武瑞

摘 要：汽包水位是表征鍋爐安全、高效運行的重要參數(shù)，由于汽包水位環(huán)境條件的特殊性，使準(zhǔn)確測量汽包水位存在較大的難題，包括配置、安裝、運行及維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致汽包水位測量系統(tǒng)存在較大測量誤差，不同表計之間測量偏差大，不同工況下差值也有較大差別，是機(jī)組安全、高效、穩(wěn)定運行的一個隱患。本文對神華神東電力有限責(zé)任公司上灣熱電廠汽包水位測量系統(tǒng)改造的成功案例進(jìn)行深入研究。本次改造在準(zhǔn)確測量汽包水位的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了汽包兩端實際水位存在較大偏差，探討汽包兩端水位偏差安全隱患產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：汽包水位；安全隱患；測量誤差；兩端偏差

1 概述

神華神東熱電公司作為國家億噸級礦區(qū)坑口資源綜合利用熱電廠，肩負(fù)著為神東礦區(qū)供熱的重要使命，燃料主要采用煤矸石和煤泥，采用皮帶和管道封閉運輸、無煤場，水源為礦井疏干水，灰渣廢水全部再利用，屬于典型的節(jié)能環(huán)保工程。上灣熱電廠三期（一二期已關(guān)停）工程2008年4月開工建設(shè)，2009年底投產(chǎn)，規(guī)模為2×520t/h循環(huán)流化床鍋爐配置2×150MW抽凝式汽輪機(jī)組，2011年被中國電力建設(shè)企業(yè)協(xié)會授予“中國電力優(yōu)質(zhì)工程獎”。

上灣熱電廠汽包水位測量與保護(hù)系統(tǒng)長期存在測量誤差大，各水位計偏差大等安全隱患，不能為運行人員提供準(zhǔn)確、可靠的運行參數(shù)，不能滿足“防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項要求”和相關(guān)運行規(guī)程要求。為消除汽包水位安全隱患，神東電力公司上灣熱電廠采用國際領(lǐng)先的技術(shù)和儀表，從根本上消除了各汽包水位計的測量誤差，真正達(dá)到了各項規(guī)程要求。改造后汽包水位測量系統(tǒng)儀表配置如圖1所示，包括2套汽包水位無盲區(qū)低偏差云母水位計；兩套汽包水位高精度取樣電極傳感器。3套汽包水位內(nèi)裝單室平衡容器和1套汽包水位磁致液位計。

圖1 改造后汽包水位計配置示意圖

2 測量數(shù)據(jù)分析

2.1 不同工況下，各水位計測量值如表1所示

數(shù)據(jù)表中記錄了在機(jī)組運行期間，不同汽包水位（+125～-300）情況下，各水位計的測量值。如上表所示，汽包同側(cè)不同測量原理的云母水位計、電接點水位計、差壓水位計，在不同工況下指示一致，其偏差不超過30mm。同時汽包兩端實際水位存在偏差，汽包B側(cè)實際水位低于汽包A側(cè)。且隨負(fù)荷增加，兩端實際水位偏差增大。

2.2 差壓水位計、磁致液位計測量結(jié)果如圖2所示

如2圖所示，汽包同側(cè)各水位計指示一致，汽包兩端實際水位存在偏差，汽包B側(cè)水位低，汽包A側(cè)水位高，兩端偏差隨機(jī)組負(fù)荷升高而增大。

3 汽包水位測量系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠

汽包水位測量準(zhǔn)確、可靠。汽包水位無盲區(qū)低偏差云母水位計和汽包水位高精度取樣電極傳感器采用的測量原理為連通器原理；汽包水位內(nèi)裝平衡容器采用的測量原理為差壓原理。如果兩種不同原理的水位計，在不同工況，不同水位時，測得的值一致，則我們可以確定，汽包水位測量準(zhǔn)確，顯示了汽包內(nèi)的真實水位。

數(shù)據(jù)記錄中，可以明顯看出，汽包同側(cè)不同測量原理的各水位計顯示值在不同工況，不同水位情況下，是一致的，其偏差在30mm以內(nèi)。因此，改造后的各汽包水位測量裝置達(dá)到了汽包水位精準(zhǔn)測量的要求，能夠準(zhǔn)確、可靠地測量汽包水位。

