1、锅炉汽包水位测量系统,测量意义,锅炉汽包水位是锅炉最重要的热工参数，准确、可靠的测量汽包水位，使水位控制在允许范围内，对保证发电设备的安全经济运行具有十分重要的意义。汽包水位过高，会影响汽水分离装置的汽水分离效果，使饱和蒸汽的湿度增大、含盐量增多，造成过热器和汽轮机通汽部分积垢，日久容易引起过热器管壁超温甚至爆管，以及汽轮机效率降低、轴向推力增大。当水位高到一定值时，还会造成蒸汽带水，使汽轮机产生水冲击，引起破坏性事故（如推力瓦融化、轴封破损和叶片断裂，严重时，还会出现叶轮和大轴变形等），直接威胁汽轮机的安全经济运行；水位过低，会影响自然循环锅炉的水循环安全，造成水冷壁管某些部分循环停滞，因而
2、局部过热甚至爆管。锅炉运行中，我们是通过水位计来监视和控制汽包水位的。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，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉汽包水位计是机组安全运行的极端重要的系统。由于锅炉汽包水位对象的复杂性，以及水位计测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性以及实际运行中存在着许多不确定性因素和较大的测量误差，以致多个汽包间常常有很大偏差，使运行人员无所适从，甚至酿成事故。如何解决这些问题是长期来大家一直关心和研究的实际课题。,仪表种类,锅炉汽包水位计按安装位置可分为就地水位计和远传水位计；按工作原理可分为基于联通管式(重力式)
3、和差压式两种原理水位计，目前火力发电厂用的最普遍的有三种： 1、双色水位计。 2、电接点水位计。 3、差压式水位计。其中：双色水位计和电接点水位计属于联通管式水位计。,联通管式水位计,联通管式水位计通过汽、水阀门分别与汽包汽侧、水侧相连接，形成连通体，利用连通器的原理使水位计的水位与汽包相一致，水位计与汽包的连接如下图所示。联通管式水位计是利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在联通管处有相等的静压力，从而可以用水位计中的水柱高度来间接反映汽包中的水位，因此，也称为重力式水位计，其水位称为重力水位。联通管式水位计主要有双色水位计和电接点水位计。,双色水位计,汽包就地双色水位计是最为直观的水位监视装置
4、，通过就地安装的摄像头可直接将水位显示在控制室。 双色水位计主要由表体、阀门、光源总成(光源箱、观察罩)、定时电源组成，根据光学原理，由灯泡发出的光，通过红绿滤色片，再通过聚光境射向水位计本体。,由于空气与蒸汽的光学性质接近，窗口玻璃为平板玻璃，当红、绿光以不同的角度由空气射入前面一个玻璃窗口进入蒸汽空间，在通过后面一个玻璃窗口射到空气中时，虽然光线产生多次折射，但光线方向改变不大，如图a。这是红、绿光的入射角正好使绿光斜射时到光线通道的侧壁，当红光正好射到影屏上，显示红色。图b所示为红、绿光通过水时发生的现象。由于两块玻璃不是平行安装的，有一定夹角，因而水部分形成一段“水棱镜”，入射的红、绿
5、光均产生较大的折射而向顺时针方向旋转，结果使斜射的绿光折向光纤通道的中心，到达影屏，显示绿色。原来处于光线通道中心的红光斜射，折向光线通道侧壁，不被显示。结果在正前方观察即显示出汽红、水绿、汽满全红、水满全绿的现象。,电接点水位计,电接点式汽包水位测量装置的测量筒的示意图如下图所示，它是一种基于联通管式原理的测量装置，与普通就地云母水位计(或双色水位计)不同之处在于测量筒内有一系列组成测量标尺的电极，由于汽、水电导率的很大差别，造成处于汽和水中的电极电阻值有很大差别，以此来判断电极是处于水空间，还是处于汽空间。利用多个电极即可判断当前的水面位置。,阶跃式显示是电极式水位计的固有特性，为了满足运
