锅炉汽包水位测量

锅炉汽包水位测量（通用7篇）

锅炉汽包水位测量 篇1

保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全指标。随着火电机组的不断增加, 汽包水位测量误差大和启动时汽包水位保护不能正确投入的问题越来越突出。针对汽包水位测量和保护系统存在的问题, 近几年来, 不断对原有装置进行了技术改进, 并取得了成功, 大大提高了汽包水位测量的准确性。

1 锅炉汽包水位连通管式测量方法

连通管式水位计利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在连通管处有相等的静压力, 从而可用水位计中的水柱高度间接反映汽包中的水位。连通管水位计测量原理如图1所示。

汽包重量水位和云母水位计示值误差:

式中:ls为汽包压力下饱和蒸汽的密度;lw为汽包压力下饱和水的密度;la为云母水位计测量管内水的平均密度;H为汽包内重量水位;Ha为云母水位计显示值。

从式 (1) 中可以看出ΔH与云母水位计测量筒内水的温度有关, 与汽包压力有关。云母水位计温度一定时, 汽包压力愈高, 误差愈大;汽包内压力一定时, 云母水位计筒内水温度愈高, 误差愈小。

根据连通管水位计原理, 可知提高水位计测量准确度可有多种方法, 如水位连通器加装热套、补偿与修正、改进结构。 (1) 给连通器加装热套虽然有效, 但又造成了显示、信号传递的不方便, 故始终未得到推广; (2) 补偿与修正的方法, 虽然可近似地设定连通器内的水温从而省去水温测量环节, 但是水温的设定应有充分的根据, 通过修正来提高测量准确度也比较繁琐; (3) 改进结构方法, 其难度不大, 比其他减小水位误差的方法更有效、更简单, 是值得推广的。因此对于连通管式水位计的改进多为结构改进。

1.1 新型双色水位计

云母水位计只能就地监视, 且汽水界面不清晰, 且零水位负误差在汽包压力为18.40~19.60 MPa时达到150 mm, 已不能用来校核差压水位计;同时, 此表量程一般不能覆盖满、缺水停炉定值, 在水位计高或极低时已失去监视作用[3]。

双色水位计是由云母水位计发展而来。双色水位计改进了云母水位计结构, 辅以光学系统, 利用光从空气进入蒸汽或水产生不同的折射, 使汽水界面显示成红、绿两色的分界面, 显示清晰, 并可利用工业摄像系统等方式远传显示。然而传统的双色水位计测量误差大、云母片易结垢而使显示模糊、频繁排污易造成表计热变形而泄露以及存在显示盲区, 没有解决高压力下零水位误差过大的问题。

WDP系列无盲区低偏差双色水位计, 利用汽包内的饱和蒸汽给水位计表体加热, 利用冷凝器内冷凝后的饱和水给双色水位计内的水置换, 加速双色水位计内的水循环, 使双色水位计内的水接近饱和水温度, 消除因水样温度低造成的测量误差, 达到准确测量汽包水位的目的。

同时, 由于置换的新水为饱和蒸汽冷凝后的饱和水, 含盐低, 这样减少了云母片结垢, 延长了表计的排污周期, 从而减少了表计的热变形, 减少了表体的泄露, 延长了表体的检修周期, 降低了维护费用。

由于其显示部分是由两侧水位管的五窗云母组成, 相邻云母窗口有一定重叠度, 消除了显示盲区[3]。

WDP系列无盲区低偏差双色水位计大大提高了汽包水位测量准确性, 克服了云母水位计、传统双色水位计的缺点, 极大地满足了大机组的需要, 为汽包水位提供了一项准确可靠的测量仪表, 实现了汽包水位无盲区准确监视。

1.2 电极式汽包水位测量装置

电极式汽包水位计是一种基于连通管原理的测量装置, 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标尺的电极, 由于汽、水电导率的很大差别, 造成处于汽和水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。电极式水位计在其量程内有水即可稳定测量, 检测可信, 即便某点显示有误, 仍可根据其余点判断水位, 显示直观醒目。故30多年来用于监视主表、差压水位计核对和保护报警。但随着使用压力增高, 传感器 (测量筒) 取样负误差增大, 亚临界压力下负误差在零位可达l50 mm, 高水位停炉值可达250 mm, 在监控保护系统中已失去使用价值。

对于高参数锅炉来说, 汽包水位测量就没有一种值得信赖的基准仪表。在这种情况下, 通常采用安装在汽包内部的取样管, 通过取样分析汽、水的电导率来标定水位计或利用大修时留在汽包内部的水痕迹来检查汽包水位计的零点。然而, 这2种方法很粗略且操作难度大。GJT—2000型高精度、高可靠性的电极式汽包水位测量装置与汽包水位内置电极传感器解决了这一问题。

GJT—2000电极传感器测量筒在测量筒内部设置笼室内加热器, 利用饱和汽加热水样。加热器由不同传热元件构成。加热方式有内热和外热, 内热既有水柱径向传热元件, 又有轴向分层传热元件。加热器上敞口, 来自汽侧取样管的饱和蒸汽进入加热器, 向汽笼一样加热水柱。传热方式与结构设计既有利于增加加热面积 (加热面积是筒体散热面积的1.4倍) , 又有利于热交换。从而使得测量筒水柱温度接近饱和水温, 水位测量精度高。

该测量装置最重要的外形特征就是设置了冷凝器使新型测量筒比普通测量筒高出许多。来自汽侧取样管的饱和蒸汽在冷凝器中冷凝, 大量凝结水 (温度为饱和水温) 沿壁而下, 分区收集, 由布置在饱和蒸汽中的数根疏水管在不同深度疏至水样中, 将低温水样高倍率置换出测量筒, 有效提高水柱温度, 并使之上下均匀分布。

GJT—2000采用综合技术措施实现了高可靠性传感, 显著降低故障率而减少维护工作量。水质优化设计使取样水质好, 免排污。测量筒参比水柱温度恒等于汽包内的饱和水温度, 不受环境温度影响, 可减弱水位升降对电极的热冲击, 延长电极寿命;参比水柱高度恒定, 不受汽包压力变化影响。取样真实、报警可信、动态响应快, 能适应自点火至额定工况的变参数运行, 测量筒内有稳定热源, 故对取样管道长度、截面、测量筒现场布置的安装要求宽松于旧型测量筒。采取防电极挂水、防水渍结构设计。

GJT—2000电极传感器由于采用了柔性自密封电极组件, 使压力愈高, 机械密封愈紧, 密封可靠, 不泄漏。密封件回弹性能好、热紧性能好, 解决了传统电极组件密封泄漏问题[2]。

汽包水位内置式电极测量装置主要由电极传感器和显示仪表组成。传感器部分主要由固定支架、电极传感器及传感器的延长电缆等组成, 电极传感器安装在汽包内需测量的位置, 传感器的延长电缆通过焊接在汽包水侧和汽侧取样管上的引出箱引出, 并采用固定座、密封垫或密封环、压盖等对延长电缆进行密封, 经密封后的延长电缆直接引入汽包平台的接线盒内, 再经接线盒内的端子与电缆相连送到控制室显示仪表上进行显示。

汽包水位内置式电极测量装置是基于汽包内汽、水的电导率不同, 通过安装在汽包内多个电极传感器, 采用二次仪表识别其电导率而测量水位。电极传感器直接感应汽包内的水界面, 所以取样误差很小、测量很准确, 可作为汽包水位测量的基准仪表和实验仪表。

由于汽包内置式电极测量装置的测量电极位于汽包内部, 因此该装置可最真实地反映汽包内真实水位而不必像传统电接点水位计那样考虑测量筒由于散热而造成的测量筒内水位低于真实水位而造成的误差, 可以在锅炉启动时就可以投入使用并作为汽包水位的基准仪表[3]。

GJT—2000型电极式汽包水位测量装置与汽包内式电极测量装置都能提供优于旧型电极式水位计的测量结果, 成为汽包水位基准仪表与汽包水位保护仪表。但其结构较复杂, 维护不方便, 尤其是与汽包内式电极测量装置的平衡容器位于汽包内, 安装不方便。

2 锅炉汽包水位差压式测量方法

差压式水位计的水位—差压转换原理如图2所示。

差压式水位计是通过把水位高度的变化转化成差压的变化来测量水位的。其正负管输出的差压值为:

