锅炉汽包水位的测量

锅炉汽包水位的测量
1．1 锅炉汽包水位测量的重要性
保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。

由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。

众所周知，水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；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，造成炉管大面积爆破。

由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故的情况时有发生，严重影响火电厂运行的安全性。

锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。

当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。

因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。

1．2 锅炉汽包水位测量的基本要求
根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求：
1．准确性好
众所周知，锅炉汽包水位相对主蒸汽压力、温度这类参数而言，并不是需要精确控制的参数，一般情况下，二个汽包水位测量示值偏差在30mm以内是可以接受的。

而在正常条件下保持这样的精确度不是十分困难的。

但是，由于汽包水位测量对象十分复杂，而汽包水位测量采用的联通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比条件变化时会造成远远超出上述要求的非常大的误差。

所以长期以来，保证汽包水位测量准确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题。

2．可靠性高
汽包水位测量系统应从取样开始，到信号转换控制和保护回路，以及供电回路均应十分可靠。

此外，除了提高装置本身的可靠性外，还应提高系统的可靠性，包括对汽包水位测量、控制和保护系统的配置应采取严格的冗余要求，应采用两种或以上工作原理共存的配置原则；锅炉汽包水位控制和保护用的水位测量信号应采取三重冗余等。

3．维护性好
锅炉汽包水位测量系统的维护应简单、维护工作量应尽可能少，而且应便于进行在线实
际水位信号的保护联动试验等。

2．1 概述
现代大型锅炉汽包内部结构如图2-1所示。

汽包长达20m左右，汽包内部结构十分复杂。

锅炉水冷壁的上升管经联箱汇集后，通过较少的管路沿汽包长度方向均匀分布地与汽包相联，而下降管则直接沿汽包长度方向均匀分布地与汽包相联,两侧端头处不联接上升管和下
降管。

汽包内装有旋风分离器，从上升管来的汽水混合物送入旋风分离器，分离出来的蒸汽通过汽包顶部的蒸汽导管引出至过热器，余下的水落入汽包内，再通过与汽包底部联接的下降管至下降管联箱再回到水冷壁受热面继续受热。

锅炉连续排污的连通管和加药管的连通管布置在汽包正常水位线下不远的地方。

图2-1 锅炉汽包内部结构图
2．2 锅炉汽包水位测量对象的静态特性
汽包水位对象特性无论从静态和动态分析都是十分复杂的，进出汽包的汽水不平衡、汽包内压力的变化以及燃烧工况的变化都会影响汽包水位的变化，而且在各种扰动下的变化特性有着很大的差异，不弄清它的种种特性就不可能正确设计和安装汽包水位测量系统，在锅炉运行时也往往难于判别汽包水位计异常的真正原因，例如，当几套汽包水位计示值出现较大偏差时，到底是测量系统的问题，还是锅炉运行方式的问题？如果是测量系统的问题，那到底是测量装置本身的问题，还是安装的问题;如果是运行方式的问题，就需要运行人员重新调整运行方式，等等。

因此，深刻了解锅炉汽包水位测量对象的静态和动态特性是我们研究汽包水位测量系统，防止汽包满、缺水事故的首当其冲的重要任务。

1．汽包安装条件的影响
按照锅炉制造厂的要求，亚临界锅炉汽包安装时的水平度应≤5mm，也就是说汽包两侧中心线的高度差应≤5mm。

汽包两侧的水位表安装时都应分别以汽包两侧的中心线为基准来定值，这样才能真实反映汽包内相对于汽包中心线的水位，但因此就造成两侧水位表有偏差。

2．下降管的影响
锅炉正常运行过程中，汽包内的水是以很高的速度连续不断地进入下降管的，对于亚临界锅炉而言，下降管内的水流速度可以达到3m/s以上。

对于强制循环锅炉，由于下降管中增加了炉水循环泵，当泵的运行方式改变时，汽包内水面高低分布的情况也会跟着变化。

根据在一台300MW亚临界强制循环锅炉上的试验，当甲乙两台循环泵运行、丙泵停运时，两侧水位偏差高达40～50mm，局部偏差更大。

3．燃烧偏差的影响
2．3 锅炉汽包水位测量对象的动态特性
当由于给水流量扰动，造成给水流量与蒸汽流量不平衡时，汽包水位响应特性如图2-2。

现代大型锅炉，汽包水位的飞升速度是非常快的，对于1025t/h锅炉，当给水产生100%扰动时，一般15秒左右汽包水位就会到达事故停炉值。

图2-2 给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线
当由于蒸汽流量扰动时，汽包水位响应特性如图2-3。

图2-3 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线
正常情况下，水冷壁上升管内和汽包内上升管区的水容积中的汽包含量较多，而水冷壁下降管内和汽包内下降管区的水容积中的汽泡含量很少。

汽包压力将随之快速降低，对应的饱和水温度降低，于是汽包水平面以下的水容积中的
一部分水会汽化而生成汽泡，造成汽包水位抬高，由于炉水汽化造成的水位抬高速度快于汽水不平衡造成的水位下降速度，因而出现图2-3所示的“假水位”现象。

“假水位”实际上是汽包内实实在在的真水位，人们称之谓“假水位”是因为，它不是由于汽水不平衡引起的持续的飞升变化，而是由于汽包压力急剧变化，使炉水中汽泡含量瞬间增减而造成的汽包水位瞬间变化。

