楊震力 （1968-）
男，浙江溫州人，學士，高級工程師，舟山朗熹發電有限責任公司設備部熱工主管，先后從事火電廠運行機組熱工自動化系統維護檢修、主管基建機組安裝調試、技術監督及專業技術管理工作。

    摘要：本文討論了汽包水位測量誤差來源，重點分析了參比水柱溫度變化與汽包水位測量精度間的關系，以及利用聯通管式原理測量水位時受到的諸多因素影響。交流了機組運行過程中汽包水位測量問題處理經驗，探討了提高差壓式水位測量系統精度的技術措施。

    關鍵詞：汽包水位；差壓式水位計；參比水柱溫度；問題處理；建議

    Abstract: This article discusses the error sources of the drum water level measurement, focusing on the analysis of the relationship between the variations of the reference water column temperature and the water level measurement accuracy, as well as a number of factors affecting the water level measurement using Unicom tube principle. We exchange the experience of dealing with the problem of water level measurement in unit running, and study the technical methods to raise water level measurement accuracy using differential pressure.

    Key words: drum water level; differential pressure water level gauge; temperature of reference water column; dealing with problem; proposal

    1 前言

    舟山發電廠二號鍋爐為420t/h超高壓自然循環鍋爐，一次中間再熱，最大主蒸汽出力430t/h，銘牌主蒸汽出力420t/h，汽包兩側共安裝有8臺水位計，配置如圖1。四對外置式單室平衡容器，帶四臺差壓變送器，信號送往DCS用于調節和保護。其中高低水位報警信號設定值為±100mm，跳閘信號設定值高水位為＋175mm，低水位為-230mm。

    汽包水位是表征鍋爐安全運行的重要參數，但由于水位取樣系統內工質溫度低于汽包內的工質溫度，因此水位測量的指示與汽包內水位的實際高度總是存在著一個高度差，該差值稱為冷縮量，且由于不同水位計測量原理不同和水位取樣系統內工質溫度不同，該冷縮量也不盡相同。導致各水位計顯示值間偏差不一，有的甚至達到100mm以上，這就使得汽包水位測量的準確性與汽包水位偏差問題的解決，成為火電機組汽包爐安全經濟運行的難題。筆者根據在探討解決方案的過程中的實踐與體會，著重對汽包水位計因測量公式產生的誤差進行了分析，探討了提高差壓式水位測量精度的一些技術措施，供同行在運行維護檢修中參考。

    2 汽包水位計算公式誤差分析

    圖2為舟山電廠汽包水位測量單室平衡容取樣管的安裝示意圖。正壓側儀表取樣管從單室平衡容器引出，負壓側從下側取樣孔引出，引出后都按1:100向下傾斜延伸1m以上。取樣管延伸的目的是讓平衡容器內的熱量沿取樣管傳遞，使取樣管垂直段（參比水柱）接近環境溫度。當正、負壓側取樣管內的水溫度均為環境溫度時，它的密度則是環境溫度與汽包壓力的函數，這樣可以減少環境溫度變化對汽包水位測量精度的影響因數。

    2.1 差壓式水位計算公式的推導

    根據圖2推導水位的計算公式如下：

    在實際應用中為參比水柱值小，故常省略，則公式（1）可簡化為：

    式中：為參比水柱（側水柱）冷水密度；為參比水柱（側水柱）平衡容器內熱水平均密度；為汽包內飽和水密度；為汽包內飽和蒸汽密度；g為重力加速度；為0水位線到負壓側取樣管的長度；為在CRT上顯示的汽包水位。

    2.2 汽包水位計算公式誤差分析

    由于冷水密度大于平衡容器內熱水平均密度，值大于0，故由公式（2）計算的水位比實際水位要高一些，其誤差為：

    根據圖2，平衡容器安裝尺寸L＝1083mm，＝400mm，l=220mm。當汽包額定壓力為15.4Mpa時：

    飽和水密度＝594.0kg/m3

    飽和蒸汽密度 =101.9kg/m3

    冷水為40℃時密度＝998.9kg/m3

    平衡容器內熱水平均密度，熱水溫度為200℃時，＝875.0kg/m3，熱水溫度為140℃時，＝933.5.0kg/m3。

    現計算熱水溫度分別為200℃、140℃時的誤差對CRT上顯示的影響。

    平衡容器內熱水溫度為200℃時,

    平衡容器內熱水溫度為140℃時，

    從計算公式（5）、（6）可知平衡容器內熱水溫度為200℃時，CRT顯示偏高55.4mm，平衡容器內熱水溫度為140℃時CRT顯示偏高29.2mm，顯然這些誤差是不可忽略的。為了提高測量精度應對L進行修正。L的修正值為：