式中:L为平衡容器中参比水柱的高度;H为汽包实际水位高度;la为参比水柱 (饱和水) 密度;g为重力加速度;ls为汽包内饱和汽密度;lw为汽包内水的密度[4]。

由于锅炉启动时差压式测量会受诸多因素的影响, 因此锅炉启动时, 差压式汽包水位计不作为主要监视仪表, 而作为锅炉正常运行时的基准仪表与实现锅炉汽包水位自动和汽包水位保护的测量手段。长期的实际运行经验证明差压式水位计涉及问题较多, 主要表现在准确性和稳定性不好, 特别是锅炉低负荷运行时, 汽包水位的准确性更差。差压式汽包水位计的准确性必须给予高度重视, 通过各种措施不断提高其测量精度。通过对差压式汽包水位测量原理的分析, 可以看出, 引起差压式汽包水位测量误差的主要原因是测量的参比水柱密度的不确定。解决了参比水柱密度不确定性的问题, 也就解决了差压式汽包水位测量的准确性的问题。

2.1 改进型外置式单室平衡容器

传统外置式单室平衡容器的正压管均由平衡容器底部垂直向下引出, 形成了一段高度为L的参比水柱。由于平衡容器的传热使参比水柱的水温不等于室温, 而是自上而下从汽包饱和水温度逐渐降低到室温, 从而使参比水柱平均温度总是大大高于室温, 而且由于饱和水温随汽包压力变化而变化, 使参比水柱平均温度的不确定性增加。此外, 从水温度与密度关系来看, 并不是简单的线性关系, 水在4~50℃内其密度变化不大, 因此, 参比水柱温度偏离造成的水位测量偏差较小;随参比水柱温度进入较高温度区, 参比水柱的密度会随温度升高变化增长造成水位测量偏差增大。

改进型外置式单室平衡容器为解决这个问题, 采用了这样的措施:正压侧仪表取样管从外置式单室平衡容器侧面引出, 引出后按1:100下倾延伸1 m以上。正压管侧仪表取样管延伸的目的是让平衡容器内的热量沿取样管水平传递, 使取样管垂直段 (参比水柱) 接近环境温度。由于参比水柱处于低温区, 因此即使不考虑温度补偿, 也不会因为室温变化而导致过大的水位测量偏差。

2.2 双恒平衡容器

GJT—DII双恒平衡容器, 利用独特的结构实现参比水柱温度恒等于饱和水温度。

GJT—DII双恒平衡容器结构独特的叉式参比水柱组件置于平衡容器的饱和汽室。来自汽包的汽侧取样管饱和汽在饱和汽室形成凝结水, 经裸露的排水管流至汽包下降管。设置伸高式冷凝室, 冷凝室产生的凝结水为饱和水, 由收集疏水组件注入长臂口, 进入参比水柱管, 满水后, 多余的水由短臂口溢出, 使98%以上的参比水柱为向上流动的饱和水水柱。

以上2种措施的综合, 使参比水柱如同在汽包内一样, 温度恒等于饱和水温度。当汽包压力变化时, 使饱和汽温度变化, 加热或冷却参比水柱, 同时置换原有参比水柱的凝结水温度也随之变化。由于叉管的管壁薄, 蓄热量较小, 则参比水柱温度变化迟延小。又由于伸高式冷凝室高度较高, 冷凝面积大, 注入长臂凝结水流量很大, 即对原有参比水柱的置换率大, 极有利于参比水柱温度快速跟踪汽包内的饱和水温度。因此, 参比水柱测量动态性能好。

GJT—DII双室平衡容器参比水柱温度恒等于汽包内的饱和水温度, 不会受环境温度影响, 使差压水位校正大为简化。在汽包压力变化工况下, 参比水柱高度恒定性好。参比水柱管和正压侧传输管路自动冲水快、满水快, 不需要升高汽包水位向参比水柱管和正压侧传输管路“灌水”。由启动至正常的过渡时间短[1]。

2.3 汽包内置式平衡容器

汽包内置式平衡容器的原理如图3所示。

DNZ系列汽包内置水位平衡容器是将单室平衡容器置于汽包内部, 汽包运行过程中饱和蒸汽进入到冷凝罐中冷凝成饱和水回流到平衡罐中, 参比水柱所形成的静压通过正压取样管引到差压变送器的正端, 汽包内的水通过水侧取样管引到差压变送器的负端。

由于将平衡罐安装在汽包内, 使平衡罐及引出罐中的水温度为汽包内饱和水温度, 其密度为饱和水的密度, 这样在进行补偿计算时就有相对稳定的参数, 可以准确计算出汽包水位[6]。

外置式单室平衡容器结构简单, 安装方便, 取样干扰小, 但是由于参比水柱温度受环境影响而产生较大的测量误差, 如果采用参比水柱温度补偿, 系统复杂, 可靠性降低。其余2种平衡容器都是力求将参比水柱温度逼近饱和水温度, 其特点是测量误差小, 补偿计算简单。双恒平衡容器由于增加了排水管与下降管相连, 使测量系统更为复杂, 影响测量的因素增多, 使调试更复杂。内置式单室平衡容器测量系统简单, 影响测量的因素最小, 但是安装复杂。

3“多测孔接管”技术

由于锅炉汽包水位测量对锅炉安全运行的重要性, 以及大型锅炉汽包长度长 (一般在20 m) , 内部过程复杂, 水位高低不平, 因此, 锅炉汽包水位测量严格要求配置采用多测量原理、保护和控制互相独立以及三取二或三取中冗余设计。

根据独立性原则, 水位计应与测孔“一对一”连接, 禁止多个测量装置“合用测孔”, 以防止一个取样系统故障和排污时影响多个仪表。这意味着每个汽包上至少应有6~9对水位测控。

但是, 由于有些锅炉测孔有限, 而在汽包上增加测孔存在着诸多困难和安全风险, 以致这成了限制贯彻上述标准的重要原因。

多测孔接管技术利用汽包原有测孔接管通道, 插管到汽包内部取样, 增加独立取样测孔, 从而不用在汽包壁重新开孔而增加新的测孔。所增加的测孔取样口与原有测孔取样口必须有一定距离, 多测孔接管上有母孔小接管和带有屏蔽稳流的增孔小接管, 所增测孔与在汽包封头上直接开孔取样没有区别, 能满足一次取样装置取样动态特性要求。采用该技术避开了在汽包壁上钻孔、焊接、热处理、金相检查等关键问题, 不影响汽包原设计强度, 风险很小, 具有施工方便、工期短、效果好的优点[5]。

4 软测量技术

软测量技术依据对可测、易测过程变量 (称为辅助变量如压力、温度等) 与难以直接测量的待测过程变量 (称为主导变量, 如产品分布、物料成分) 之间的数学关系的认识, 采用各种计算方法, 通过构造某种数学模型 (即软测量模型) , 实现对主变量的估计。

软测量技术主要包括4个方面内容: (1) 辅助变量的选择; (2) 测量数据处理; (3) 软测量模型的建立; (4) 软测量模型的在线校正。软测量方法中的核心问题是建立软测量模型, 但它不同于一般意义下的数学模型, 强调的是通过辅助变量获得对主导变量的最佳估计。如果这种估计模型足够精确, 理论上可替代在线分析仪表, 实现直接质量控制;由于它不会受到测量滞后的影响, 所以在控制性能上获得较大改善。目前建立数学模型的方法主要有机理分析建模、回归分析法、状态估计法、人工神经网络、模糊技术和模式识别法6种, 且应用较为广泛[6]。

基于机理分析的软测量主要是运用化学反应力学、物料平衡、能量平衡等原理, 通过对过程对象的机理分析, 找出不可测主导变量与可测辅助变量间的关系, 从而实现对某一参数的软测量。这种软测量方法特点是工程背景清晰, 与一般工艺设计和计算关系密切, 相应的软测量模型也较为简单, 便于应用, 因此基于工艺机理分析的软测量是工程中一种常见的方法。同时也是工业界最容易接受的软测量方法。在工艺机理较为清晰的应用场合, 软仪表往往能取得较好的效果。

