循环流化床锅炉汽包水位测量中的问题分析与改进

郭建文

(甘肃银光化学工业集团有限公司仪表计量检测中心,甘肃 白银 730900)

循环流化床燃烧技术是近几十年来发展起来的一项洁净煤燃烧技术，具有高效和低污染的特点，有利于改善劣质煤的燃烧问题并减轻硫化物的排放。为了保证循环流化床锅炉的安全平稳运行，必须对锅炉的过程工艺与设备采取有效的控制，其中锅炉汽包水位测量对保障锅炉安全运行起着非常重要的作用。但由于循环流化床锅炉汽包内的测量环境比较复杂，实现汽包水位测量存在一定的难度，同时锅炉汽包水位测量技术尚有不完善之处，为此笔者对循环流化床锅炉汽包水位的测量进行分析研究，制定测量改进方案，以提高循环流化床锅炉汽包水位的测量准确性。

1 循环流化床锅炉简介①

循环流化床锅炉是一种新型的燃用固体燃料(如煤)的锅炉，固体颗粒(石灰石、砂粒及炉渣等)在炉膛内以一种特殊的气固流动方式运动，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。

循环流化床锅炉可分为两部分：第一部分为流化床燃烧室，由气固分离设备(分离器)、固体物料再循环设备(返料装置和返料器)及外置换热器等组成，这些设备形成了一个固体物料循环回路；第二部分为尾部对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器及空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近[1]。

2 汽包水位测量

2.1 汽包水位测量的特点

锅炉汽包满水、缺水事故是长期困扰锅炉安全运行的重大恶性事故，因此保证循环流化床锅炉汽包水位测量的可靠、准确显得非常重要，保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要安全指标。但由于锅炉汽包内工艺环境条件复杂，汽液两相共存，汽包内压力高且压力随运行工况可变，燃烧负荷、燃烧工况与给水流量变化都会引起汽包水位的改变，这给汽包水位的准确测量和控制带来一定的困难。

锅炉汽包内水位不平稳。锅炉在运行控制过程中由于各蒸发受热面、受热工况的波动和负荷的变化，造成进入汽包的汽水混合物中汽水比例不断发生变化，同时由于负荷的变化汽包内各点的压力也处于不断的波动变化中，最终导致汽包内水位不平稳。

锅炉汽包内汽液两相共存。尽管汽包内装有汽水分离装置，但汽包中的水还是存在气泡；蒸汽中也含有水滴，特别是在汽水界面附近，蒸汽和水两相共存；而且在锅炉汽包垂直方向上蒸汽湿度变化率不一致，造成汽水分界面模糊不清，导致汽包内水位测量困难。

锅炉汽包内存在虚假水位。一般来讲，一个设备或其他容器内的液位是比较稳定、直观而且容易测量的，但锅炉汽包内的液位由于负荷与燃烧工况的变化，导致其存在虚假水位。

通常情况下，汽包水位在给水流量的作用下，水位变化反映了给水量与蒸发量的物质平衡情况。当给水量小于蒸发量时，水位下降；当给水量大于蒸发量时，水位上升。但是当锅炉蒸汽负荷突然增大时，蒸汽流量突然增加，在燃料量不变的情况下，根据物料平衡关系，水位变化应该降低，但实际情况并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间导致汽包内压力下降，汽包内水沸腾加剧，水中气泡迅速增加，产生短暂的水位升高，与物质平衡原则相违，此时上升的水位即为虚假水位；反之当锅炉负荷突然下降时，蒸汽流量减少，也会出现短暂的水位下降，然后上升，出现虚假水位。虚假水位的出现会造成控制系统的误动作，给控制带来困难。因此应认识其规律，采取相应的措施[2]。

