导波雷达测量方式在9FA燃机余热锅炉上的应用与优化

钟一婵

（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）

0 引言

汽包水位是机组运行的一个重要参数，正确测量汽包水位是实现给水自动调节和汽包水位保护投入的前提，是保证机组安全运行的必要条件。汽包水位计算偏差使得汽包水位控制系统的稳定性、准确性降低，同时也影响汽包水位保护的正常投入，最终影响机组安全运行。

某电厂共有6 台GE 公司生产的9FA 单轴燃气蒸汽联合循环机组，每套机组配置一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台蒸汽轮机和一台发电机，机组控制系统采用Mark Ⅵe一体化控制[1]。每台余热锅炉设计的汽包液位测量方式采用差压式汽包液位计、电接点液位计和双色磁翻板式水位计。差压式汽包液位计的液位值用于汽包的自动调节和逻辑保护，因此要确保差压式汽包液位计数据的准确可靠。

差压式汽包液位计测量原理是通过取样筒将汽包液位高低变化转化为差压变化的方式来进行测量。取样筒内的参比水柱不准则直接影响变送器差压测量，会造成水位数据不准确，同时取样筒至变送器的管路中，如果有杂质、空气或因天气寒冷管道内介质冻住等原因都会造成差压变送器指示不准确。汽包水位不准和存在偏差问题一直困扰热控和运行人员，特别是在机组冷态启动时，还需花费大量的人力、时间在取样筒凝水，管路排气排杂质的工作上。

相对而言，导波雷达液位计的测量不受天气、测量管路、机组状态等因素影响，测量及响应精度较高，而且近几年来在燃煤机组的中低压高温容器已经得到一定的应用。综合以上各项情况，该电厂从2016 年开始陆续在余热锅炉的低压、中压直至高压汽包水位的测量中进行试用，效果良好。因此，在2018 年3 号机组大修中对其余热锅炉高、中、低压汽包共9 台水位计进行导波雷达改造，以提升水位测量的可靠性。

1 导波雷达液位计测量原理

导波雷达液位计是依据时域反射原理（TDR）为基础的雷达液位计。导波雷达液位计探头发出的电磁脉冲沿缆绳、杆式探头传播，当脉冲遇到被测液位表面时，部分电磁脉冲被反射，沿相同路径返回脉冲发射装置。超高速计时电路计算脉冲从发射到接收到反射波的时间差Δt，发射装置与被测液体表面的距离同传导时间成正比S = V×Δt/2，V 为电磁波传播速度，如果测量容器高度为H，则液位高度L = H-S[2]。

电磁波在不同介质中的传输速度是不同的，如在空气中的传输速度比在蒸汽中大。因此，在蒸汽工况条件下，计算出来的液位值比实际值偏小。导波雷达液位计需要进行蒸汽补偿，计算出实际蒸汽工况下的电磁波速度，从而得到实际液位。

2 旁路管液位与汽包实际液位间的偏差及补偿计算方案

2.1 旁路管液位与汽包实际液位间的偏差

导波雷达测量方式在汽包水位测量中的安装方式见图1。与差压式水位计类似，也需要在水侧和汽侧引出至导波雷达液位计旁路管（可采用原有的差压测量引出管）。饱和蒸汽通过汽侧取样孔进入旁路管，旁路管温度低于饱和蒸汽温度，使蒸汽不断凝结成水，多余的水自汽包水侧取样管流回汽包。因水位计旁路管散热的影响，汽包内的水、汽密度和旁路管内的水、汽密度不同，致使导波雷达水位计测得的水位和汽包内实际水位有偏差。

图1 中H 为旁路管高度；L 为导波雷达液位计旁路管中的液位；h 为汽包中的实际液位；ρs为汽包中饱和蒸汽的密度；ρw为汽包中饱和水的密度；ρs'为旁路管中饱和蒸汽的密度；ρa为旁路管中饱和水的密度；T 为旁路管上部和下部温度（测量元件PT100）的平均值，根据力平衡原理得：

图1 导波雷达液位计安装示意图Fig.1 Image map of the installation of the wave guide radar level gauge

