電接點汽包水位計測量誤差與汽包水位保護(hù)

電接點汽包水位計測量誤差與汽包水位保護(hù)

電接點水位計（或報警器）以其簡單可靠、顯示直觀、維護(hù)量小的特點，作為遠(yuǎn)傳表計或聯(lián)鎖保護(hù)信號發(fā)信器廣泛地應(yīng)用在各種容器的水位測量上，尤其在汽包水位測量和保護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。近年來，由于火電機(jī)組的運行參數(shù)逐步向超高參數(shù)方向發(fā)展，電接點汽包水位計在超高壓、亞臨界（13·7MPa/16·7MPa）鍋爐上的應(yīng)用遇到了的困難。同時隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于差壓原理的智能汽包水位表或由DCS軟件補償?shù)牟顗浩挥嫅?yīng)用越來越多，在汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，同時在汽包水位保護(hù)系統(tǒng)中也大有取代電接點水位計之勢?！秶译娏倦娬惧仩t汽包水位測量系統(tǒng)配置、安裝和使用若干規(guī)定》文件中第2.2條規(guī)定，超高壓、亞臨界鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)、報警和保護(hù)應(yīng)分別取自3個獨立的差壓變送器進(jìn)行邏輯判斷后的信號，并且該信號應(yīng)進(jìn)行壓力、溫度修正。雖然如此，筆者認(rèn)為與差壓式汽包水位計相比，電接點汽包水位計（或報警器） 更適合在水位保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用。

1　電接點汽包水位計的現(xiàn)狀及其在汽包水位保護(hù)中的地位

目前，火電機(jī)組的遠(yuǎn)傳汽包水位計中，200MW 及以下機(jī)組的鍋爐上一般分別配備了雙色水位計（汽包水位TV）、電接點汽包水位計和差壓式汽包水位計，電接點水位計用于汽包水位保護(hù)、報警，差壓水位計用于水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；300MW及以上機(jī)組的鍋爐上一般僅配備雙色水位計（汽包水TV）、差壓式汽包水位計，差壓式汽包水位計同時應(yīng)用于水位保護(hù)、報警和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

考慮安全性，保留電接點汽包水位計是十分必要的。*，同一工作原理的水位計，在某種特定因素的影響下，一致的誤差方向和誤差值會使運行操作人員產(chǎn)生誤判斷并造成保護(hù)的誤動作，因此在《防止電力生產(chǎn)重大事故二十五項重點要求》中規(guī)定，必須配備2 種以上工作原理的汽包水位計，當(dāng)不能保證2 種類型水位計正常運行時必須停爐處理。目前汽包水位測量儀表有2 種： 差壓式的和連通管式的。在連通管工作原理的遠(yuǎn)傳水位計中有雙色水位計（汽包水位TV ） 和電接點水位計2 種，前者的量程一般不能覆蓋全量程（一般不大于±200mm），并且一般只配置1 套。因此筆者認(rèn)為十分有必要保留電接點汽包水位計，當(dāng)雙色水位計故障時，仍能保證有2 種原理的遠(yuǎn)傳水位計在正常運行。

從可靠性、穩(wěn)定性上考慮，在汽包水位保護(hù)系統(tǒng)中電接點水位計與差壓水位計相比有著的優(yōu)勢。分析誤差來源，除安裝誤差外，電接點水位計僅存在密度誤差；而差壓水位計較電接點水位計還有著更多的誤差源，并且更不容易控制和發(fā)現(xiàn)，如參考水柱的溫度、水位變送器的靜壓效應(yīng)和溫度效應(yīng)、補償公式誤差等等。分析誤差方向，除安裝誤差外，電接點水位計的密度誤差僅是單一的負(fù)方向；而差壓水位計的眾多誤差源有不同的作用和方向，并且很難定量計算。分析水位零點穩(wěn)定性，電接點汽包水位計的零點穩(wěn)定性只受安裝誤差影響，跟其它因素?zé)o關(guān)；差壓水位計的零點是由水位變送器測得的差壓決定的，而零水位的差壓值并不是固定的，除受汽包壓力影響外，還受多種誤差源的影響。同時不管電接點汽包水位計運行在零水位附近時誤差如何，由于其是基于連通管工作原理的，當(dāng)鍋爐汽包實際水位超過電接點測量筒連接管的測量范圍時，必然會出現(xiàn)無水或滿水的顯示并發(fā)出保護(hù)信號。

