火力发电厂水位测量系统的分析

国能浙江北仑第一发电有限公司 王晨曦

本文对火电厂的水位测量系统进行了详细分析，主要介绍了汽包水位测量方法，如连通管式和差压式，详细阐述了若干种常用的水位测量方法。不仅如此，还深入探究了导致汽包水位测量偏差的种种因素，并给出了相应的应对措施。

1 水位测量系统的现状

在火电厂运行过程中，水位测量系统可谓不可或缺的构成，其在很大程度上决定了火电厂的安全运行与否。以锅炉汽包水位为例，确保锅炉汽包水位始终处于规定范围，是评估锅炉安全运行的一个重要指标。以汽包水位为例，因发电机组负荷、燃烧工况和给水流量等都处于随时变化的状态，进而汽包水位也会随之变化。通常情况下，汽包水位的高低超限将会直接影响火力发电厂锅炉运行的安全性。具体表现在以下方面。

当水位超过界定标准范围上限后，会使得汽包内的蒸汽空间被压缩，影响了汽水分离的效果，使得蒸汽含盐量变高，进而导致热器管中逐渐出现盐垢沉积，从而削弱热气管的金属强度，最终引发爆管的可能性；而如果水位进一步超标，由于蒸汽中附带大量的水，会使通汽设备的金属部件温度快速下降，使汽轮机、蒸汽管道等金属设备产生热应力，会导致出现金属变形等使设备损伤的现象，甚至会引起水击现象，对安全生产造成严重威胁。

而当水位低于标准范围时，可能会出现循环流动压力降低等现象，最终造成水冷壁管超温过热，存在安全隐患；而当水位过低时，有很大的几率出现水冷壁烧损和汽包干锅等重大安全事故。而我们正是应用水位测量系统来对汽包水位实现监视、进而控制汽包水位的，所以加强对汽包水位的监视及调整对于发电机组的安全运行而言至关重要。

关于汽包水位计，目前常用的有以下若干种：双色水位计、云母水位计、单双室平衡容器、电接点水位计等。站在一次传感转换的角度进行分析，以上水位计整体上可划分为为连通器原理水位计与差压水位计。尽管随着测控仪表技术的发展锅炉汽包水位测量技术也实现了长足进步，然而仍需要清醒的认识到，此类技术依旧具有诸多瑕疵，具体表现在测量误差大、可靠性不够高、不易维护等，严格来说不能完全满足锅炉安全经济运行。

2 测量水位的常用方法

2.1 连通管式锅炉汽包水位计

此种水位计主要存在以下优点：显示直观、结构简单、适用范围广，不但能够应用于现场就地水位计，还能够应用于远程监控水位。常见的有电接点水位计、双色水位计、云母水位计等类型。

2.1.1 云母水位计

云母水位计利用连通器原理进行测量工作[1]，针对低压锅炉，可直接采用玻璃板充当水位计的观察窗；而针对高压锅炉，因为炉水的腐蚀性较强，进而通常会选择云母片来充当水位计的观察窗。当选择云母水位计来测量汽包水位时，通常将水位计安放于汽包外部，因为散热的原因，水位计中的平均温度通常不会超过汽包压力下的饱和温度，所以云母水位计的显示水柱高度一般不超过汽包重量水位H。

公式如下：H=(ρa-ρs)/(ρw-ρs)H'。式中：ρs、ρw表示的含义分别是汽包内饱和蒸汽及饱和水密度；ρa表示的含义是云母水位计中水柱的平均密度；H、H'表示的含义分别是汽包水位、与云母水位计水位高度。云母水位计能够较为直观的反映汽包水位，但存在以下瑕疵：仅适合监视就地水位，显示较为模糊，一旦实际水位超过云母水位计的观察窗范围，将无法准确判断水位计的水位状态是空还是满。

2.1.2 双色水位计

其也是基于连通器原理的一种水位计，可视为云母水位计的扩展。凭借改进云母水位计的内部结构并引入光学系统，最终诞生了双色水位计。其主要存在以下优点：显示清晰、可实现远传显示等。在火电厂中可用于测量汽包水位、高压加热器水位等。为减小由于测量室温度低于容器内温度而引起的误差，双色水位计有时设有加热室，利用蒸汽的加热使测量室水温接近容器内温度。