电厂锅炉是用来生产蒸汽的换热系统, 工艺机理较为明确。给水经省煤器加热后送入汽包, 然后从下降管经下联箱进到上升管 (即水冷壁) 。在上升管内吸收炉膛内供给的热量, 此时有部分的水变成饱和蒸汽, 所形成的汽水混合物又回到汽包中, 汽水混合物在汽包内进行汽水分离。饱和蒸汽将导入过热器内, 进一步被加热成过热蒸汽, 而饱和水再进入下降管重复上述过程。

从物质平衡观点出发, 只要汽包进水量W=D, 就可以保证汽包的水位不变;若W>D, 则水位上升, 反之, 水位下降。由此观点可基于物质平衡来实现汽包水位的软测量, 即找出汽包进水量W及汽包出汽量D与水位变化量之间的关系, 从而实现对水位的新测量。由于汽包进水量W和汽包出汽量D尚无现存的测量装置, 所以考虑利用汽轮机进汽量D1和给水量G, 详细分析汽轮机进汽量D1和给水量G与汽包进水量W和汽包出汽量D的差别。此方法是通过分析汽包水位物质平衡机理来建立软测量模型, 但事实上这样只能得到汽包压力和水冷壁吸热量都不变情况下的汽包水位变化趋势[7]。

从以上分析中只能得到锅炉静态时汽包水位变化趋势, 而无法实现动态测量。从物质平衡与能量平衡两方面来考虑, 虽然汽包水位对象特性十分复杂, 进出汽包的汽水不平衡, 汽包内压力的变化以及燃烧工况的变化都会影响汽包水位的变化。但从根本上说, 汽包液面下容积其实是由饱和水容积和饱和汽容积组成的, 汽包水位的变化是由汽包中饱和水量和饱和汽量综合作用的结果。只要清楚了汽、水容积的变化规律也就了解了汽包水位的变化规律, 这就可以依据汽包水位动态变化过程中的物质平衡以及能量平衡机理建立汽包水位的软测量模型。通过这种方法建立的模型可以实现锅炉正常运行时, 汽包水位的静态与动态测量, 并取得了良好的仿真验证结果。但在非正常工况下以及机组启停机过程中, 要得到准确的测量结果, 就要对模型进行修改。

5 结束语

新型汽包水位测量装置的研究开发和成功应用从根本上解决了汽包水位计测量误差大的问题。内置电接点水位计的开发使汽包水位计的准确性有了判据, 系列化而准确的汽包水位测量装置为汽包水位测量仪表的合理配置和汽包水位保护逻辑的设计提供了依据, 真正做到锅炉正常运行中各汽包水位测量装置间的示值偏差小于30 mm, 锅炉启动时就可正确投入汽包水位保护。尽管新型汽包水位计基本满足了锅炉安全运行要求, 但仍存在许多工艺上的问题, 这些问题都有待于不断研究和改进。

软测量技术作为一种新型的过程参数检测技术, 为解决复杂过程参数的检测问题提供了一条有效的途径, 具有良好的工业应用前景。但它毕竟是一门新技术, 发展还不成熟, 系统的理论体系目前也尚未形成, 仍有不少理论和实践问题有待于今后进一步研究。

参考文献

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[3]刘吉川, 于剑宇, 褚得海, 等.汽包水位测量新技术[J].中国电力, 2006, 39 (3) :102-104.

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[6]李海清, 黄志尧.软测量技术原理及应用[M].北京:化学工业出版社, 2000.

[7]许晨光, 杨平, 邵健青.锅炉汽包水位软测量方法初探[J].华东电力, 2005, 33 (8) :47-50.

锅炉汽包水位的测量分析及校验 篇2

1 汽包水位测量原理

差压式汽包水位测量装置主要有冷凝罐、压力信号表管及差压变送器组成, 其工作原理是将水位的高、低压信号转换为差压信号实现测量。图1为汽包水位测量单室平衡容器取样管的安装示意。正压侧仪表取样管从单室平衡容器引出, 负压侧从汽包下侧取样孔引出, 引出后都按1∶100坡度向下倾斜1m以上。取样管延伸的目的是让平衡容器内的热量沿取样管传递, 使取样管垂直段 (参考水柱) 接近环境温度。当正、负压侧取样管内的水温度均为环境温度时, 它的密度则是环境温度与汽包压力的函数, 这样可以减少环境温度变化对汽包水位测量精度的影响。

由于汽包内的饱和蒸汽在冷凝筒内不断散热凝结, 筒内液面总是保持恒定, 所以正压管内的水柱高度是恒定的。负压管的水柱高度则随汽包水位的变化而变化。这时, 差压可按以下公式计算:

式中:

P+———参考水柱作用在差压变送器正压侧压力;

P-———汽包内水位作用在差压变送器负压侧压力;

HW———汽包重力水位;

h———参比水柱高度;

ρ1———冷凝罐中水的密度;

ρ′、ρ″———分别为汽包压力下饱和水、汽的密度;

g———重力加速度。

当h、ρ′、ρ″和ρ1为定值时, 由正、负压引入口得到的差压信号与汽包水位的变化呈线性关系, 水位愈高, 差压值愈小;水位愈低, 差压值愈大。

2 汽包水位的快速校验方法

当中控与现场实际汽包水位偏差较大时要及时校验。传统的校验方法是关闭阀1和阀2, 打开冷凝罐上端的螺母 (由于冷凝罐内蒸汽压力的存在为保证安全还需冷凝罐内蒸汽冷凝后方可打开) , 然后向冷凝罐内加水。此法操作上不方便且校验时间长, 一般需要30min以上。

根据本人在校验中积累的经验, 生产中水位显示不准确一般有两方面原因: (1) 冷凝罐内参考水柱降低; (2) 差压式变送器零点漂移。根据差压式变送器原理, 校验时打开平衡阀, 汽包和参考水柱构成了一个连通器, 此时再关闭平衡阀, 这样冷凝罐虽然没有加水就已经使参考水柱有HW高的水位了, 剩下h-HW的水位只需在冷凝罐外面加上凉水, 则冷凝罐内的水蒸气遇冷便可瞬间冷凝成水, 这样很快就可以使参考水柱达到满足的要求, 一般不到几分钟即可完成整个操作, 使参考水柱达到满足的要求。校零点时先将一、二次进水阀关闭, 然后打开平衡阀通过仪表将零点确认即可。

3 变送器的安装维护事项

1) 首先应观察变送器安装位置是否合理, 理论上应低于汽包高压引压管即可, 其次观察汽包高、低压侧与变送器高、低压侧是否相对应, 如不对应应及时修改。

2) 引压管焊接处漏气、漏水都会影响差压值的真实性, 引压管道太长, 沿程阻力过大都会影响差压值的测量。

3) 正常时, 冷凝罐到变送器的管道内部应该是充满水, 刚开始建立水位给冷凝罐加水时, 要不停地敲打引压管, 防止加水过程中产生气泡, 影响差压值的真实性。

4) 系统刚开始运行时可能水质不稳定, 应及时排污, 排污时, 可以通过汽包的高、低压侧, 相互反冲引压管以及三组互通阀。

5) 检查变送器的零点和量程设定是否正确, 接线正负端是否正确, 屏蔽接地是否符合相关标准。

锅炉汽包水位测量 篇3

1循环流化床锅炉简介1

循环流化床锅炉是一种新型的燃用固体燃料 ( 如煤) 的锅炉,固体颗粒( 石灰石、砂粒及炉渣等) 在炉膛内以一种特殊的气固流动方式运动, 离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。

循环流化床锅炉可分为两部分: 第一部分为流化床燃烧室,由气固分离设备( 分离器) 、固体物料再循环设备( 返料装置和返料器) 及外置换热器等组成,这些设备形成了一个固体物料循环回路; 第二部分为尾部对流烟道,布置有过热器、 再热器、省煤器及空气预热器等,与常规火炬燃烧锅炉相近[1]。

2汽包水位测量

2.1汽包水位测量的特点

锅炉汽包满水、缺水事故是长期困扰锅炉安全运行的重大恶性事故,因此保证循环流化床锅炉汽包水位测量的可靠、准确显得非常重要,保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要安全指标。但由于锅炉汽包内工艺环境条件复杂,汽液两相共存,汽包内压力高且压力随运行工况可变,燃烧负荷、燃烧工况与给水流量变化都会引起汽包水位的改变,这给汽包水位的准确测量和控制带来一定的困难。