6、行监视要求，在常用监视段(100mm)内电极设置密集些，超出该范围时，分辨力可适当降低些，例如，按 19 个电极分布时，其电极位置设置为：0、15、30、50、75、100、150、200、250、300mm。电极在测量筒上按 120角布，以保证筒体强度和便于安装。电源的一端接电极芯，另一端接测量筒体的公共电极。为了防止电极的极化作用，电极需采用交流电源。电接点水位计由于其阶跃式显示、分辨力低（最少也要间隔1530mm）、漏点多、接点易结垢、水位波动时易挂水爬电、不能进行数据记录等固有先天性缺陷，当锅炉工作压力进入亚临界状态下，汽包水位显示值之间会产生明显的偏差，使用电接点水位表监视亚临界锅炉
7、的汽包水位并不是一个明智的选择。但其优点是，在锅炉起停时即压力远偏离额定值时它能较准确的反映汽包水位。,联通管式水位计测量误差,连通器原理如图一所示： 不考虑饱和蒸汽静压 （H - H） g的影响有公式（）成立 H gH g - (1) HH / hH - H( / -1)H - (2) H：汽包内水位 g：重力加速度：汽包内水的密度：饱和蒸汽密度 H：测量筒内水位 h：汽包内水位与测量筒内水位差：测量筒内水柱的平均密度 图一 连通器水位计原理示意图,由公式（2）可知；水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以及汽包内的实际水位等多种因素有关。由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内饱和水
8、的温度，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度。而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响，水位计显示值和汽包内实际水位间不是一个确定的、一一对应的关系。因此，即使我们按额定工况将水位计下移而使汽包正常水位时，水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时，仍将产生不可忽略的偏差。曾经在相当长时间内，锅炉运行时要求不管在什么情况下，都要求以上述联通管式水位计作为基准仪表，实际上是一个很大的误区。,差压式水位计,差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位的，因此，其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转
9、换是通过平衡容器形成参比水柱来实现的，变送器测得的参比水柱差压间接反映汽包内部的实际水位。平衡容器分为单室平衡容器、双室平衡容器和内置式单平衡容器，目前，国内外最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形成差压来测量汽包水位，如图下图所示。H = ( - )g.- /( - )gH：汽包内水位：参比水柱高度g：重力加速度：参比水柱的平均密度 ：汽包内水的密度 ：饱和蒸汽密度 单室平衡容器测量原理图,根据公式（3）可以看出,汽包水位与差压之间不是一个单变量函数关系，更不是一个线性函数关系；饱和水密度和饱和蒸汽密度的变化将影响测量结果，而饱和水密度和饱和蒸汽密度与汽包压力也是函数关系。因此，汽包压力的
10、变化将影响差压水位计的测量结果。此外，参比水柱温度变化同样也会影响差压水位计的测量，参比水柱中水的平均密度通常是按50时水的密度来计算的，而实际的具有很大的不确定性与50时水的密度相差很大是造成测量误差的主要原因之一，而将汽包内水视为饱和水（多数汽包内水为欠饱和水）也是造成测量误差的主要原因之一。为了减小误差，需对差压式水位计测量的误差进行补偿，由变送器测得的差压信号，进入DCS系统，通过汽包压力补偿的方式对以上公式进行补偿计算，汽包水位经汽包压力校正后，测量精确度已得到提高。由于补偿时假定正压侧参比水住温度恒定为50，而实际上由于上部受饱和蒸汽凝结水的加热，参比水柱温度总是高于室温。汽包压力