针对压力低于10MPa 的锅炉可选择双色水位计，原因在于偏差小、显示直观。但在实际中，因为腐蚀及水汽冲刷等现象的存在，导致双色水位计在运行一段时间后内壁磨损将会变得非常严重，进而会导致汽水分界模糊。特别是在工业电视监视的情况下，现场摄像头受光线变化影响，会导致使水位显示变得更为模糊，进而存在较大误差。

2.1.3 电接点水位计

电接点水位计也是目前火力发电厂应用较为广泛的一种水位计，在高压加热器、除氧器、及锅炉汽包等设备中均有应用。其主要存在以下优点：不易受容器内压力的影响、结构简单、便于校正、延时短、投运快、造价低等。因为蒸汽与水的电阻差异较大，所以通常会采用在连通管上接电极的方式，用以检测电极通过水或蒸汽的对地电阻值。再基于通水与通蒸汽的不同电阻值分别对应绿色灯光与红色灯光，来确定水汽的分界面以及水位高度。

尽管其测量精度相对较为准确，然而依旧存在诸多因素影响测量误差[2]，常见有：散热导致的误差。筒内水柱温度低于待测液位容器的温度，测量筒内水柱低于待测液位的容器内的水位；不连续指示引起的误差。电接点在安装上是不连续的，所以接点之间的水位变化不能反映、有盲区，这种误差由于结构原因不能消除；汽包工作压力的影响。

随着电接点水位计的引入，提高了汽包水位测量的准确度，也提升了中低压锅炉的安全性，正因为如此得到了广泛的应用。然而需要指出的是，其也存在一定的瑕疵，具体表现为：当锅炉工作压力达到亚临界状态时将会出现一些问题。电接点水位计和其他就地联通器水位测量装置同时工作时，两者显示水位有一定偏差，因为电接点水位计零水位和汽包零水位具有一定偏差，而当汽包水位发生变化后，电接点水位计无法作出相应反应。再加上两者的构造以及散热条件的差异，所以会造成一些测量问题出现。进而当锅炉汽包水位上升至亚临界状态后，再使用电接点水位计监测汽包水位会不太准确。

2.2 差压式锅炉汽包水位计

水位计的原理如下：凭借将液位高度的变化转换为相对应的差压信号来达到测量水位的目的，其主要由平衡容器、压力信号电路、及差压计等构成。

差压水位计的运用非常广泛，在火电厂中可用于汽包水位、除氧器水位、高压加热器水位等的测量。它可以连续显示水位，也可以发警报信号和向水位调节器提供信号。但是差压水位计的指示值受待测液位的容器内压力变化的影响大，所以只有对差压式水位计的指示值进行补偿方可准确地显示待测水位，然而其准确度依旧受诸多因素的影响。比如锅炉水位与零水位不一致等情况就会带来相应的误差。又比如当蒸汽压力急剧降低时，正压容器中的凝结水将会被蒸发消失，最终造成仪表指示异常，以上种种情形均会在一定程度上影响锅炉运行操作。

2.2.1 单室平衡容器

其基本工作原理为；正压由平衡容器满水后形成的参比水柱提供产生，其通过汽包汽侧取样管同汽包相连，并通过饱和蒸汽的凝结水保持稳定；而负压随汽包水位变化而变化，由汽包水侧取样管连接至差压变送器负压侧得出，这样就会得到一个差压信号，再经变送器传送该信号至控制系统进行补偿计算后，即可确定汽包水位。

正负压管输出的差压值ΔP 按下式计算：ΔP=L(ρa-ρs)g-H(ρw-ρs)g，或变换成：H=[L(ρa-ρs)g-ΔP]/(ρw-ρs)g，式中：ρa、ρw、ρs表示的含义分别为参比水柱、汽包饱和水、汽包饱和蒸汽的密度；H 表示的含义是汽包内的实际水位。尽管单室平衡容器是应用较为广泛的一种汽包水位测量仪器，然而需要指出的是，其差压信号误差较易受参比水柱温度与汽包压力的影响。这一点在测量应用的时候是需要考虑在内。