锅炉汽包内水位不平稳。锅炉在运行控制过程中由于各蒸发受热面、受热工况的波动和负荷的变化,造成进入汽包的汽水混合物中汽水比例不断发生变化,同时由于负荷的变化汽包内各点的压力也处于不断的波动变化中,最终导致汽包内水位不平稳。

锅炉汽包内汽液两相共存。尽管汽包内装有汽水分离装置,但汽包中的水还是存在气泡; 蒸汽中也含有水滴,特别是在汽水界面附近,蒸汽和水两相共存; 而且在锅炉汽包垂直方向上蒸汽湿度变化率不一致,造成汽水分界面模糊不清,导致汽包内水位测量困难。

锅炉汽包内存在虚假水位。一般来讲,一个设备或其他容器内的液位是比较稳定、直观而且容易测量的,但锅炉汽包内的液位由于负荷与燃烧工况的变化,导致其存在虚假水位。

通常情况下,汽包水位在给水流量的作用下, 水位变化反映了给水量与蒸发量的物质平衡情况。当给水量小于蒸发量时,水位下降; 当给水量大于蒸发量时,水位上升。但是当锅炉蒸汽负荷突然增大时,蒸汽流量突然增加,在燃料量不变的情况下,根据物料平衡关系,水位变化应该降低, 但实际情况并非如此,由于蒸汽用量突然增加,瞬间导致汽包内压力下降,汽包内水沸腾加剧,水中气泡迅速增加,产生短暂的水位升高,与物质平衡原则相违,此时上升的水位即为虚假水位; 反之当锅炉负荷突然下降时,蒸汽流量减少,也会出现短暂的水位下降,然后上升,出现虚假水位。虚假水位的出现会造成控制系统的误动作,给控制带来困难。因此应认识其规律,采取相应的措施[2]。

由于锅炉汽包水位测量的特殊性,因此应选择合适的水位测量仪表与测量方案。

2.2汽包水位测量仪表

常用的水位测量仪表有差压式液位远传测量仪表、就地显示玻璃板式水位计和电接点水位计。

差压式液位远传测量仪表一般由远传差压变送器、取压导管和平衡容器( 一般用双室平衡容器) 组成。通过测量汽包内水位的压差,将水位信号转换为压差信号来实现水位的测量。远传差压变送器一般采用目前测量技术成熟的二线制差压变送器,供电24V( DC) ,输出标准4 ~ 20m A信号。差压式液位远传测量仪表系统的一个关键部件是双室平衡容器。平衡容器主要有单室平衡容器和双室平衡容器,其主要作用是实现汽包水位与压差之间的准确转换。双室平衡容器由于其结构的合理性,在实际使用中采用得比较多。简单双室平衡容器测量取压回路如图1所示。

汽包内的蒸汽在双室平衡容器凝气筒A内不断凝结变为液态,多余的冷凝液通过平衡容器上接管溢流回汽包内,因此凝气筒A内的液面总是保持恒定,筒内的液体可作为参比水柱( 即测量的基准) ,接差压变送器的正压室,正压室的压力是恒定的。倒T字形连通器,其水平部分一段接入汽包,另一端接入变送器的负压室,负压侧的水柱高度则随汽包水位H而变化,它的主要作用是将汽包内的动态水位产生的压力传递给差压变送器的负压室,与正压室( 参比水柱) 压力比较从而得到汽包中的水位。

从图1中可以看出,锅炉汽包在正常运行时双室平衡容器凝气筒A内必须满水且保持恒定, 这样参比水柱才能恒定,且基准保持不变。

就地显示玻璃板式水位计属于就地显示液位计,其液位直观、测量原理简单,根据连通管的原理显示汽包内的水位。

电接点水位计是利用汽水介质的电阻率相差很大的性质来实现水位测量的,属电阻式水位测量仪表,其突出优点是指示值不受汽包压力变化而影响,能准确反映水位情况,结构简单,应用比较广泛[3]。

2.3汽包水位测量方案

根据火力发电厂锅炉汽包水位测量系统的技术规定,锅炉汽包水位测量系统必须利用两种或两种以上工作原理共存的配置方式。因此,锅炉汽包水位的测量至少应配置独立的就地显示玻璃板式水位计、差压式液位远传测量仪表和电接点水位计,并且每个水位测量装置都应有独立的取样孔。不得在同一取样孔上并联多个水位测量装置,避免相互影响,降低水位测量的可靠性。

差压变送器锅炉汽包水位测量系统如图2所示,主要由差压变送器、双室平衡容器、引压管及排污管等组成。汽包水位测量系统中,水位越高, 压差越小,输出信号越小: 4m A时对应满水位, 20m A时对应零水位。

3案例分析

3.1汽包水位测量运行情况

甘肃银光化学工业集团有限公司近几年通过投资项目先后新建了4台30t循环流化床锅炉, 其中4#、5#锅炉汽包水位计自投运以来一直运行不正常,问题反复出现,维护人员维护工作量大, 尤其是4#锅炉汽包水位计存在运行和维护安全隐患,但是一直没有找到水位计运行不正常的核心问题。

4#、5#锅炉为单汽包流化床锅炉,每台锅炉汽包分别配置两台远传差压液位计、两台玻璃板水位计和一台电接点水位计。运行过程中经常出现两台远传差压液位计读数不稳定、读数不一致的情况; 两台玻璃板水位计的其中一台读数相对比较稳定,经与实际确认读数也较准确,另一台玻璃板水位计读数不稳定、跳动较大; 而且两台远传差压液位计和两台玻璃板水位计经常出现读数不一致的情况,导致锅炉汽包水位给水控制一直未能实现自动控制。

3.2存在的问题

根据上述现象,对所运行锅炉的所有水位计进行调研,发现4#、5#锅炉汽包水位计存在较多问题,查阅4#、5#锅炉相关设计图纸,经分析发现,造成循环流化床锅炉水位计运行不正常的原因主要有以下两方面:

a. 双室平衡容器工作不正常。引起双室平衡容器工作不正常的主要原因是排污阀漏水、 凝气筒中的水漏光、取压管与取压阀门配置不合适。

b. 锅炉汽包水位取压点不合适。4#、5#锅炉所有水位计取压位置都在锅炉汽包的中部,然而锅炉汽包中部测量环境条件较差,造成汽包内水位计测量不稳、不准,导致汽包水位计不能正常工作。

改造前汽包水位测量系统回路如图3所示。

3.3分析研究

为了验证上述造成汽包水位计运行不正常的原因,在前期调研的基础上制定了试验方案,并在4#锅炉进行了试验验证,试验结果与发现的问题如下:

a. 差压液位仪表运行正常且满足测量要求。

b. 4#锅炉两台水位计的双室平衡容器排污阀与正负压室排污阀均漏水且设置不合理,造成双室平衡容器凝气筒内液态水泄漏,参比水柱不恒定,导致水位测量不准、不稳。

c. 在排除锅炉汽包排污阀与双室平衡容器正负压室排污阀均漏水的问题后,在没有汽包的情况下双室平衡容器与差压液位计测量回路正常,测量准确、稳定。

d. 在排除锅炉汽包排污阀与双室平衡容器正负压室排污阀均漏水的问题后,在静态( 不产蒸汽) 情况下,对锅炉汽包加减水,确认锅炉汽包、双室平衡容器和差压液位计测量回路均正常; 玻璃板液位计工作正常; 两台差压液位计、两台玻璃板液位计和DCS系统操作面板液位显示数据基本一致。

e. 在动态( 产蒸汽) 情况下,锅炉汽包水位计运行不稳定,是由于锅炉汽包液位计取压点不合适和测量环境不稳定造成。

f. 差压液位计未增加取压手阀,给后期维护带来不便。

通过以上试验分析,在锅炉正常运行中双室平衡容器凝气筒内一直要充满液态水才能保证水位测量准确、稳定,锅炉在长时间停炉后重新点炉运行前必须检查双室平衡容器凝气筒内是否为满水位,否则要通过注水孔加满水; 锅炉水位计取压口一定要选择汽包内环境相对比较平稳的地方 ( 如汽包两端) 。