11、愈高，饱和蒸汽凝结水温度愈高，参比水柱平均温度也愈高。为了消除汽包压力对参比水柱温度的影响，一般可将平衡容器后参比水柱引出管先水平延长一段后再垂直向下接至差压变送器，这样参比水柱温度就不再受汽包压力影响了。有的平衡容器上在参比水柱上装有温度测量装置，可在DCS中对参比水柱中水的平均密度进行补偿，进一步提高了汽包水位的测量精确度。,汽包水位测量系统的配置组合,目前，锅炉汽包水位测量主要采用基于联通管式和差压式原理的两种方法。令人遗憾的是至今没有一种可以准确判别汽包发生“假水位”时的真实水位在那儿的水位计，更没有一种可以作为标准的基准锅炉汽包水位计。由于锅炉汽包满、缺水事故是长期困扰火力发电厂安全
12、的重大恶性事故之一，究其原因，首先是因为汽包水位测量技术尚有一些不完善的地方，而对汽包水位测量技术缺乏较为透彻的理解也是屡屡造成恶化事故的重要原因。尤其是秦皇岛热电厂“1216”汽包水位低保护拒动,造成锅炉水冷壁大面积爆管的重大设备损坏事故后,引起了国家行政主管部门的高度重视。2000 年 9 月 8 日国家电力公司颁发了防止电力生产重大事故的二十五项重点要求(简称要求)，并随后于 2001 年 12 月 21 日针对其中汽包水位测量系统专门颁发了国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)(简称规定(试行)。2004年由电力行业热工自动化标准化技术委员会负责编制了火力
13、发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定（简称技术规定）。技术规定中对汽包水位测量系统的配置要求如下： 1、锅炉汽包水位测量系统的配置必须采用两种或以上工作原理共存的配置方式。锅炉汽包至少应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置和2套电极式水位测量装置。 新建锅炉汽包应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置和3套电极式水位测量装置或1套就地水位计、1套电极式水位测量装置和6套差压式水位测量装置。,2. 锅炉汽包水位控制和保护应分别设置独立的控制器。在控制室，除借助DCS监视汽包水位外，至少还应设置一个独立于DCS及其电源的汽包水位后备显示仪表(或装置)。 3. 锅炉汽包水位控制应分别取自3个
14、独立的差压变送器进行逻辑判断后的信号。3个独立的差压变送器信号应分别通过3个独立的输入/输出(I/O)模件或3条独立的现场总线，引入分散控制系统(DCS)的冗余控制器。 4. 锅炉汽包水位保护应分别取自3个独立的电极式测量装置或差压式水位测量装置(当采用6套配置时)进行逻辑判断后的信号。当锅炉只配置2个电极式测量装置时，汽包水位保护应取自2个独立的电极式测量装置以及差压式水位测量装置进行逻辑判断后的信号。3个独立的测量装置输出的信号应分别通过3个独立的I/O模件引入DCS的冗余控制器。 5. 每个汽包水位信号补偿用的汽包压力变送器应分别独立配置。 6. 水位测量的差压变送器信号间、电极式测量装
15、置信号间，以及差压变送器和电极式测量装置的信号间应在DCS中设置偏差报警。 7. 对于进入DCS的汽包水位测量信号应设置包括量程范围、变化速率等坏信号检查手段。 8. 本标准要求配置的电极式水位测量装置应是经实践证明安全可靠，能消除汽包压力影响，全程测量水位精确度高，能确保从锅炉点火起就能投入保护的产品，不允许将达不到上述要求或没有成功应用业绩的不成熟产品在锅炉上应用。 汽包水位测量系统的其它产品和技术也应是先进的、且有成功应用业绩和成熟的。,水位计的安装,锅炉汽包水位计的正确安装是保证锅炉汽包水位计准确可靠运行的关键因素之一。由于锅炉汽包水位计的取样系统（平衡容器等），归属锅炉专业安装，而锅
16、炉安装人员对测量要求不太了解，又缺少统一的质量标准，所以安装方面问题常常较多加之由于安装造成的测量误差缺少可以查找的详细原始记录资料，因此，很难查找和消除由此而引起的误差。 汽包水位计的安装除满足国家和行业有关标准外，还应在如下的安装中，根据汽包水位计测量的特性，加以注意，以保证水位测量仪表可靠正确运行。 1. 取样孔安装 (1) 取样孔独立性原则每个水位测量装置都应具有独立的取样孔。不得在同一取样孔上并联多个水位测量装置，以避免相互影响，降低水位测量的可靠性。如果在同一个取样孔上并联 2 个或更多的取样管，其中一个平衡门、一次门或排污门泄漏，或检修时操作不当，极易影响并联的其它水位计的测量，