    在實際應用中，L參數設置的值應采用修正后的L修正。

    參比水柱密度對水位也有影響，表1計算了不同的參比水柱溫度對顯示水位的影響（假設差壓值不變），見表1。

                                   表1   參比水柱平均溫度對水位測量的影響
                                       （40℃為基準，汽包壓力15.4Mpa）

    由表1可見參比水柱平均溫度的不同對計算的水位是有影響的，若計算公式中固定為40℃時的密度，當實際參比水柱平均溫度為60℃時，顯示的值偏高20mm。為了提高計算精度，可引入參比水柱溫度的測量，因為是汽包壓力與參比水柱溫度的函數。但在DCS實際應用中，較少采用的經驗公式，一般都設為固定值。為了提高計算精度，要保證安裝的環境溫度變化不大，并使參比水柱的溫度與環境溫度一致，因此必要時應根據季節調整值。

    2.3 云母雙色水位計、電接點水位計誤差分析

    云母雙色水位計、電接點水位是聯通管式水位計，聯通管式水位計利用水位計中的水柱與汽包中的水柱在聯通管處有相等的靜壓力，從而可用水位計中的水柱高度間接反映汽包中的水位。如圖3所示，聯通管式水位計的顯示水柱高度可按下式計算：

    式中，H為汽包實際水位高度；為水位計的顯示值；為汽包內飽和蒸汽密度；為汽包內飽和水密度；為水位計測量管內水柱的平均密度。

    由于水位計管內的水柱溫度總是低于汽包內飽和水的溫度，因此，總是大于，水位計中的顯示值總是低于汽包內實際水位高度，它的示值偏差：

    由（9）式可以看出， 基于聯通管式原理的汽包水位計顯示的水柱值不僅低于鍋爐汽包內的實際水位，而且受汽包內的壓力、水位、壓力變化速率以及水位計環境條件等諸多因素影響，水位計顯示值和汽包內實際水位間不是一個確定的、一一對應的關系，而這一偏差在汽包零水位時可達50~200mm，水位越高測量筒散熱越多水位誤差就越大，水位越低測量筒散熱小水位誤差就越小。這一誤差只是一個環境溫度和結構不同而造成的，在汽包不同位置取樣，不同結構的連通式水位計在汽包0水位時，其相差要控制在30 mm之內是困難的。由于這一原因，無論云母水位計、電接點水位計如何好，其測量結果也是誤差很大而不真實的。因此，即使按額定工況、某一環境條件將水位計下移而使汽包正常水位時，水位計恰好在零水位附近，但是當工況變化時、環境變化時仍將產生不可忽略的偏差。

    3  汽包水位測量問題處理

    機組投產運行以來，汽包水位顯示曾出現一些問題，經相應的處理后得到解決：

    （1）差壓式水位計誤差來源之一是參比水柱的溫度梯度變化引起，因此安裝時要保證平衡容器引出的取樣管水平段末端接近室溫，在運行中可以用手摸或紅外線測溫儀來驗證。如高于室溫，在確保無泄漏的前提下，延長水平段距離，通常經驗值為1m左右。此外取樣管引出后應按1:100比例向下傾斜，其目的是保證測量管內無影響測量的氣泡存在，但傾斜度也不能太大，否則將引起取樣管內的水密度變化而影響測量精度。若平衡容器正壓側是從底部引出，則圖2所示的I要越小越好，以減小該段溫度梯度變化帶來的測量誤差。

    （2）差壓式水位計是通過變送器進行測量，原儀表管的沖洗在鍋爐啟動過程中進行，沖洗完畢后還要等待凝結水的建立，這段時間內顯示無效。由于水位保護信號通過差壓水位計測量實現，因此此段時間內水位保護將撤出運行。通過正確的排污方法是能在短時間內建立凝結水的，如圖2所示的這種測量系統，在沖管時先關閉汽側一次取樣閥，再在變送器側打開正負壓儀表管排污閥，當管路沖洗完畢后把排污閥關小到一定程度，這時汽包內的水能很快沖滿負壓側儀表管，而正壓側儀表管則通過平衡管的連通也能把汽包內的水很快沖滿儀表管，儀表管沖滿水后關閉排污閥，這時需把變送器背面的排汽閥微開，排干凈排污管與變送器一小段內的空氣，通過這種方式差壓式水位計能在短時間內投用。安裝時沒有平衡管，可采用當正負壓管路沖洗完后打開變送器三組閥的平衡閥，這時正壓側的水位與負壓側同高，關閉平衡閥后正壓側也能較快建立凝結水。

