分布式能源站余热锅炉锅筒水位测量系统的设计与应用

董淑梅，余莉，杜矩虎

(1.中国华电科工集团有限公司，北京 100070； 2.华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100070)

图1 高压锅筒水位测量仪表配置方案1

0 引言

随着国家对节能减排的重视以及对新能源技术的支持，以燃气和冷、热、电三联供系统为核心的分布式供能技术已经在国内各类地区得到了实际应用。燃机余热经过余热锅炉进入蒸汽轮机做功发电是区域型分布式能源站最常见的余热利用形式。余热锅炉作为分布式能源站最重要的生产设备之一，它的安全稳定运行是整个分布式能源站的重要指标。余热锅炉锅筒水位是余热锅炉安全运行中一个重要的监控参数。锅筒水位间接反映了蒸汽负荷和给水量之间的平衡关系。维持余热锅炉锅筒水位在正常范围内是锅炉运行的重要安全指标。当锅筒水位超出正常运行范围时，将影响余热锅炉和蒸汽轮机的安全。锅筒水位过高，会影响汽水分离器的正常工作，造成蒸汽带水而使过热器结垢，情况严重时还可能使汽轮机叶片结垢，损坏汽轮机。锅筒水位过低，则会破坏水循环，造成蒸发器及省煤器的损坏。因此余热锅炉锅筒水位测量系统在整个能源站热工测量及控制中尤为重要。本文以某工程双压余热锅炉的高压锅筒水位测量系统为例，对余热锅炉锅筒水位测量系统的设计要点进行说明。

1 高压锅筒水位测量仪表配置方案

该项目余热锅炉为双压无补燃式，高压主蒸汽最大连续蒸发量，44 t/h；压力，7.2 MPa；温度，460±5 ℃；高压锅筒设计压力，8.20 MPa；最高工作压力，7.59 MPa。

结合该分布式能源站余热锅炉高压锅筒的实际情况、同类能源站的余热锅炉锅筒水位测量系统仪表的配置经验和DL/T 1393—2014《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规程》(以下简称DL/T 1393—2014)的相关条文规定，我们给出了以下2种配置方案。

(1)6套差压式锅筒水位计+1套电极式锅筒水位计+2套就地水位计+2套锅筒水位工业电视前端监视摄像头，由于锅筒中饱和水和饱和蒸汽的密度会随压力变化，设计时还应考虑设置压力变送器对锅筒水位进行压力校正，方案如图1所示。

(2)3套差压式锅筒水位计+2套电极式锅筒水位计+2套就地水位计+2套锅筒水位工业电视前端监视摄像头，如图2所示。

图2 高压锅筒水位测量仪表配置方案2

根据DL/T 1393—2014的规定，锅筒水位测量系统应采用2种或2种以上工作原理共存的配置方式[1]，常用的测量装置有差压式水位计、电极式水位计、就地连通管式水位计、水位工业电视测量装置等。

差压式水位测量装置是利用液体静力学原理将水位信号转换成差压信号来实现测量的。它由平衡容器、导压管和差压变送器3部分组成，水位信号首先由平衡容器转换为差压信号，经过差压变送器远传至分散控制系统(DCS)，在模拟量控制系统(MCS)中参与余热锅炉给水的调节。

电极式水位计是利用锅筒内汽、水介质的电阻率相差很大的性质来测量锅筒水位的。它主要由测量筒、电极、自补偿装置、二次仪表等几部分构成，该仪表的优点是指示值不受锅筒工作压力变化的影响，在锅炉启停过程中也能准确反映水位情况，延迟小，测量直观，基本能满足运行人员对水位的观测要求。电极式水位计可以远传，但由于该仪表测量方式属于间隔式测量，因此不能将其远传信号作为被调量用于控制系统。

本项目的就地显示水位计采用双色水位计并辅以工业电视成像系统作为监视手段。双色水位计是利用光学系统改进显示方式的一种连通器式水位计。

2 平衡容器的选择及水位信号的校正[2]

差压式水位计准确测量锅筒水位的关键在于水位与差压之间的准确转换，这种转换是通过平衡容器来实现的。通常采用的平衡容器有单室平衡容器、双室平衡容器[3]。根据所配平衡容器不同锅筒水位有以下2种校正方法。