3.4整改方案

对4#、5#锅炉汽包双室平衡容器正负压室排污阀方案重新进行设计,排污阀只保留一个,进行直排,不与锅炉其他排水系统相连。当排污阀泄漏时可及时发现,避免双室平衡容器凝气筒内液体外漏,优化排污管线与排污阀。差压液位计应增加取压手阀,以方便后期的维护,取压管配置应尽可能短。选择合适的汽包水位计取压点,这在锅炉建成汽包安装完毕后实现比较困难,因此最好在汽包加工制作前选择好水位计的取压点。锅炉高温、高压处所使用的阀门按规定应选择高温、 高压阀门,以防泄漏。改造后汽包水位测量系统如图4所示。

按照整改方案改造后的汽包水位测量系统, 两台差压液位计运行平稳,水位读数准确一致; 两台差压液位计与两台玻璃板水位计读数一致,且能实现锅炉汽包水位的自动控制联锁。

4结束语

循环流化床锅炉汽包水位测量由于其测量环境的复杂性与不确定性,水位测量技术有待于进一步改进与完善,对锅炉汽包水位测量的认识需进一步提高。锅炉汽包水位作为锅炉运行的一个重要参数,对锅炉的安全运行起着非常重要的作用,在实际锅炉运行操作中要引起足够的重视,保证汽包水位测量系统正常运行,测量准确、可靠, 并严格按照相关标准规定进行操作。同时,应加强盘面操作人员、现场操作人员和工程技术人员对循环流化床锅炉原理结构和使用维护保养运行的学习,保证锅炉安全运行,并在实际生产中发挥循环流化床锅炉的更大效率。

参考文献

[1]张力.锅炉原理[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2]路春美,程世庆,王永征,等.循环流化床锅炉设备与运行[M].北京:中国电力出版社,2008.

锅炉汽包水位的原理分析 篇4

汽包水位计是现代火电厂最重要的监视仪表之一, 其测量准确与否对生产过程影响很大。汽包水位过高, 降低了汽包内汽水分离器的分离效果, 使供出的饱和蒸汽携带水分过多, 含盐量也增多。由于蒸汽湿度大, 过热蒸汽过热度降低, 这不但降低了机组出力, 而且容易造成汽机末几级叶片的水冲击, 造成轴向推力过大使推力轴承磨损;含盐量过多, 使过热器和汽机流通部分结垢, 使机组出力不足且易使受热面过热而造成爆管。汽包水位过低, 则破坏了锅炉的汽水自然循环, 致使水冷壁管被烧坏, 严重缺水时还会发生爆管等事故。所以准确测出汽包内水位, 以提高机组的安全性是技术人员重点关注的问题[1]。

1 几种水位测量仪表的应用介绍

1.1 双色水位计

双色水位计采用连通器原理制成, 通过光学原理中水汽两种介质的折射率不同而显示出锅炉水汽颜色的不同, 汽红水绿。这种水位计属于锅炉的附属设备, 就地安置。直接观测水位, 汽满呈现红色, 水满呈现绿色。随水位变化自动而连续。在锅炉启、停时用以监视汽包水位和正常运行时定期校对其他型式的水位计。

1.2 电接点式水位计

利用饱和蒸汽与蒸汽凝结水的电导率的差异, 将非电量的锅炉水位转换为电信号, 并由二次仪表远距离地显示水位。电接点式水位计基本上克服了汽包压力变化的影响, 可用于锅炉启停及参数运行中。电接点式水位计离汽包很近, 电极至二次仪表全部是电气信号传递, 所以这种仪表延迟小, 误差小, 不需要进行误差计算和调整, 使得仪表的检修与校验大为简化[3]。

1.3 差压式水位计

差压式水位计的工作原理是在汽包水位取样管上安装平衡容器, 利用液体静力学原理使水位转换成差压, 用引压管将差压信号送至差压计, 由差压计显示汽包水位。经过发展现在采用智能式差压变送器来测量汽包水位, 特别计算机控制技术的引入, 从技术性能、安全性、可靠性都有了极大的提高, 现在亚临界锅炉均采用差压式水位计作为汽包水位测量的主要手段, 并作为汽包水位控制、保护信号用。

平衡容器又叫“凝结球”, 根据测量准确性的要求不同, 有以下几种平衡容器:单室平衡容器、双室平衡容器、带蒸汽罩补偿式平衡容器等。下面就简单介绍单、双平衡容器的原理。

(1) 单室平衡容器的测量原理

1-正压一次门2-单室平衡容器3-负压一次门4-汽包

如图1所示, 单室平衡容器结构简单, 安装方便, 但测量误差较大。当锅炉在额定气压运行, 水位为正常水位时, 其输出的差压△p比较稳定, 测量较准确;当气压下降时 (即使此时的水位保持不变, 正压侧压力p+变化不大) , 负压侧的压力p-将显著增大, 致使平衡容器输出差压减小, 水位表指示偏高。

由图可以得到水位测量关系式:

式中:ρc:平衡容器内水密度, 单位:kg/m3;

ρw:汽包内饱和水密度, 单位:kg/m3;

ρs:汽包内饱和汽密度, 单位:kg/m3;

g:重力加速度, 单位:m/s2;

H:汽包水位, 单位:m;

△P:平衡容器输出差压, 单位:k Pa;

L:水位计量程, 单位:m。

由图1和上式可以看出, 正压侧压力p+由恒定的水柱高度维持, 负压侧压力p-则随汽包水位变化而变化, 所以△p即随汽包水位而变化。但是, 由于汽包内的饱和水与平衡容器内的冷凝水温度不同 (即密度不同) , 会导致测量误差。单室平衡器一般用于测量低温、低压容器的水位, 在用于测量锅炉汽包水位时, 要运用水位测量的汽压自动校正系统才能实现较准确的测量。

(2) 双室平衡容器的测量原理

1-正压一次门2-双室平衡容器3-负压一次门4-汽包

由图2所示, 负压侧置于平衡容器内, 下部与汽包的水室相连通, 内外2根管内水的温度比较接近, 减少了采用单室平衡容器因正负压取样管内水的密度不同所引起的测量误差, 但是, 由于平衡容器内的温度还是低于汽包内的温度, 故负压管内的水位比汽包实际水位偏低, 因而产生测量误差, 而且也没有完全消除由密度引起的误差。因此, 必须要采取一定的措施, 进一步消除上述因素对汽包水位测量的影响。这种被用来消除密度或温度变化带来的影响的措施就叫做补偿[4]。通过补偿以准确地测定汽包中的水位。我们可以通过以下步骤建立补偿系统: (1) 确定双室平衡容器的0水位位置; (2) 确定差压变送器的量程, 它的量程是由汽包水位的测量范围、容器的0水位位置及补偿系统的补偿起始点3方面因素决定的; (3) 确定数学模型、通过函数的计算和查阅《饱和水与饱和水蒸汽密度表》确定函数。

采用补偿双室平衡容器是因为其在工作过程中, 饱和蒸汽在室中凝结释放热量, 对其中正压补偿管和负压补偿管加热, 并且平衡容器外层加以足够的保护层。减少了热量损失, 使平衡容器的温度接近于汽包内的温度。从而使正压补偿管及负压管内水的密度在任何工况下都近似等于汽包内水的密度;又由于正确的选择正压补偿管的高度, 在汽包水位一定时, 使汽包内的压力无论如何变化, 正压补偿管的压力与负压管的压力变化值均相等, 因此双室平衡容器输出的差压不变, 即低置水位表指示的水位不变。一旦汽包内水位发生变化, 则平衡容器输出的差压也随之线性变化, 所以低置水位指示可以适时显示汽包内的水位。

(3) 蒸汽罩补偿式平衡容器的测量原理

鉴于当汽压变化时, 单室平衡容器和蒸汽罩双室平衡容器的输出差压变化方向恰好是相反的, 于是提出了蒸汽罩补偿式平衡容器 (即带中间抽头的双室平衡容器) [5], 其结构如图3所示。

1-正压一次门2-蒸汽罩式双室平衡容器3-负压一次门4-汽包5-至下降管

蒸汽罩补偿式平衡容器正压侧取样管的水柱改由2段组成, ι段保持饱和温度, L—ι段保持室温。适当选择2段的比例, 即可获得在某一特定水位 (如正常水位) 下平衡容器输出的差压值不受汽压变动的影响。