綜上所述，若汽包水位保護(hù)、報警和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)共取同一水位信號時，對機(jī)組安全穩(wěn)定運行存在著不利的影響；同時這也違反了《火力發(fā)電廠熱工自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（NDGJ 16—1989）第61114 條，保護(hù)用的接點信號應(yīng)取自的開關(guān)量儀表的規(guī)定，因此保留電接點水位計不僅有必要， 而且較差壓水位計更適合應(yīng)用在汽包水位保護(hù)系統(tǒng)中。

2　電接點汽包水位計的誤差分析及規(guī)律

電接點汽包水位計實質(zhì)上是簡單的連通管式的直接接觸式的水位測量系統(tǒng)，工作原理簡單、測量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)穩(wěn)定可靠是其zui突出的特點，只是應(yīng)用在汽包等高溫高壓容器的飽和水的水位測量上才產(chǎn)生一系列問題。產(chǎn)生問題的原因是，飽和水從高溫高壓的蒸發(fā)容器中引出到測量筒后，不可避免地要損失熱量，飽和水變成過冷水后重度增加,顯示的液位高度必然會降低， 這種原因引起的測量誤差叫做密度誤差，它是由轉(zhuǎn)換系統(tǒng)造成的，再準(zhǔn)確的直接液面測量儀表也無法*消除這種誤差。

測量筒中介質(zhì)溫度的分布十分復(fù)雜（因受保溫條件和環(huán)境溫度的影響），定量計算整個測量筒的液位是不可能的；但可以把其中一小段水柱的溫度視為均勻的，根據(jù)下式計算汽包壓力為壓力0.1MPa～21MPa ，水柱溫度下降0～30℃時的讀數(shù)誤差, 所計算的誤差值可以表征測量筒液位的變化規(guī)律。根據(jù)計算結(jié)果可以繪制圖1曲線, 并可發(fā)現(xiàn)下列規(guī)律。

δh ′=（ρW -ρW ′）/（ ρW ′-ρS） ×100%

式中               δh ′——測量筒中水位值的讀數(shù)誤差，%;

ρS——飽和蒸汽的密度，kg/m3；

ρW——飽和水的密度，kg/m3；

ρW ′——測量筒中過冷水的密度，kg/m3。

（1） 盡量提高測量筒中介質(zhì)溫度, 使之接近汽包中飽和水的密度, 是減小密度誤差的*方法。

（2） 測量筒中介質(zhì)溫度對中高壓（3·8MPa/9·8MPa） 鍋爐上的電接點汽包水位計讀數(shù)誤差的影響明顯小于超高壓、亞臨界鍋爐, 基本可以不用控制。

（3） 超高壓、亞臨界鍋爐, 測量筒中介質(zhì)溫度下降幅度必須控制在2 ~ 4℃以內(nèi)。

圖1　電接點汽包水位計誤差曲線

3　減小電接點汽包水位計測量誤差措施

在低中壓鍋爐上，電接點汽包水位計的誤差主要取決于測量筒的安裝誤差，密度誤差一般較小，控制措施也相對容易實現(xiàn)；但在高壓、亞臨界鍋爐上則不然，密度誤差占測量誤差的絕大部分，因此必須嚴(yán)格控制測量筒中介質(zhì)溫度的下降?？梢钥隙ǖ卣f，只要控制好測量筒的安裝誤差或測量筒中介質(zhì)溫度的下降，就基本解決了電接點汽包水位計的誤差問題。

3.1　防止電接點測量筒零位偏移

由于電接點測量筒較重, 而連接管的長度一般大于1000mm，外徑一般小于35 mm，當(dāng)測量筒沒有采用支撐或懸吊措施時，運行一段時間后零點會產(chǎn)生偏移，有時可達(dá)40～50mm （因為自重或其它外力造成連接管變形）?？刹捎萌缦麓胧┛刂瓢惭b誤差：

（1） 在電接點測量筒筒體上采用可調(diào)整的支撐或懸吊措施，防止下沉。建議采用可調(diào)整懸吊架。

（2） 適當(dāng)加大連接管外徑，盡量縮短連接管長度（減少力臂長度），連接管長度應(yīng)為500～ 800mm，外徑應(yīng)為40～50mm。

（3） 保證測量筒能夠隨汽包的膨脹而自由膨脹，無論冷、熱態(tài)，零點位置均不變。至少每季度檢查1次測量筒零點，當(dāng)其零位偏移超過2mm時,可調(diào)整支撐或懸吊架的拉桿長度。