如表1 所示，在常温常压下，汽包和水位计旁路管中的水密度是相等的，水位计旁路管中的水位与汽包内的水位也是相同的。随着压力的升高，汽包中的水密度ρw变小，蒸汽密度ρs变大；而水位计旁路管因散热的影响，水位计旁路管中的水密度ρa也变小，但变化幅度不如汽包内水的大；蒸汽密度ρsa'虽也有增大，但变化幅度没汽包内的大，即ρs是不等于ρs'的，ρa是不等于ρw的，致使水位计旁路管中水位和汽包内水位有偏差，这一差值始终是水位计旁路管中水位低于汽包水位，并且当h 值改变时，水位差值也会改变。

由于饱和水的密度远大于饱和蒸汽的密度，公式

2.2 运用Mark Ⅵe组态软件实现水位偏差补偿计算方案

因导波雷达水位计测得的水位和汽包内实际水位有偏差，可运用Mark Ⅵe 组态软件实现水位偏差补偿计算，运用Mark Ⅵe 控制器中模块STEAMTABLE。

STEAMTABLE 模块可以根据不同的状态区域进行计算，提取得到水、蒸汽的各种热力学参数。根据水汽不同状态分为3 种功能：

一是Liquid Water，该功能模块主要计算液态水的各热力学参数之间的转换。功能LIQ_WTR_PT 是将液态水的温度、表压力、气压作为输入量计算得到对应的焓、熵、比容。功能LIQ_WTR_PH 将焓、表压力、气压作为输入量，计算得到对应的温度值。

表1 饱和水和饱和蒸汽密度Table 1 Saturated water and saturated steam density

二是Saturation Liquid Curve，该功能模块主要计算饱和液体水的各热力学参数之间的转换。功能SAT_LIQ_T 将饱和液体的温度、气压作为输入量，计算得到对应的焓、熵、比容和表压。功能SAT_LIQ_P 是将饱和液体的表压、气压作为输入量，计算得到对应的焓、熵、比容和温度。功能SAT_LIQ_H 是将焓、大气压作为输入量，计算得到对应的温度、熵、比容和表压。

三是Saturation Vapor Curve，该功能模块主要计算液体-蒸汽和蒸汽混合区的各热力学参数之间的转换。功能SAT_VAP_T 是将温度和大气压作为输入量，计算得到对应的焓、熵、比容和表压。功能SAT_VAP_P 是将气压和表压作为输入量，计算得到对应的焓、熵、比容和温度。

故汽包中饱和水的密度ρw用STEAMTABLE 模块功能SAT_LIQ_P，输入汽包压力值计算得到；旁路管中饱和水的密度ρa用STEAMTABLE 模块功能SAT_LIQ_T，输入旁路管温度T（由上下两块热电阻PT100 测量得到平均值）计算得到。

考虑机组在启停过程中的汽水为非饱和水、饱和蒸汽，此时不适合用该公式进行偏差补偿。同时考虑当旁路管温度点故障时，对应的旁路管中饱和水的密度ρa则不准确，会引起偏差补偿值计算错误。因此，引入旁路管温度值进行逻辑判断，当温度点是坏点或温度低于100℃未达到饱和蒸汽、饱和水状态这两种情况出现其一，则不进行水位补偿计算。

以低压汽包水位为例进行模拟，正常运行时汽包压力为0.33 MPa，旁路管温度140℃，低压汽包实际水位-133mm。当温度点故障，采集到的温度数值为50℃时，通过逻辑判断不进行水位补偿计算，这时水位显示为-140mm。但若在温度点故障的情况下仍进行水位补偿计算，则水位值为-52mm，与实际水位偏差较大。因此，进行是否补偿的判断是有必要的。

图2 中T 为旁路管上部和下部温度（测量元件PT100）的平均值；P 为汽包压力；L 为导波雷达液位计旁路管中的液位；h 为汽包中的实际液位；ρw为汽包中饱和水的密度；ρa为旁路管中饱和水的密度；T—BQ 为旁路管温度坏点。

图2 控制逻辑示意图Fig.2 Control diagram

3 结语

高、中、低压汽包水位是机组运行监控的一项重要指标。该电厂通过技术改造，率先在高温高压容器上使用了导波雷达测量方式，并针对因汽包与旁路管内的压力温度不同导致的水位偏差问题，在Mark Ⅵe 软件中通过逻辑优化针对性地对雷达水位计测得的水位进行补偿计算，从而得到汽包真实准确的水位。目前应用情况良好，为同类型设备测量提供了新思路，具有很大的推广意义。