由于锅炉汽包水位测量的特殊性，因此应选择合适的水位测量仪表与测量方案。

2.2 汽包水位测量仪表

常用的水位测量仪表有差压式液位远传测量仪表、就地显示玻璃板式水位计和电接点水位计。

差压式液位远传测量仪表一般由远传差压变送器、取压导管和平衡容器(一般用双室平衡容器)组成。通过测量汽包内水位的压差，将水位信号转换为压差信号来实现水位的测量。远传差压变送器一般采用目前测量技术成熟的二线制差压变送器，供电24V(DC)，输出标准4～20mA信号。差压式液位远传测量仪表系统的一个关键部件是双室平衡容器。平衡容器主要有单室平衡容器和双室平衡容器，其主要作用是实现汽包水位与压差之间的准确转换。双室平衡容器由于其结构的合理性，在实际使用中采用得比较多。简单双室平衡容器测量取压回路如图1所示。

图1 简单双室平衡容器测量取压回路

汽包内的蒸汽在双室平衡容器凝气筒A内不断凝结变为液态，多余的冷凝液通过平衡容器上接管溢流回汽包内，因此凝气筒A内的液面总是保持恒定，筒内的液体可作为参比水柱(即测量的基准)，接差压变送器的正压室，正压室的压力是恒定的。倒T字形连通器，其水平部分一段接入汽包，另一端接入变送器的负压室，负压侧的水柱高度则随汽包水位H而变化，它的主要作用是将汽包内的动态水位产生的压力传递给差压变送器的负压室，与正压室(参比水柱)压力比较从而得到汽包中的水位。

从图1中可以看出，锅炉汽包在正常运行时双室平衡容器凝气筒A内必须满水且保持恒定，这样参比水柱才能恒定，且基准保持不变。

就地显示玻璃板式水位计属于就地显示液位计，其液位直观、测量原理简单，根据连通管的原理显示汽包内的水位。

电接点水位计是利用汽水介质的电阻率相差很大的性质来实现水位测量的，属电阻式水位测量仪表，其突出优点是指示值不受汽包压力变化而影响，能准确反映水位情况，结构简单，应用比较广泛[3]。

2.3 汽包水位测量方案

根据火力发电厂锅炉汽包水位测量系统的技术规定，锅炉汽包水位测量系统必须利用两种或两种以上工作原理共存的配置方式。因此，锅炉汽包水位的测量至少应配置独立的就地显示玻璃板式水位计、差压式液位远传测量仪表和电接点水位计，并且每个水位测量装置都应有独立的取样孔。不得在同一取样孔上并联多个水位测量装置，避免相互影响，降低水位测量的可靠性。

差压变送器锅炉汽包水位测量系统如图2所示，主要由差压变送器、双室平衡容器、引压管及排污管等组成。汽包水位测量系统中，水位越高，压差越小，输出信号越小：4mA时对应满水位，20mA时对应零水位。

3 案例分析

3.1 汽包水位测量运行情况

甘肃银光化学工业集团有限公司近几年通过投资项目先后新建了4台30t循环流化床锅炉，其中4#、5#锅炉汽包水位计自投运以来一直运行不正常，问题反复出现，维护人员维护工作量大，尤其是4#锅炉汽包水位计存在运行和维护安全 隐患，但是一直没有找到水位计运行不正常的核心问题。

图2 差压变送器锅炉汽包水位测量系统

4#、5#锅炉为单汽包流化床锅炉，每台锅炉汽包分别配置两台远传差压液位计、两台玻璃板水位计和一台电接点水位计。运行过程中经常出现两台远传差压液位计读数不稳定、读数不一致的情况；两台玻璃板水位计的其中一台读数相对比较稳定，经与实际确认读数也较准确，另一台玻璃板水位计读数不稳定、跳动较大；而且两台远传差压液位计和两台玻璃板水位计经常出现读数不一致的情况，导致锅炉汽包水位给水控制一直未能实现自动控制。

3.2 存在的问题

根据上述现象，对所运行锅炉的所有水位计进行调研，发现4#、5#锅炉汽包水位计存在较多问题，查阅4#、5#锅炉相关设计图纸，经分析发现，造成循环流化床锅炉水位计运行不正常的原因主要有以下两方面：

a. 双室平衡容器工作不正常。引起双室平衡容器工作不正常的主要原因是排污阀漏水、凝气筒中的水漏光、取压管与取压阀门配置不合适。

b. 锅炉汽包水位取压点不合适。4#、5#锅炉所有水位计取压位置都在锅炉汽包的中部，然而锅炉汽包中部测量环境条件较差，造成汽包内水位计测量不稳、不准，导致汽包水位计不能正常工作。