17、带来很大的测量误差，造成误判。若正巧是三冗余逻辑中的一对，易引发控制失灵、保护误动或拒动，存在着很大的事故隐患。更不宜在联通管式水位计的取样管上并联差压水位计，这不仅因为排污时相互影响，而且还会附加不确定的误差。 当汽包上水位测量取样孔不够时，可“多测孔接管技术“，在汽包上已提供的大口径取样管中插入 12 个取样管的技术增多取样点。当采用此方法时，应采取适当措施防止各个取样系统互相干扰。,(2) 取样孔位置 取样孔位置应尽量避开汽包内水、汽工况不稳定区(如安全阀排气口、汽包进水口、下降管口、汽水分离器水槽处等)，若不能避开时，应在汽包内取样口处加装稳流装置。应优先选用汽、水流稳定的汽包端头的测
18、孔或将取样口从汽包内部引至汽包端头。实践证明，汽包端头取样不仅取样稳定，而且停炉后用汽包壁留下的水迹线核对也说明与水位计零位差很小。当汽包水位测量取样孔取自汽包中部时，汽包内部装置对水位测量影响是很大的。电极式水位测量装置的取样孔还应避开炉内加药影响较大的区域, 汽包水位过时， 应停止加药，以防止加药到蒸汽中,污染电极造成仪表误显示，导致保护误动作。作为锅炉运行中监视、控制和保护的水位测量装置的汽侧取样点不应在汽包蒸汽导汽管上设置。以免汽包内部和导汽管取样点间的差压造成汽包水位测量的误差。 (3) 取样孔高度 汽包水位计的取样管孔高度,汽侧应高于锅炉汽包水位停炉保护动作值，水侧应低于锅 炉汽包
19、水位停炉保护动作值，并有足够的裕量。 (4) 冗余水位计取样装置安装 三取二或三取中的三个汽包水位测量装置的取样孔不应设置在汽包的同一端头。同一端头的任何两个取样口间应保持 400mm 以上距离。,2. 测量管路安装 汽包水位取样管和仪表管路的材质和规格的选用、敷设路线的选择、安装方法以及管路的严密性等直接影响测量的准确性，安装不当极易引发测量附加误差，而这一误差随机性大，难以发觉和消除，严重时还会引发汽包水位保护误动或拒动。 (1) 管路的材质、规格和长度 1) 差压式汽包水位计一次门(或平衡容器)后的取样管的标称内径不应小于 10mm；一次门(或平衡容器)前的取样管的标称内径不应小于 20
20、mm；联通管式汽包水位计的汽、水取样管的标称内径不应小于 20mm；排水管的标称内径不应小于 10mm。 2) 汽包水位测量管路推荐按下列要求选择： 当被测介质参数4.012.5Mpa，t=249326时，一次门前的取样管用28*4 20G 的锅炉钢管，一次门后取样管和排水管采用14*2 20G 的锅炉钢管。 当被测介质参数15.020.0MPa t=340364时，一次门前的取样管用28*4 20G 的锅炉钢管，一次门后取样管和排水管采用16*3 20G 的锅炉钢管。 3) 管路应尽量以最短的路径进行敷设，以减少测量的时滞，提高灵敏度。但管路又不应太短，以使管路内有足够的凝结水，使接触表计的
21、水温为室温。 (2) 管路敷设环境 1) 管路应避免敷设在易受机械损伤、潮湿、腐蚀或有震动的场所。管路应敷设在便于维护的地方。 2) 管路应敷设在环境温度为 550的范围内，否则应有防冻或隔热措施。水位管不应靠近热表面，其正、负压管的环境温度应一致。因为水位测量差压较小，如果测量管路靠近热表面，或两根差压管受环境温度影响不一致，会引起正、负压管内水柱有温度差，使密度不一样而产生测量误差。特别是其中一根管离介质流动的热管路过近时，将使正、负压测量管内介质密度所引起的差压值大于测量的差压值，而无法进行测量。,3) 管路敷设时，应考虑主设备的热膨胀，特别是大容量机组的锅炉，如超高压参数锅炉向下膨胀最
