内装平衡容器在燃气电厂余热锅炉汽包水位测量的应用

曲雪莹

0 引言

燃气—蒸汽联合循环电厂是目前国际上发展极为迅速的发电形式，这类机组发电有利于改善电网结构，特别适合用于地区调峰发电。

某热电有限公司采用4台日本三菱M701F4型燃气轮机组成两套“二拖一”燃气—蒸汽联合循环发电供热机组，与燃气轮机配套的4台9F级余热锅炉为杭州锅炉集团公司引进美国N/E公司技术设计制造。

余热锅炉为三压、再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉，每台余热锅炉高压汽包、中压汽包、低压汽包各安装了3台HDSC-DNZ型内装平衡容器，1台HDSC-DNZQ型满量程内装平衡容器。

1 汽包水位准确性对余热锅炉运行安全的重要性

余热锅炉运行中，是通过汽包水位测量和保护系统来监测和控制汽包水位并保证余热锅炉的安全运行。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，以确保余热锅炉和蒸汽轮机的安全。因此，汽包水位测量和保护系统是机组安全运行的极重要的系统。保持余热锅炉汽包水位在正常范围内是余热锅炉运行的一项重要的安全性指标[1]。

由于原有汽包水位计在原理和结构设计上存在缺陷，测量误差很大，且影响误差的因素较多，误差存在很大的不确定性，各水位计之间偏差大。汽包水位测量系统的准确性差是发电厂普遍存在的问题，给发电厂的安全高效运行带来很大事故隐患。因此提高锅炉汽包水位测量系统的准确性与可靠性，消除满、缺水事故安全隐患成为迫切需要解决的课题。

2 传统汽包水位测量和保护系统存在的问题及安全隐患

2.1 传统汽包水位计的测量误差分析

目前汽包水位测量均采用间接测量法，下面对传统差压式汽包水位计进行误差分析[2]。

差压式测量技术自现代锅炉发明起就在测量水位方面得到了应用，其结构如图1所示。

图1 差压式汽包水位计结构

汽包内水和饱和蒸汽密度的变化、参比水柱温度的变化均会影响差压水位计的测量结果。

传统差压水位计的结构将不可避免地产生测量误差。其误差来源主要以下2个方面：

1）参比水柱平均密度ρa产生的误差。在进行补偿计算时，公式中参比水柱平均密度ρa不能够准确得出，一般采用估算值，取一个常量带入DCS中进行计算，这将不可避免地产生测量误差。首先，参比水柱平均密度ρa很难准确得出。如图2所示，参比水柱顶部温度近似为饱和温度，但由于散热，参比水柱上各点的温度呈指数下降，在参比水柱的下部温度就与环境温度相近了。这就造成了参比水柱平均温度很难准确得出。

图2 实测某电厂平衡容器参比水柱温度

其次，参比水柱的温度受环境影响较大，季节变换，环境温度变化、风向变化，均会对参比水柱的平均温度产生影响。

表1是某电厂参比水柱平均温度估算误差对汽包水位测量产生的影响。

表1 参比水柱平均温度对水位测量的影响值（40℃为基准）

从表1可知，如果参比水柱平均温度估算值为40℃，当其实际温度达到80℃时，其水位测量附加误差为33.2 mm；当其实际温度达到130℃时，其水位测量附加误差高达108 mm。

2）汽包内水欠饱产生的测量误差。大部分余热锅炉汽包内的水是欠饱和的，但我们在补偿计算时，将ρw认为饱和，这将不可避免地产生测量误差。在正常水位运行时，欠饱和5℃左右导致的测量误差为40 mm左右。而欠饱和1℃时，影响水的密度约为9.64 kg/cm2，汽包内水温欠饱和1℃影响汽包水位误差9 mm左右。同时，汽包内水欠饱和产生的测量误差与参比水柱平均温度产生的测量误差是一致的，是叠加的，且水位越高误差越大，由此可见汽包内水欠饱和对水位测量的影响是不可忽略的。

2.2 传统汽包水位测量和保护系统存在的安全隐患及影响

机组高水位或低水位运行都会给发电厂的安全高效运行带来很大事故隐患，易造成汽包水位失控，发生水位保护拒动或误动，造成重大设备损坏事故及经济损失。水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成锅炉过热器受热面结盐，造成过热器爆管，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏、轴系断裂，造成设备的损坏或报废；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，影响水循环工况，造成蒸发器管大面积爆破。但由于现行汽包水位测量和保护系统中，各水位计的测量误差较大，且影响误差的因素较多，误差存在很大的不确定性，同时各水位计之间偏差大，给运行人员监测和控制带来困难，很多电厂长期在高水位或低水位运行。某些电厂为减小各水位计之间偏差，采用云母水位计下移，修改DCS、或修改变送器等办法进行修正，这样只能使各水位计在额定工况和正常水位情况下，指示值接近，埋下了事故隐患，存在保护误动或拒动的可能。

某些电厂通过在DCS系统内调整汽包水位测量值，使得各汽包水位计之间偏差减小，汽包水位测量曲线平滑，这对于整个系统的安全是非常不利的，不能对汽包水位进行有效的监测和控制，易导致汽包水位保护误动和拒动，进一步加大汽包水位测量和保护系统的安全隐患。

3 汽包水位测量新技术研究及应用

针对目前发电厂在运行过程中遇到的汽包水位计无法标定，测量误差大，各水位计之间偏差大，启炉时保护不能正确投入等问题，已经投入商业运行的1、2号余热锅炉各汽包使用的HDSC-DNZ型内装平衡容器效果理想，消除了汽包水位测量与保护系统存在的安全隐患。

汽包水位内装平衡容器结构如图3所示。

图3 内置式平衡容器原理

汽包内装平衡容器在结构上进行了改进，将关键的“参比水柱”由汽包外部改至汽包内部，不仅完全消除了环境温度对水位测量的影响，同时消除了汽包内炉水欠饱和对测量的影响，测量值只与汽包内的饱和蒸汽和饱和水的密度及变送器测得的差压值有关。而饱和蒸汽和饱和水的密度是汽包压力的单值函数，因此它的测量结果准确可靠，优于传统差压水位计。

图4、5为余热锅炉高压汽包水位操作员站画面实时显示及DCS历史曲线。

图4 高压汽包水位操作员站画面实时显示

图5 高压汽包水位DCS历史曲线

由图4、5可以看出新的汽包水位测量技术在燃气电厂余热锅炉高压汽包上的应用后，运行过程中可以达到汽包水位同端偏差在30 mm以内，两端偏差在50 mm以内。

4 结语

内装平衡容器技术在陈塘燃气电厂余热锅炉的成功使用，是该汽包水位先进测量技术在燃气—蒸汽联合循环发电供热机组余热锅炉中压汽包，低压汽包水位测量上的首次应用，为国内燃气电厂使用该技术起到了良好的示范作用，同时对国内外余热锅炉汽包水位测量技术的发展提高，起到了促进作用，具有广阔的推广前景。

[1]靳允立，於国良.燃气-蒸汽联合循环机组控制策略分析[J].热力发电，2015（6）∶25-30.

[2]候子良，刘吉川，侯云浩，吕锡江.锅炉汽包水位测量系统[M].北京：中国电力出版社，2005.