2.1 采用单室平衡容器进行水位校正

差压变送器与单室平衡容器配合使用的测量原理如图3所示，由余热锅炉高压锅筒汽侧引取样管至单室平衡容器，进入平衡容器的蒸汽不断凝结成水，多余的水溢流回锅筒，使平衡容器内的水位保持恒定。差压变送器的正压头由于平衡容器有恒定的水柱而维持不变，负压头则随锅筒水位的变化而变化。

图3 单室平衡容器水位测量系统

由图中可知：

p1=ρGgH+ρsg(L-H) ，

p2=ρagL，

Δp=p2-p1=ρagL-ρGgH-ρsgL+ρsgH=

(ρa-ρs)gL-(ρG-ρs)gH，

(1)

式中：pb为锅筒压力，MPa；L为汽水连通管之间的垂直距离，m，即最大变化范围；H为锅筒水位高度，m；p1，p2为加在差压变送器两侧的压力，MPa；ρs为饱和蒸汽密度，kg/m3；ρG饱和水的密度，kg/m3；ρa为锅筒外平衡容器内凝结水的密度，kg/m3；DPT为差压变送器，MPa；g为重力加速度常数。

当L一定时，水位H是差压和汽、水密度的函数。密度ρa与环境温度有关，一般可取50 ℃水的密度。在锅炉启动过程中，水温略有增加，但由于同时压力也升高，两种因素对ρa的影响基本可抵消，可近似地认为ρa是恒值。而饱和水和饱和汽的密度ρG和ρs均为锅筒压力ρb的函数即：

ρa-ρs=fa(pb) ，

ρG-ρs=fb(pb) 。

(式1)可改写为：

(2)

按照式(2)，则可设计水位压力自动校正路线图，如图4所示。图4中函数组件f1(x)、f2(x)分别模拟式(2)中的fa(pb)和fb(pb)。密度与锅筒压力之间的函数曲线则如图5所示。

2.2 双室平衡容器的水位取样装置水位校正

双室平衡容器这种装置本身基本上可以补偿启动或停炉过程中水位测量误差，校正原理如图6所示。

图4 单室平衡容器水位压力校正线路

图5 密度与锅筒压力关系曲线

图6 双室平衡容器水位测量和压力校正回路

其水位表达式为：

式中：L为正压取压管管口到负压管水平的中心线之间的距离，m；H为锅筒水位高度，m；ρa为平衡容器内凝结水的密度，kg/m3；ρG为饱和水的密度，kg/m3；ΔP为变送器两端差压，MPa。

3 余热锅炉锅筒水位调节系统信号处理

锅筒水位调节系统的水位信号无论是方案1还是方案2均应取自3个各自独立的差压式锅筒水位计，其输出信号应分别进入其控制器的3个各自独立、互相电隔离的输入模件，经“三取中”逻辑判断后用于调节系统。

锅筒水位补偿用的锅筒压力变送器宜独立配置，其输出信号应分别各自引入相对应的锅筒水位差压信号的输入模件。

4 余热锅炉锅筒水位保护系统信号处理

当锅筒水位测量系统仪表配置采用方案1，即6套差压式锅筒水位计+1套电极式锅筒水位计时，保护系统的水位信号宜取自与进入水位调节系统的锅筒水位计不同的另外3个各自独立的差压式锅筒水位计，其输出信号应分别进入其控制器的3个各自独立、互相电隔离的输入模件，经“3取中”或“3取2”逻辑判断后用于保护系统[4]。

当锅筒水位测量系统仪表配置采用方案2，即3套差压式锅筒水位计+2套电极式锅筒水位计时，锅筒水位保护的“3取2”逻辑信号，两个取自2个独立的电极式测量信号，另外1个信号取自由3个独立的差压式水位计在锅筒水位控制系统的DCS冗余控制器中经“三取二”逻辑后得到的信号。

5 方案比选

由上述可知，方案一的优点是控制和保护逻辑简单清晰，但仪表数量较多，需要较大安装空间；方案2的优点是仪表造价略低，仪表数量较少，需要的安装空间小；经过综合比较及与业主的沟通，本工程最终选择了方案1的仪表配置形式应用在该项目余热锅炉锅筒水位测量系统中。

6 结束语

在余热锅炉锅筒水位测量系统的设计过程中设计者要综合考虑锅筒的水位测量原理、锅筒水位控制保护逻辑、仪表控制设备特性及锅筒仪表安装空间等因素，才能设计出合理的测量方案。同时工程的经济性也是在实际设计过程中需要考虑的因素，不能盲目高配，也不能任意低配，测量系统的仪表配置形式、数量应在充分考虑工程经济性的前提下根据实际需要来确定。