22、大达 200mm；超临界压力参数的锅炉，向下膨胀最大达 380mm 左右，向左、右膨胀最大达 120 mm 左右。如不注意这个问题，当主设备膨胀后，将使一些敷设好的仪表管路受到一定的拉力，甚至使管子断裂。因此，管路应尽量避免敷设在膨胀体上。如必须在膨胀体上装设取源装置时，其引出管需加补偿装置，如“弯头等。4) 管路敷设路线应选择在不影响主体设备检修的地点。 5) 管路不应直接敷设在地面上。如必须敷设时，应设有专门沟道。管路如需穿过地板或砖墙，应提前在土建施工时预留孔洞，敷设管路时还应穿用保护管或保护罩。 (3) 管路敷设坡度、弯曲 1) 差压式水位计单室平衡容器正压管从侧面引出后应水平(应向下
23、倾斜不小于 1:100) 延伸不少于一米。 2) 管路敷设应整齐、美观、牢固，尽量减少弯曲和交叉，不允许有急弯和复杂的弯。成排敷设的管路，其弯头弧度应一致。 3) 汽包内的取样器及管路，应视为取样管，同样应保证上述要求，整个管路绝不允许出现垂直凸凹的弯曲，防止发生“汽塞“或“水塞“，影响汽包水位计正常运行。当不能避开其它管路或设备时，可以水平弯曲。 4) 管路水平敷设时，应保持坡度大于 1:100。其倾斜方向应能保证测量管内不存有影响测量的气体或凝结水。 对于差压式水位计，一次门前的汽侧取样管应使取样孔侧低，水侧取样管应使取样孔侧高。 对于联通管式水位计，汽侧取样管应使取样孔侧高，水侧取样管应
24、使取样孔侧低。,(4) 管路的排列和组合 1) 引到差压变送器的两根管道应平行敷设共同保温，并根据需要采取防冻措施，但任何情况下，伴热措施不应引起正负压侧取样管介质产生温差。三取二或三取中的三个汽包水位测量装置的仪表管间应保持一定距离，且不应将它们保温在一起。 2) 差压式水位计的取样管不应与电极式汽包水位测量装置和无盲区低偏差双色水位计的排水管以及化学取样管紧挨并排布置。 (5) 管路的检查和试验 1) 管路安装前应对其外观进行检查，管路外表应无裂纹、伤痕和严重锈蚀等缺陷；检查管路的平直度，不直的管路 应调直；管件应无机械损伤及制造缺陷。 1) 管路安装前应对其外观进行检查，管路外表应无裂纹
25、、伤痕和严重锈蚀等缺陷；检查管路的平直度，不直的管路 应调直；管件应无机械损伤及制造缺陷。 2) 管路安装前应对其内部进行清洗，清洗可用蒸汽吹洗，或用干净布浸以煤油（用汽油）用钢丝带着，穿过管路 来回拉擦，除净管内积垢。管件内部有油垢时应使用煤油（或汽油）浸洗。 3) 管路敷设完毕，应用水或空气进行冲洗，并应无漏焊、堵塞和错焊等现象。 4) 管路应严密无泄漏。取样阀门及其前面的取样装置应参加主设备的严密性试验；取样阀门后管路视安装进度而定，最好也能随主设备做严密性试验。 5) 管路严密性试验合格后，表面应涂防锈漆，高温管路应用耐高温的防锈漆。 6) 管路敷设完毕后，在所有管路两端应挂上标明编号
26、、名称及用途的标示牌。,4. 水位测量装置的安装 安装水位测量装置，其正常运行的零水位线的确定是至关重要的。汽包正常运行的零水位线在汽包机械中心线下，具体数值不同炉型不同，应以锅炉制造厂提供的正式资料为准。 在安装水位测量装置以前，应测定汽包的水平，前面已述，随时间的变迁，汽包两端的水平会有一定的偏差。一般偏差在10mm之内，可不考虑修正，若超过10mm，应进行必要的修正，一般采用偏差的中间值作为基准来修正汽包的水平偏差。 零水位线确定后，在安装水位测量装置时，均应分别以汽包同一端的几何中心线为基准线，确定各水位计的安装零点。应采用水准仪精确确定各水位测量装置的安装位置，不应以锅炉平台等物作为
27、参比标准。 连通管式水位计的零水位线应比汽包内的零水位线低，降低的值取决于汽包工作压力，以及水位计的结构等，具体降低值应由锅炉制造厂负责提供。 当采用的连通管式水位计内部水柱温度能始终保持饱和水温时，表计的零水位线应与汽包内的零水位一致。 差压式水位测量装置的单室平衡容器应采用容积为300800ml、的直径约为100mm 的球体或球头圆柱体。平衡容器及容器下部形成参比水柱的管道不得保温。各水位计的单室平衡容器参比水柱温度偏差应尽可能小，以免各个表计间产生很大的偏差而使运行人员无所适从，由于平衡容器结构、安装方式、环境温度和风向等因素，之间温度偏差较大，从而必然造成各表间有较大的水位测量偏差。水位测量装置安装必须保证其垂直。 三重冗余的三个水位差压变送器安装时应保持适当距离，防止一台变送器泄漏等故障影响相邻变送器正常运行。,