改造前汽包水位测量系统回路如图3所示。

图3 改造前汽包水位测量系统回路

3.3 分析研究

为了验证上述造成汽包水位计运行不正常的原因，在前期调研的基础上制定了试验方案，并在4#锅炉进行了试验验证，试验结果与发现的问题如下：

a. 差压液位仪表运行正常且满足测量要求。

b. 4#锅炉两台水位计的双室平衡容器排污阀与正负压室排污阀均漏水且设置不合理，造成双室平衡容器凝气筒内液态水泄漏，参比水柱不恒定，导致水位测量不准、不稳。

c. 在排除锅炉汽包排污阀与双室平衡容器正负压室排污阀均漏水的问题后，在没有汽包的情况下双室平衡容器与差压液位计测量回路正常，测量准确、稳定。

d. 在排除锅炉汽包排污阀与双室平衡容器正负压室排污阀均漏水的问题后，在静态(不产蒸汽)情况下，对锅炉汽包加减水，确认锅炉汽包、双室平衡容器和差压液位计测量回路均正常；玻璃板液位计工作正常；两台差压液位计、两台玻璃板液位计和DCS系统操作面板液位显示数据基本一致。

e. 在动态(产蒸汽)情况下，锅炉汽包水位计运行不稳定，是由于锅炉汽包液位计取压点不合适和测量环境不稳定造成。

f. 差压液位计未增加取压手阀，给后期维护带来不便。

通过以上试验分析，在锅炉正常运行中双室平衡容器凝气筒内一直要充满液态水才能保证水位测量准确、稳定，锅炉在长时间停炉后重新点炉运行前必须检查双室平衡容器凝气筒内是否为满水位，否则要通过注水孔加满水；锅炉水位计取压口一定要选择汽包内环境相对比较平稳的地方(如汽包两端)。

3.4 整改方案

对4#、5#锅炉汽包双室平衡容器正负压室排污阀方案重新进行设计，排污阀只保留一个，进行直排，不与锅炉其他排水系统相连。当排污阀泄漏时可及时发现，避免双室平衡容器凝气筒内液体外漏，优化排污管线与排污阀。差压液位计应增加取压手阀，以方便后期的维护，取压管配置应尽可能短。选择合适的汽包水位计取压点，这在锅炉建成汽包安装完毕后实现比较困难，因此最好在汽包加工制作前选择好水位计的取压点。锅炉高温、高压处所使用的阀门按规定应选择高温、高压阀门，以防泄漏。改造后汽包水位测量系统如图4所示。

按照整改方案改造后的汽包水位测量系统，两台差压液位计运行平稳，水位读数准确一致；两台差压液位计与两台玻璃板水位计读数一致，且能实现锅炉汽包水位的自动控制联锁。

4 结束语

循环流化床锅炉汽包水位测量由于其测量环境的复杂性与不确定性，水位测量技术有待于进一步改进与完善，对锅炉汽包水位测量的认识需进一步提高。锅炉汽包水位作为锅炉运行的一个

图4 改造后汽包水位测量系统

重要参数，对锅炉的安全运行起着非常重要的作用，在实际锅炉运行操作中要引起足够的重视，保证汽包水位测量系统正常运行，测量准确、可靠，并严格按照相关标准规定进行操作。同时，应加强盘面操作人员、现场操作人员和工程技术人员对循环流化床锅炉原理结构和使用维护保养运行的学习，保证锅炉安全运行，并在实际生产中发挥循环流化床锅炉的更大效率。

[1] 张力.锅炉原理[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 路春美,程世庆,王永征,等.循环流化床锅炉设备与运行[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3] 张东风.电厂热力过程自动化[M].北京:中国电力出版社,2011.