2.2.2 双室平衡容器

其具备温度补偿功能，水槽上方的环形漏斗能够将平衡容器划分为上下两部分，其中上腔能够将汽包中的饱和蒸汽凝结成水后供给基准水槽，其满水后会得到一个压力，并反馈至变送器的负压侧。而其正压是由汽包中的水通过管道经平衡容器连接至变送器的正压侧所得。由于双室平衡容器的下部与锅炉下降管相连通，平衡容器中多余的凝结水可流至锅炉下降管，而下降管也带动了平衡容器内多余凝结水的流动，这样就可以使水位计中的温度与汽包中的温度更为接近，所以说其具备温度补偿的功能。

当汽包压力恒定时，输出信号差压与显示水位值之间为负的线性相关；但是当汽包压力变化较大时，测量结果仍会受到汽包工作压力的较大影响。所以可知双室平衡容器输出尽管不受固定水柱温度的影响，但汽包工作压力的变化仍会带来一定的测量误差。

2.2.3 双差压平衡容器

为进一步改善结构补尝式平衡容器，又设计出了一种以差压为补偿方式的平衡容器。平衡容器输出的差压ΔP 为信号差压，ΔP'为补偿差压：

ΔP=P+-P-=(L-H0-ΔH)(ρw-ρs)g

ΔP`=P+-P+`=L1(ρw-ρs)g

Y=ΔP/ΔP'=(L-H0-ΔH)/L1=(L-H0)/L1-ΔH/L1

由上式可知，信号Y 仅仅受以下两因素的影响：即平衡容器的结构尺寸、及水位等，无关于汽包工作压力，进而无需再考虑汽包压力的影响。然而其也存在一定瑕疵：其结构较为复杂，进而不易维护；需要安装校正用差压变送器，增加了成本；差压变送器的内部系统较为复杂，极易形成附加误差等。

2.3 水位测量偏差产生的常见原因及对策

2.3.1 连通器式水位计测量误差及对策

尽管云母、双色、及电接点等水位计的设计原理一致，都是依据连通器原理设计而成用以测量汽包水位。但在实际中，因水位计内环境温度低于蒸汽温度，饱和蒸汽在进入水位计后凝结成水，并在水满之后流回汽包。此时测量装置中的水在冷却后，温度将会低于饱和温度而密度增大，进而大于汽包中水的密度，会导致测量装置中的水位低于汽包实际水位。

以上是导致误差产生的主要原因，因此需基于传热学原理，设计合理的连通管结构，确保连通器式水位计中的平均水温与汽包内饱和水温相接近，从而使连通器式水位计中高度就接近汽包内水位，实现汽包水位的精准测量。

其次，联通器式水位计通过迁移其测量标尺来进行水位测量补偿，而水位测量标尺的具体迁移值则为一个固定值，在水位计安装结束后便不再变化，但是汽包工况确实不断的变化，所以固定的补偿方式也会带来一定的误差。要减小该误差影响，联通器式水位计需要尽可能的准确估计水位测量装置中的水温，通过计算精确需要补偿的水位测量标尺的具体迁移值，并应采取保温措施，以确保设计温度和实际温度尽可能地接近。

2.3.2 差压式水位计测量误差及对策

差压水位计的测量受汽包压力变化和参比水柱温度的影响较大，其造成的误差不能忽略，所以需要通过DCS 实现对差压式水位计的压力补偿及温度补偿，才能较准确地反映待测水位。如果能够设计出理想的参比水柱，确保参比水柱温度与汽包饱和温度尽可能趋同，则能够显著控制因参比水柱温度所造成的误差。在实际中，还非常有必要定期修正汽包水位补偿，诸如参比水柱的平均温度应依据现场环境温度来设定，并定期设定温度修正回路。此外，在发电机组开机锅炉启动前还应确保参比水柱已设置完毕，且还应采取有效的方法对水位计的零位值进行核对。

3 结语

本文主要对火电厂水位测量系统的分析进行了相关介绍，分析了这个题目在当前火电厂工业生产中的意义。以汽包水位的测量为例分析了水位测量的常用方法、产生误差原因以及消除方法等，从与水位测量相关的各个方面进行了分析，全面的了解汽包水位的相关特性，对每一种测量方法都详细地进行了介绍，并且指出其优点与不足之处。此外，本文主要是对汽包炉进行分析，对于现在直流炉并没有太多涉及，也是本文不全面的地方之一，在今后还应对直流炉方面的水位测量多加学习和研究。