3.2　提高筒內(nèi)介質(zhì)溫度

由于測量筒通過連接管與汽包相連，一方面可通過汽側(cè)飽和蒸汽凝結(jié)的飽和水補充熱量并形成自然循環(huán)；另一方面水位波動使液位升降并帶走冷水，水側(cè)飽和水也通過連接管而帶入熱量，因此只要采取的措施得當(dāng)，即有可能使水溫提高到接近飽和水溫。實際工作中，可用紅外線測溫儀測量相同保溫條件下的，電接點測量筒汽側(cè)、水側(cè)部分金屬溫度的差值，來了解測量筒內(nèi)部介質(zhì)溫度的下降情況，并有針對性地采取如下措施：

（1） 適當(dāng)縮短測量筒連接管路長度，提高連通管內(nèi)介質(zhì)溫度，并減小流通阻力。汽包內(nèi)飽和水的水位不斷波動，會通過連接管使測量筒內(nèi)的水位相應(yīng)變化；連接管內(nèi)水溫變化，會影響到測量筒內(nèi)介質(zhì)溫度?？s短測量筒連接管路長度，不僅可減少熱量損失，同時加強了熱傳導(dǎo)的效果。假設(shè)正常水位波動范圍為Δh，測量筒內(nèi)徑為D，連接管內(nèi)徑為d，理論上，連接管長度L < 2Δh （D /d ） 為。如1臺鍋爐測量筒外徑為89 mm、壁厚為16mm，連接管外徑為20 mm、壁厚為3 mm，正常運行時水位波動范圍為±30 mm，連接管理論*長度L為244mm （由于連接管管路上需加裝1個或2個供檢修用的隔絕門，長度不可能太小，但應(yīng)僅可能縮短）。

（2） 連接管管徑要與測量筒筒徑相匹配，才能在提高測量筒溫度方面收到*效果。受安裝條件限制，需提高理論*長度，就必須提高D/d 的值，但D/d 值太大則會使管徑太小，增加管路阻力或使測量筒容積過大，水位變化遲緩?！斗乐闺娏ιa(chǎn)重大事故二十五項重點要求》中規(guī)定，連接管內(nèi)徑至少不小于25mm，若連接管長度至少為600mm，則*效果時測量筒內(nèi)徑應(yīng)不小于250 mm，這顯然是不應(yīng)該的。因此應(yīng)首先盡可能縮短連接管長度，根據(jù)正常水位波動范圍確定D/d 值后，再綜合確定連接管與測量筒內(nèi)徑。以筆者認(rèn)為測量筒筒體內(nèi)徑與連接管內(nèi)徑之比以6～8為宜。

（3） 使測量筒連接管上臂（汽側(cè)） 向上傾斜（與水平方向呈正夾角），保留適當(dāng)?shù)牟槐毓苈访娣e，向上傾斜會使連接管中凝結(jié)的飽和水不流向汽包而流向測量筒，加熱測量筒內(nèi)的水，補償損失的熱量；使下臂（水側(cè)） 向下傾斜（與水平方向呈負(fù)夾角），不但增加介質(zhì)循環(huán)能力，還有利于提高測量筒內(nèi)水的溫度。有資料表明，連接管的傾斜坡度以1∶50為宜，但至少不應(yīng)小于《防止電力生產(chǎn)重大事故二十五項重點要求》中1∶100的規(guī)定。

（4） 測量筒正常水位波動線以上部分及其連接管上臂（汽側(cè)）不保溫，可增加凝結(jié)量；測量筒其余部分及其連接管下臂（水側(cè)）保溫良好，減少熱量損失，保溫層外表面溫度應(yīng)小于  50℃。

試驗表明，額定運行壓力為18MPa的鍋爐電接點汽包水位計，采取上述措施后水位可提,高50mm左右，采用上述第2、3 節(jié)措施后可使量程1m 的電接點汽包水位計的密度誤差小于20mm，但是所有的上述措施都是被動的，控制測量筒內(nèi)水溫下降小于10℃還是可行的。

4　結(jié)束語

在低中壓鍋爐上，電接點汽包水位計的誤差主要取決于測量筒的安裝誤差；但在高壓、亞臨界鍋爐上，還必須嚴(yán)格控制測量筒中介質(zhì)溫度的下降，否則會導(dǎo)致較大的密度誤差。如果綜合考慮電接點汽包水位計在國內(nèi)外高壓、亞臨界鍋爐上的改進(jìn)措施，將密度誤差控制在20mm以內(nèi)還是有可能的。并且無論從誤差來源的種類和方向上看，從水位計的工作原理和可靠性、穩(wěn)定性上看，電接點汽包水位計較差壓水位計更適合用于汽包水位保護(hù)系統(tǒng)中。