目前, 测量中小型锅炉汽包水位时, 广泛采用蒸汽罩补偿式平衡容器, 用蒸汽罩对正压恒位水槽加热, 使槽内的水在任何情况下都与汽包压力下饱和水的密度相同, 不受环境温度的影响。蒸汽罩的加热蒸汽取自汽包的蒸汽室, 凝结水经疏水管“5”流至锅炉下降管。

为了使平衡容器能迅速达到正常的工作状态, 在汽包与平衡容器的连接管之间加装汽侧一次门, 当锅炉开始升压时, 要关闭该阀门, 使较高压力的炉水由疏水管注入平衡容器, 并迅速充满正压恒位水槽。这样, 待仪表管路冲洗后, 打开该阀门, 水位表即可正常投入[6]。

2 结语

实践证明, 补偿双室平衡容器指示精确度高, 表现出良好的稳定性, 应推广应用。俗话说, 办法总比困难多。随着测量技术的不断发展, 汽包水位的测量手段也越来越多, 汽包水位的测量也越来越精确。结合本厂的实际情况, 正确应用新技术以解决汽包水位测量偏差情况, 提高水位测量准确度。[2]

参考文献

[1]侯子良.锅炉汽包水位测量系统[M].北京;中国电力出版社, 2001.

[2]姬海军.锅炉汽包水位的测量分析及检验[J].水泥, 2001.

[3]祁延强, 李红蓉.大通电厂汽包水位监测保护系统改造[J].青海电力, 2009, S2期.

[4]吴业飞, 时敏.双室平衡容器汽包水位测量及其补偿系统的应用[J].自动化仪表, 2004, 7.

[5]陈欢.双室平衡容器在锅炉汽包上的应用[J].石油化工自动化, 2010, 5.

锅炉汽包水位计量误差分析及校正 篇5

锅炉在正常的运行过程中, 汽包水位应控制在参考零点的附近。当锅炉负荷、燃烧工况以及给水流量等因素发生变化时, 都会使汽包水位的平衡被打破;当水位过高或急剧波动时都易引起蒸汽的品质恶化和带水, 造成受热面结盐, 严重时会导致蒸汽带水、汽轮机发生水冲击甚至造成叶片的损坏;水位过低时则会引起排污失效、炉内加药进入蒸汽、下降管带汽, 破坏锅炉炉水循环而造成大面积炉管爆破。因此锅炉汽包水位能准确测量和运行中维护、调整和控制到位, 在锅炉正常运行过程中具有十分重要的地位。

1 锅炉汽包水位的静态和动态误差分析

1.1 锅炉汽包水位的静态误差

锅炉在稳态负荷下, 汽包内汽、水界面有时是“模糊”的, 介质的密度处于饱和汽和饱和水之间, 而且是激烈波动的, 且汽包水位沿汽包长度方向上甚至会有很大偏差, 这种偏差是客观存在的。

(1) 汽包安装条件影响。

安装过程中汽包两侧中心线存在高度差 (尽管要求不大于5 mm) , 定位时存在定位误差, 锅炉投入运行后, 随着时间的推移, 会受到各种因素的影响, 如锅炉支架不平衡下沉等等, 而这些偏差应当说是客观存的、正常的。

(2) 下降管的影响。

锅炉正常运行过程中, 汽包内的水是以很高的速度连续不断地进入下降管, 有的甚至达到3 m/s以上;因下降管布置位置的不同, 也会引起汽包内的水面高低不一, 即位于下降管正上方的水面较低, 而其它部位则会较高, 这种差别将随着锅炉负荷变化以及下降管流速变化而变化, 从而造成局部偏差事实上是存在的。

(3) 燃烧偏差的影响。

当锅炉燃烧出现偏差时, 炉膛两侧水冷壁热强度不同, 炉水循环倍率差别较大, 同样会造成两侧水位偏差。

1.2 锅炉汽包水位动态特性

锅炉汽包水位测量对象动态特性是指锅炉给水流量、蒸汽流量与燃烧扰动时汽包水位变化的特性。当锅炉负荷急剧变化时, 所出现的“虚假水位”现象, 而实际上是由于汽包压力急剧变化引起炉水中的汽泡含量瞬间增减而造成汽包水位瞬时变化, 当压力恢复后, 水位亦会恢复到原先状态。

汽包水位上升到没有影响汽水分离器正常工作或下降到没有破坏锅炉水循环的程度, 都允许锅炉继续运行, 但一般要求控制在汽包的零水位, 并在其+50 mm内。如果水位变动范围过大, 达到不允许的范围时, 应立即停止锅炉的运行, 以保证设备安全。

2 锅炉汽包水位测量过程中引起的误差分析

由于汽包水位对象的复杂性, 以及联通管式和差压式测量原理的固有特性, 决定了汽包水位测量的复杂性, 加之实际运行中存在着许多不确定性因素, 以致多个水位计间出现很大偏差, 使运行人员无所适从, 甚至酿成事故。

锅炉汽包水位的测量主要是基于联通管式和差压式这两种基本原理的水位计。

2.1 联通管式水位计的测量原理和误差分析

联通管式水位计主要基于联通器原理实现对水位的测量, 主要是应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原理, 然后通过测量联通管中的水柱高度来间接反映汽包中水位的高度。例如:云母水位计 (双色水位计) 、电接点水位计都采用此类测量原理 (如图1) 。

式中:H为汽包实际水位高度;

H′为水位计的显示值;

ρs为汽包内饱和蒸汽密度;

ρw为汽包内饱和水密度;

ρa为水位计测量管内水柱的平均密度。

联通管式水位计引起误差分析:由 (1) 式可计算得到汽包水位高度值, 但由于联通管内的水柱温度总是要比汽包内饱和水的温度要低, 那么联通管中水位密度ρa必定总是大于汽包内饱和水密度ρw, 因此, 水位计反应的显示值总低于汽包内实际水位高度, 它的示值偏差为:

由上式 (2) 可知:汽包水位的测量值与真实值间的差值与联通管内的水柱温度、汽包工作压力以及汽包内实际水位高度等多种因素有关, 从而使得水位计的显示值与汽包内实际水位间不能形成一个确定的一一对应的关系;若能保证联通管内水柱的密度与汽包内饱和水的密度一致或接近时, 则ρa=ρw, 即H1=H, 由此可见, 温度是引起汽包测量水位与真实水位偏差的主要因素。事实上要消除汽包内饱和水与水位计间的密度差对测量水位计本体的材料和制造工艺将会提出了更高要求。

2.2 差压式水位计测量原理和误差分析

(1) 差压式水位计主要是将汽包水位高度的变化转换成差压的变化的工作原理, 来实现对汽包水位的测量。实现汽包差压式水位计准确测量关键是解决水位与差压之间的准确转换。通常是采用单室平衡容器形成的参比水柱与真实水位间所产生的差压来实现 (如图2) 。

正负压管输出的压差值△P按下式计算:

或改写成

式中:ρa为参比水柱 (P+侧水柱) 的密度;

ρw为汽包内饱和水密度;

ρs为汽包内饱和蒸汽密度;

H为汽包内实际水位。

(2) 差压水位计引起误差分析:根据 (3) 式和 (4) 式以及 (图3) 可以看出, 汽包水位与差压之间实际上不是一个单变量函数关系, 也不是一个线性函数关系;仍然存在饱和水密度与饱和蒸汽密度的变化将影响测量结果, 而饱和水密度、饱和蒸汽密度与汽包压力的函数关系如图3所示, 当压力越低时, 差压信号的相对误差越大。此外参比水柱温度变化同样也会影响差压水位计的测量结果。

3 锅炉汽包水位测量系统的误差校正

3.1 锅炉差压式水位计测量误差的纠偏

(1) 采用单室平衡容器的差压式水位计测量误差的补偿。

在实际应用中, 汽包水位的显示值是以汽包零水位为基准的, 因此, 有H=H0+ΔH, (H0为零水位, ΔH为水位计显示值) 。则可写成:

式中

ρa-ρs为平衡容器参比水柱与汽包内饱和蒸汽的密度差;

ρw-ρs为汽包内饱和水与泡和蒸汽的密度差。

若将参比水柱温度近似看作等于室温, 则式中 (ρa-ρs) , (ρw-ρs) 与汽包压力的关系如图3所示;将汽包压力与这个密度差的关系近似用线性关系式来表达:

代入 (5) 式, 可得水位与汽包压力及差压之间的关系为:

其中:K5=L K3-H0K1;

K (1…6) 都为常数。这样汽包水位测量经汽包压力校正后, 测量精确度已得到提高, 但这种补偿计算的前提是假定正压侧参比水柱温度恒定, 而事实上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, 从而对差压测量产生一定的影响。

(2) 采用双室平衡容器和内置式单室平衡容器差压式水位计测量误差的补偿。

将平衡容器内的参比水柱温度接近饱和温度方法, 排除温差对于密度的影响, 从而减少环境温度对差压式水位测量的影响;只需利用汽包压力对水位测量进行校正即可达到准确测量水位的目的 (如图4) 。

3.2 安装过程中的纠偏

锅炉汽包水位取样管和仪表引压管的选型、敷设路线的选择、安装方法以及管路严密性等都直接影响测量的准确性, 而且这些误差随机性大, 难以发觉和消除, 严重时还会引起汽包水位保护误动和拒动。

安装必须注意下列情况:

(1) 汽包内的取样器及管路绝对禁止出现垂直凸凹的弯曲, 防止发生“汽塞”或“水塞”现象。

(2) 平衡容器取样管:汽侧管应向下、水侧管应向上倾斜不小于1∶100;水平延伸不少于1 m;管路水平敷设时也应保持坡度大于1∶100。

(3) 检查试验管路的严密性, 应无漏焊、堵塞和错焊等情况。

(4) 仪表管路的保温对于测量产生影响。如:单室平衡容器外部和冷凝器出口参比水柱不准保温, 而在引压管的其他部分则需要加装保温材料等等。

(5) 在冬季伴热投用的情况下仪表管温度提高, 而外界温度降低时, 热交换剧烈时对水位测量影响就更大。

3.3 调试过程中的纠偏

(1) 根据锅炉厂家确定汽包零水位参考点, 相应调整差压变送器的迁移量。

(2) 调试和校验过程中, 检查变送器在全量程范围内是否成线性变化。

(3) 利用锅炉水压试验前给各平衡容器注水, 并打开汽、水一次阀、排污阀进行排污, 待水流连续没有间断时为止, 再关闭排污阀投入水位计。差压式水位计的测量实际上是水位与差压之间的准确转换, 只有该过程中将引压管中气泡排尽是准确投用水位过程非常重要一个环节。若这过程中没有将引压管中的气泡排尽, 则会在变送器测量过程中形成近同样高度的水柱误差。若参照水柱引压管中存在一点气泡, 则就会引起测量值高于实际值情况;若测量管中存在气泡, 则反之。现实工作中往往因为排污不彻底, 引压管中存在气泡而产生数10 mm的偏差, 甚至有时汽包水位两侧差压计的测量偏差大于30 mm, 这严重影响锅炉安全运行。

3.4 运行维护过程中的纠偏

(1) 为了防止仪表管冬季结冻, 在仪表管路上加装了伴热装置, 伴热温度一般稳定在40℃~65℃范围时。

(2) 利用停炉的机会对一次阀、排污阀及管路进行有效的压力传动试验。

(3) 锅炉起动前应确保差压水位计形成参比水柱。经过长期研究试验发现:在锅炉做水压试验时, 对水位变送器排污, 可以有效减少引压管内气泡且易形成良好的参比水柱。

(4) 机组长期运行中, 由于管道内腐蚀而引起杂质增多, 管道内存在气泡或管道局部有轻微渗漏, 都会影响测量准确性, 造成两侧测量偏差增大。

4 结语

汽包水位测量系统是一个系统工程, 在实际工作中因受各种因素的影响, 都会使水位测量产生偏差。我公司成功通过对锅炉水位计测量原理、动静态特性和锅炉水位计安装、调试以及运行过程中的注意事项进行分析总结, 成功有效地使多套水位间偏差符合规定, 同时使给水自动和汽包水位保护正常投入运行且效果明显。

参考文献

[1]国家电力行业热工自动化标准化委员会.火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定[M].中国电力出版社, 2004.

[2]国家电力公司发输电运营部.防止电力生产重大事故二十五项重点要求[M].中国电力出版社, 2001.

[3]吴永生, 方可人.热工测量及仪表[M].中国电力出版社, 1995.

[4]叶江祺.热工测量和控制仪表的安装[M].2版.中国电力出版社, 1998.

[5]侯子良.火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定[J].电力设备, 2005 (7) :58-59.

[6]程启明, 汪明媚, 王映斐, 等.火电厂锅炉汽包水位测量技术发展与现状[J].电站系统工程, 2010 (2) :9-12, 15.

提高汽包水位测量精度 篇6

利用重力水位的原理, 我们可以测量出汽包内的真实水位。电厂常用的汽包水位计有云母水位计和电接点水位计以及差压式水位计。云母式水位计结构简单且读数直观可靠, 但因就地安装使运行人员无法在集控室读数。电接点水位计能在锅炉变参数运行时可靠测量汽包水位, 但由于其测量和显示水位是阶跃性的, 因此其测量精度低, 它输出的水位信号是非连续的, 故不宜作为给水自动调节信号。差压式水位计由于输出的是连续水位信号, 所以可作为给水系统调节用, 当锅炉在额定参数下运行时, 它能准确无误地指示出汽包的真实水位, 但当锅炉在启停以及滑参数运行时, 汽包水位就难以准确测量了。因此对传统的差压式汽包水位测量仪进一步地进行研究, 采用计算机技术提高汽包水位测量精度有着重大的现实意义。

1 双室平衡容器水位提高测量精度的方法

我国锅炉一般配套双室平衡容器, 测量装置示意图如图1所示, 采用饱和蒸汽加热正压头水柱, 使之处于饱和蒸汽。

由图可推得如下公式:

即:

式中:h——水位 (单位:m)

ΔP——差压 (单位:Pa)

ρw——饱和水密度 (单位:kg/m3)

ρS——饱和蒸汽密度 (单位:kg/m3)

g——重力加速度

补偿公式SAMA图如图2所示。图中:汽包压力按表压计算;汽包水位按差压 (Pa) 值计算, 若原为mm H2O, 则换算关系为:1mmH2O=9.8Pa≈10Pa。折线函数1为 (ρw-ρs) ;除法器2的系数为:G1=1、B1=0、G2=9.80665、B2=0;常数C为 (L-h0) ;减法器3的系数为:G1=G2=1000。

(ρw-ρs) 是汽包压力P的函数, 可通过查《饱和水与饱和蒸汽表》经运算得出。下表给出石景山#2 (200MW) 机组汽包水位双室平衡容器补偿 (ρw-ρs) 的折线函数。

注:

1) 《饱和水与饱和蒸汽表》中的压力为绝对压力, 实际计算时所用为表压。二者之间的关系为:表压+1标准大气压=绝对压力 (1标准大气压=1bar) 。因此, 在查表时, 应将所查压力值+1。如:查0.4M pa时的 (ρw-ρs) , 应查5bar时的值, 即 (1/0.0010928-1/0.37481=912.4) , 而不是4bar时的值, 即 (1/0.0010839-1/0.46242=920.4) 。

2) 上述公式适用于汽包0位与平衡容器0位一致的情况。

2 单室平衡容器水位提高精度的方法

测量装置示意图如图3所示。

由图可推得如下公式:

式中:h——水位 (单位:m)

ΔP——差压 (单位:Pa)

ρw——饱和水密度 (单位:kg/m3)

ρs——饱和蒸汽密度 (单位:kg/m3)

ρ凝——汽包外水柱密度 (单位:kg/m3)

g——重力加速度

补偿公式SAMA图如图4所示。图中:汽包压力按表压计算;汽包水位按差压 (Pa) 值计算, 若原为mm H2O, 则换算关系为:1mm H2O=9.8Pa≈10Pa。折线函数1为 (ρ凝-ρs) ;折线函数3为 (ρW-ρs)

注:

1) 采用单室平衡容器构成校正回路时, 通常按50℃确定ρ凝, 没有考虑ρ凝随温度变化带来的影响, 在使用中平衡容器水柱温度变化较大时, 将产生较大的误差。因此, 采用这种方式时, 要注意避免平衡容器水柱温度的过大变化, 例如采用一定的防护或保温措施。

