迟缓和偏差C) 差压式水位计汽、水取样开孔部位不当，汽包内汽、水地热动力分布场 变化地影响会引起示值偏差.d)测量装置地机械原因造成地差压变化影响，如渗水、平衡容器地安装高 度与计算高度误差均会造成测量误差.2.2联通管水位计测量误差分析1.1.2云母水位计地误差产生原因就地双色牛眼水位计是装在汽包本体上地直读式水位计，主要是按连通器原理

11、工作地；一般作为远传电视监视系统用，在集控室可以直接监视就地双色牛眼水位计地指示.水位表中多余地水通过水侧取样管流回汽包.水位计中地水受环境地冷却，其平均温度低于汽包内地饱和水温度.导致水位计中地水地密度大于汽包内地饱和水密度，从而水位计中地水位低于汽包内地水位，造成测量误差.由式(2 1)可以得出水位计地偏差为：(3-2)由(2 - 2) 式可以看出，水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以及了汽包内地实际水位等多种因素有关反措提供地地正常水位示值和汽包实际零水位地差值如下表所示：汽包压力(Mpa16.14 17.6517.66 18.3918.40 19.60 h (mr)7610

12、2150a) 汽包压力 . 随着汽包压力地增加 , 相应饱和温度升高 , 冷却效应加剧 , 水 柱平均温度与饱和温度地差值增大 . 汽包压力在额定工况下、汽包水位处于正常 水位时 , 联通管式水位计地平均温度低于饱和温度地数值一般为 : 中压炉 50 -60 C ,高压炉60 - 70 C ,超高压及以上锅炉 70 - 80 C以上.汽包工作压力变化时,除了导致水位计管内水柱温度变化,即p a变化而影响水位计水位显示值外 , 还会引起 pw、 ps 地变化而使测量产 生偏差 . 当汽包内实际水位 H 值一定时，压力愈高 , 1 H I 值愈 大 。 压力愈低 , I H I 值愈小.如果汽包正

13、常水位设计在H0=300mm , 而且运行时实际水位恰好在正常水位线上 , 则水位计地示值偏差 : 在压力 P=4.0MPa 时 , H = - 59.6mm。 在压力 p= 10 MPa 时, H = - 97.0mm。 在压力 P =14MPa 时, H=-122.3mm。在压力 p=16MPa 时, H=-136.9mm,可见每 升高 1Mpa 时，一般联通管时式水位计地示值偏差地变化平均为 6.5mm左右.b) 汽包水位 . 高水位时 , 由于水位计中水柱高度增加 , 散热损失增加 , 同时汽柱高 度减少 , 蒸汽凝结量减少 , 因此 , 水柱地平均温度较正 常水位时低 , 与饱和温度

14、地差值增大 。 反之 , 低水位时 , 差值减少 . 据有关资料介绍 , 水位变化土 50mm 时平均水温较正南水位时约有 16- 24 C 地变化 .当汽包工作压力为一定值时 , 汽包内地实际水位也会对水位测量 产生偏差 , 由 (2 -2) 式不难看出 , 偏差 H 与实际水位 H 成正 比,H 值愈大,I H I值愈大。H值愈小，I H I值也愈小.根 据上海锅炉厂提供地资料 , 对于亚监界锅炉 (18.4 - 19.6MPa) 在 额定压力下 , 汽包水位计地零水位要比 汽包内实际正常水位低 150mm, 也就是说，当H=300mm时,AH二150mm。当H= 0mm时，近似偏差 H

15、=0mm但是当 H=600mm时，近似偏差高达300mm如果将水位计下 移150mm虽然在正常水位偏差消除了，当高水位和低水位时，误差 仍将很大 .c) 汽包压力地变动速度 . 由于水位计有热惯性 , 所以水位计水侧平均温度 变化滞后于汽包压力变化 , 滞后于汽包内饱和水温地变化 , 造成动态 过程中产生偏差 , 表现在锅炉启动升炉过程中 , 水位计水侧平均温度 竟低于饱和温度达 120C.d) 表体结构、环境温度、风向等因素影响水位计散热条件 , 从而影响到水 位计地温度 .e) 由于牛眼水位计间断测量，造成测量误差 .综上所述 , 云母水位计受管内水柱平均温度、汽包内地压力、水位、压力 变化率等诸多因素影响而变化 , 致使水位测量产生较大地、且变化十分复杂地 偏差 . 与饱和温度地差愈大 , 则偏差愈大 , 水位计显示值愈低于实际水位值 .2.3 电接点水位计地误差产生原因 电接点水位计也是装在汽包本体上地直读式水位计，也是测量汽包水位地 传统式仪表 . 测量筒体上装有电接点，电接点水位计是根据蒸汽和水地电阻不同进 行测量地，同时远传到集控室通过二次仪表进行显示 . 同牛眼水位计一样是按连通 器原理工作地 .a) 测量筒体中地水受环境地冷却，其平均