因为汽泡的比重远远小于其饱和水的比重，所以由于汽泡增加抬高的水位在联通管式和差压式水位计中当然会没有多大反应了。

因此，当汽包压力急剧变化引起汽包出现“假水位”时，汽包内的实际水位偏差要大于测量仪表上反映出的偏差值，
表2-1 国内外主要亚临界锅炉汽包正常水位以及报警值和跳闸值
制造厂 C E B&W F．W 哈锅哈锅上锅上锅东锅炉型
汽包直径
NWL距汽
包中心线
强制
70＂
-9＂
自然
72＂
自然
72＂
-3＂
强制
1778mm
-229mm
自然
1778mm
-120mm
强制
1778mm
-229mm
自然
-50mm
自然
1792mm
-100mm
高跳闸值
高报警值
NWL值
低报警值
低跳闸值
+10＂
+5＂
-7＂
-15＂
+8＂
+6＂
-7＂
-9＂
+8＂
+4＂
-4＂
-11＂
+254mm
+127mm
-178mm
-381mm
+240mm
+120mm
-180mm
-330mm
+254mm
+127mm
-178mm
-381mm
+250mm
+125mm
-200mm
-350mm
+250mm
+150mm
-150mm
-250mm
汽包正常水位以及报警值和跳闸值应由锅炉厂确定，运行中不得随意修改，如在运行中发现不妥时应取得锅炉厂书面正式允许后方可修改。

3．2 联通管式锅炉汽包水位计
图3-1 联通管式水位计原理图
1）汽包压力随着汽包压力的增加，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的差值增大。

汽包压力在额定工况下、汽包水位处于正常水位时，联通管式水位计的平均温度低于饱和温度的数值一般为：中压炉50～60℃，高压炉60～70℃，超高压及以上锅炉70～80℃以上。

每升高1Mpa时，一般联通管式水位计的示值偏差的变化平均为-6.5mm左右。

2）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。

水位变化±50mm 时平均水温较正常水位时约有16～24℃的变化。

3）汽包压力的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的变化，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120℃。

根据上海锅炉厂提供的资料，对于亚监界锅炉(18.4～19.6MPa)在额定压力下，汽包水位计的零水位要比汽包内实际正常水位低150mm。

如果将水位计下移150mm，当H＝0mm时，近似偏差ΔH＝0mm；虽然在正常水位处偏差消除了，但当高水位和低水位时，误差仍将很大。

综上可见，上述的基于联通管式原理的汽包水位计显示的水柱值不仅低于锅炉汽包内的实际水位，而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响。

3．3 差压式锅炉汽包水位计
图3-2 水位-差压转换原理图
图3-3 汽包压力和密度差的关系
因此，汽包压力的变化将影响差压水位计的测量结果。

此外，参比水柱温度变化同样也会影响差压水位计的测量结果。

根据某电厂条件下的计算，参比水柱平均温度对水位测量的影响如表3-1所示。

表3-1 参比水柱平均温度对水位测量的影响表
(40℃为基准)
温度（℃）40 60 80 100 120 130 140 160
影响值(mm) - 9.6 33.2 62.3 91.4 108 125 162
从表3-1可知，如果参比水柱的设定温度值为40℃，当其达到80℃时，其水位测量附加正误差33.2mm；当参比水柱温度达到130℃时，其水位测量附加正误差高达108mm。

锅炉汽包水位测量系统的安装、调试和运行维护
锅炉汽包水位的测量 (1)
1．1 锅炉汽包水位测量的重要性 (1)
1．2 锅炉汽包水位测量的基本要求 (1)
2．1 概述 (2)
2．2 锅炉汽包水位测量对象的静态特性 (3)
2．3 锅炉汽包水位测量对象的动态特性 (4)
3．2 联通管式锅炉汽包水位计 (5)
3．3 差压式锅炉汽包水位计 (6)
锅炉汽包水位测量系统的安装、调试和运行维护 (7)
上图为违背取样孔独立性原则的典型安装实例，它们都是在一个取样孔上并联三个水位测量
装置。

图6-4 冗余水位计取样装置安装在汽包同一端头的典型错误实例
图6-5 安装典型错误之一：取样管出现了凹下弯曲，再则平衡容器前的取样管通流不够且管路过长。

图6-6所示为一个大量程水位计的单室平衡容器，其取样管出现了一个凹字弯，是其不能准确投入运行的主要原因。

图6-7所示，两个单室平衡容器参比水柱均作了保温处理，增大了测量误差，再则其倾斜角度过大，当高水位时会形成"水封"，增大水位测量误差。

该图，当水位上升时，汽包水位淹没汽侧取样口，(取样口过低约100mm左右)，在水位不变的情况下，会造成汽包水位从100mm左右飞升至满量程(300mm)，存在着高水位保护误动的隐患。

从图6-8所示，取样管倾斜方向安装反了，水位计无法正确运行。

图6-9所示，是变送器安装的一种常见错误，此种安装易造成变送器内滞留汽泡，带来测量误差。

图6-10所示为汽包水位测量系统取样阀门阀杆未处于水平位置的错误实例。

图6-11 各单室平衡容器参比水柱温度偏差实例。