2) (ρ凝-ρs) 、 (ρW-ρs) 是汽包压力P的函数, 因此上述校正回路可表示为:

在较大压力范围内 (如0~19.6Mpa) , (ρ凝-ρs) ×g×L=F (P) 可用直线方程近似: (ρ凝-ρs) ×g×L=K3-K4×P, 因此, 校正回路可变为:

(ρ凝-ρs) ×g=K3-K4×P=1000.9-7.410×P在冷水温度为50℃, 汽压为0.10~18.63M pa范围内, 计算误差小于±1.3%。

取冷水温度为40℃, 汽压在0.1~20.2Mpa范围内, 计算误差不超过±0.3%。

在汽包压力为2.94~12.7Mpa范围内时, f (P) 也可用直线近似: (ρW-ρs) ×g=K1-K2×P, 因此, 校正回路可变为:

(ρW-ρs) ×g=908.8-27.685×P在冷水温度为50℃, 汽压为0.39~18.63M pa范围内, 计算结果与实际值的误差小于±2.5%。

(ρW-ρs) ×g=942.36-50.418×P+2.8855×P2-0.09627×P3在冷水温度为40℃, 汽压为2.94~20.59Mpa范围内, 计算结果与实际值的误差小于±1.0%。

还有将误差看成汽包压力的函数进行校正的方案, h=Δp×K×f (P) 这种方式只对正常水位有较好的校正作用, 水位偏离正常值时误差较大。

3 结语

借助于分散控制系统 (DCS) 技术, 差压水位计在一定程度上提高了性能, 同时采取密度修正的方法提高测量汽包水位的精度, 如果能够准确测量平衡容器内冷凝水的温度, 根据公式便可以准确地测量汽包的水位, 收到了预期效果。

参考文献

[1]朱祖涛主编.锅炉汽包水位测量与计算机应用.上海电力学院学报, 1993.

锅炉汽包水位测量 篇7

1.1 锅炉供水系统工作原理

锅炉供水系统是由锅炉主体、液位传感器、给水阀和各种管道构成。控制系统是通过液位传感器返回的测量数据,去控制阀门开度的大小和开闭的时间来维持锅炉内的水位,来保证锅炉的水位在一个安全的范围值之内[1]。锅炉控制系统如图1所示。

1.2 在给水流量作用下汽包水位的动态特性

锅炉的输入量就是给水量,在给水量发生变化时,汽包水位对象的微分方程式可以表示为:

其中:T1T2——时间常数

Tw——给水量时间常数

Kd——给水量放大系数

Vw——水位变化量和最大蒸汽负荷量之比

经过拉斯变换后得到

从而得出汽包水位在给水流量作用下的传递函数

在锅炉供水系统中的值一般比较小,Tw可以忽略不记,所以汽包水位在给水流量作用下的传递函数可以近似看成

2 汽包水位模糊控制自适应系统设计

自适应模糊PID控制系统,使用了性能优越的模糊控制器取代了参数无法改变的常规PID控制器,使用PID和偏差e和偏差变化率ec相结合,通过使用模糊推理对PID进行在线整定,可以得出被控对象有良好的静、动态特性[2]。则模糊PID控制器结构如图2所示。

2.1 输入、输出量的模糊化

对于锅炉汽包水位控制系统,将汽包水位偏差值的变化量ec和偏差值e设为输入变量,PID参数的校正值为输出变量,即Kp、Ki和Kd。在模糊自整定PID控制器中,采用的是二维模糊控制器,如图3所示[3]。

汽包水位模糊自适应PID控制器设定模糊输入量误差E和误差变化率EC及三个模糊输出量△Kp、△Ki和△Kd的模糊子集均选用{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},分别对应{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}[3]。子集中的各语言值为输入、输出量的论域为:E={-3,-2,-1,0,1,2,3},EC={-3,-2,-1,0,1,2,3},Kp={-3,-2,-1,0,1,2,3},Kd={-3,-2,-1,0,1,2,3},Ki={-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}。其中E、EC、△Kp、△Ki和△Kd模糊变量隶属度函数均选用三角形函数,并进入隶属度函数编辑器(Membership Function Editor)修改输入语言变量的论域为(-3,3),输出语言变量的论域(0,1)。如图4所示的是E、EC、△Kp、△Kd的隶属度函数,图5所示的是△Ki的隶属度函数。

2.2 调节PID控制器的三个参数的模糊规则的建立

通过多次操作数据处理或多次数据经验总结,并结合理论分析可以总结出偏差e、偏差变化率ec跟PID调节器的三个参数Kp、Ki、Kd间存在如下的关系[4],下面以Kd的为例。

当e较小时,为使系统具有较好的稳定性能,Kp与Ki要取大一些,同时为了避免系统在设定值发生振荡,并考虑系统抗干扰性能,当ec较大时Kd可取得较小一些;ec较小时Kd可取的较大一些。根据这些经验调节修正PID调节器中Kd的参数的模糊规则,如表1所示。

表1中,|e|和|ec|分别表示偏差e和偏差变化率ec的绝对值;△Kd分别表示为对系统PID控制器原来设计参数Kd的修正值,系统实时的参数确实分别为Kd+△Kd,这些模糊子集的论域及其隶属函数,需要根据系统大量数据的分析得出,F子集的隶属度函数取三角形函数。建立了输入输出模糊变量子集后,在SIMULINK模糊控制器Rule Editor中添加模糊控制规则[5],共49条规则。

3 锅炉汽包水位的自适应模糊控制系统MATLAB仿真

3.1 锅炉汽包水位模糊控制系统仿真结构图的搭建

模糊规则制定完成后,在SIMULINK环境下中建立智能控制系统模糊控制仿真结构图,并对系统进行仿真实验,在Simulink中的模糊自适应PID控制系统如下所图7所示[6]。

锅炉水位仿真结果的自适应模糊PID控制如图8所示。

3.2 锅炉汽包水位模糊控制系统的MATLAB仿真

在Simulink环境下,PID控制系统仿真框图如图9所示,仿真曲线如图10所示。

在锅炉汽包水位控制系统,通过SUMLINK建立的两种不同形式的PID曲线,可以看出丛这两个仿真曲线图有些不同,采用模糊自适应控制系统的PID曲线具有更好的控制效果,比经典的PID控制器具有更快的动态响应特征,丛模糊自适应控制系统结果曲线可以很好的看出系统能很快的趋向平衡点,这就表明系统响应速度很快,超调量比较小,完成系统稳定控制的时间短,控制精度也很高,并且控制结果非常稳定。

4 结论

此项研究从锅炉系统控制的特点出发,将锅炉水位控制系统进行模型化分析,得出锅炉水位控制系统在工业过程中表现出的非线性,大滞后,强耦合,不容易控制等特点的结论。此研究根据以上模型得出的结论,将PID控制和模糊控制理论相结合,弥补了传统PID控制器难以达到理想控制效果的不足,既延续了PID控制中稳态精度高的优点,又将模糊控制融入其中,此两种控制理论的结合,使锅炉控制系统保持在最优的实时参数上,达到了令人满意的控制效果。

摘要：在锅炉运行中,对水位的控制要求特别高,因为它关系到锅炉系统的安全与稳定,水位控制是一种非线性,强耦合的多变量系统。模糊控制具有不依赖控制对象建立精确数学模型、具有超调较小、防止振荡等优点。本文针对这个现象设计了模糊自适应系统,并对其进行了MATLAB仿真实验。结果表明模糊自适应系统对锅炉水位有很好的控制作用。

关键词：汽包水位,自适应模糊,PID控制,仿真

参考文献

[1]娄伟,刘向东.模糊控制在锅炉汽包水位控制系统中的应用[J].山东农业大学,2010(1).

[2]李成浩.锅炉水位PID控制与模糊控制的比较研究[J].商,2012(21):135-135.

[3]高俊.锅炉汽包水位模糊控制的应用研究[J].上海应用技术学院,

[4]张鑫.模糊PID技术在控制锅炉汽包水位的初探[J].机械制造与自动化,2013,42(2):170-174.

[5]王爱军.锅炉汽包水位的模糊自适应控制[J].华北水利水电学院,2012(12).