    （3）由于水位測量變送器安裝于9米層的變送器室，測量管路較長，當沖洗操作不當，和由于安裝管路不規范在儀表管內形成氣泡時，將影響測量準確性。處理辦法是消除管路中倒坡現象，按規程要求進行沖洗操作。

    （4）由于變送器的量程很小，微小的差壓誤差都將會影響水位顯示的準確性，如正負儀表管的保溫、伴熱不一致，變送器校準誤差、零位變化等。為此在機組大修時，切實做好保溫和伴熱工作，變送器校驗時，保證變送器測量容室內無積水，各變送器校后偏差盡可能一致，變送器投運前進行調零。

    （5）基建安裝后，平衡容器安裝標高存在一定偏差造成測量顯示偏差和不一致，此外筆者發現冷態修正一致的標高，在熱態時仍會發生偏離。為此應在冷、熱態時分別進行標定，并進行修正，消除標高不一致造成的測量顯示偏差。

    4 提高差壓式水位測量系統精度的建議

    目前在線運行的不同測量原理的汽包水位計，有各種各樣的原因會引起測量產生偏差，雖然不能完全消除，但通過努力可以減少測量誤差，筆者根據本廠機組的運行實踐，結合省內外一些機組汽包水位測量運行情況的調研，分析和探討，在此提出以下改善差壓式汽包水位測量系統精度的建議，供參考：

    (1) 為了減小誤差，正壓側的取樣管宜從平衡容器側面引出，這樣可減小圖2中l的長度。引出后的取樣管要足夠長，以保證取樣管內冷水溫度接近室溫，可能的話對參比水柱平均溫度進行溫度測量并自動修正，或定期根據環境溫度變化對修正回路進行設定。

    (2) 每個水位測量裝置都應具有獨立的取樣孔。各個水位測量裝置的安裝標高，應以汽包同一端的幾何中心線為基準線，采用水準儀精確確定。機組檢修時，利用汽包人孔門開啟機會檢查汽包內水痕跡或其它有效的方法，核對汽包水位測量顯示的零位值并進行修正。

    (3) 汽包水位的汽、水側取樣閥門，應為二個截止閥串聯且使其門桿處于水平位置安裝（防止積水或積汽）。取樣門及取樣管的通流內徑應不小于25mm。對于就地電接點式水位計，汽側取樣管應斜上汽包取樣孔側，水側取樣管應斜下汽包取樣孔側。對于差壓式水位計，汽側取樣管應斜下汽包取樣孔側，水側取樣管應斜上汽包取樣孔側。

    (4) 汽包水位的汽、水側取樣管和取樣閥門均應良好保溫，單室平衡容器及參比水柱的管道不保溫。引到差壓變送器的兩根儀表管應平行敷設，有不小于1：100的傾斜度。如需要采取防凍措施，應共同保溫，并確保伴熱設施對正負壓側儀表管的伴熱均勻，不因測量介質溫差而引起測量偏差。

    (5) 變送器離取樣系統之間的距離要短些，可把變送器安裝在鍋爐汽包層的下一個平臺上。

    (6) 變送器校驗時，保證變送器測量容室內無積水，各變送器校后偏差盡可能一致，變送器投運前進行調零。

    (7) 在鍋爐啟動前的水壓試驗時，完成汽包水位保護實際傳動試驗，應確保差壓式水位測量裝置參比水柱的形成，點火前汽包水位保護投入運行。

    (8) 鍋爐啟動時，以電極式汽包水位計為主要監視儀表；鍋爐正常運行中，應定時記錄各汽包水位計顯示值，并比較之間的示值偏差，當同測量原理水位計偏差超過20mm時應分析、查找出原因，并進行處理。不應根據就地水位計顯示修正變送器顯示偏差。

    (9) 根據對外省一些電廠實際運行情況的調研，采用內置式平衡容器、籠式內加熱器電接點水位計和低偏差云母水位計，在消除環境溫度變化產生的偏差，提高測量準確性、并在延長使用壽命、減少維護工作量方面都有較大的改進，使同側各汽包水位計間的偏差在任何工況下均小于30mm的要求實現成為可能。在解決資金問題后，建議選用。

    (10) 通過采用新的測量技術測得的汽包水位數據對比，驗證了汽包水位南北二側的水位確實存在偏差，其原因與爐內燃燒有關，需要鍋爐專業研究，探討通過改變運行工況來減小二側的水位偏差的方法。

    其他作者：張龍明（1971－），男，工程師，從事火電廠熱工自動化工作。 邵軍偉（1976－）男，工程師，從事火電廠熱工自動化工作。