4 汽包左、右兩端的實際水位偏差分析及解決方案

4.1 汽包兩端水位偏差原因分析

新安裝的汽包水位測量裝置實現(xiàn)了汽包水位的精準(zhǔn)測量，給汽包水位測量與保護(hù)系統(tǒng)提供了一雙精確的“眼睛”，能夠為汽包工況分析提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。從運行數(shù)據(jù)中，我們可以明顯看出，汽包左右實際水位存在偏差，且該偏差隨著機(jī)組負(fù)荷升高、汽包壓力增大而升高。

汽包兩端實際水位存在偏差的原因是多方面的。給水不均、火焰偏燒等因素均能夠造成汽包兩端的實際水位產(chǎn)生偏差。汽包兩端水位產(chǎn)生偏差，將給水位運行監(jiān)視和保護(hù)帶來困難。根據(jù)對#2鍋爐汽包結(jié)構(gòu)和啟機(jī)后汽包水位運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以認(rèn)定造成汽包兩端實際水位偏差的一個主要原因為：汽包給水結(jié)構(gòu)為單側(cè)給水，汽包內(nèi)給水不均，造成了汽包兩端爐水溫度存在偏差，使得汽包兩端爐水密度不一致，根據(jù)流體動力學(xué)原理，造成了汽包兩端實際水位產(chǎn)生偏差。

汽包給水管路結(jié)構(gòu)及給水孔分布如圖3所示。

圖3 汽包給水管路結(jié)構(gòu)及給水孔分布圖

圖4 汽包給水管路結(jié)構(gòu)及給水孔分布照片

如圖3、圖4所示，原有汽包給水管上給水孔均勻分布，每隔90mm，開一個直徑為Φ12的給水孔，給水孔與水平面夾角為30度。汽包給水管結(jié)構(gòu)和給水孔分布造成了汽包內(nèi)的給水不均，給水主要集中在汽包B側(cè)，B側(cè)的給水量約為A側(cè)的3倍，這是造成汽包水位兩側(cè)偏差較大的根本原因。

具體計算如下：如下為出水孔流量偏差計算。

沿給水分配管靜壓增量計算

沿給水分配管分布的出水孔處靜壓增量計算見式（1）：

（1）

式中：X為計算點到坐標(biāo)原點的相對長度；Hfp為汽包給水分配管入口的動壓頭；αfp為汽包給水分配管的每米摩擦阻力系數(shù)。

給水分配管流量分配計算

假設(shè)汽包內(nèi)壓力恒定，汽包內(nèi)環(huán)境壓力為P0，分配管進(jìn)口處靜壓力為P1，各出水孔處的靜壓力為（P1+αχ）；根據(jù)出水孔處的壓差，由伯努利方程，出水孔的速度按式（2）計算：

式中：υfp為汽包給水分配管中的介質(zhì)比容。

（2）

本方法通過出水孔單位時間的出水量來判斷和考慮汽包水位的相對變化。在給水流量為（520t/h）時，給水分配管的出水速度的分布如圖5所示。

圖5 原設(shè)計出水孔速度分布圖

根據(jù)計算，B側(cè)的給水量約為A側(cè)的三倍。而由于汽包給水流量與汽包蒸汽流量一致，汽包給水溫度要遠(yuǎn)低于飽和溫度，因此造成了汽包B側(cè)（汽包給水管進(jìn)口端）內(nèi)的水溫度低于汽包A側(cè)水的溫度，汽包B側(cè)水的密度大于汽包A側(cè)水的密度。根據(jù)流體動力學(xué)原理，造成了汽包B側(cè)的水位低于汽包A側(cè)的水位。隨著機(jī)組負(fù)荷升高，給水溫度與飽和溫度差值增大，且溫度越高，水的密度隨溫度變化越大，這就造成了汽包兩端的實際水位產(chǎn)生，且偏差隨著機(jī)組負(fù)荷升高，汽包壓力升高而升高。

例如，汽包壓力為7.84MPa，飽和溫度為295.5℃，而汽包給水溫度僅為210℃，這必然造成了汽包B側(cè)的爐水溫度低于汽包A側(cè)的爐水溫度，汽包B側(cè)的實際水位低于汽包A側(cè)的實際水位。

汽包兩側(cè)偏差計算如下所示

（3）

式中，HA為汽包A側(cè)實際水位距汽包底部高度，？籽A為汽包A側(cè)爐水密度，HB為汽包B側(cè)實際水位距汽包底部高度，？籽B為汽包B側(cè)爐水密度，

汽包A側(cè)的爐水平均溫度受汽包給水影響小，溫度較高，爐水密度較小；汽包B側(cè)的爐水平均溫度受汽包給水影響大，溫度較低，爐水密度較大。當(dāng)兩端溫差達(dá)到25℃時，其密度差將達(dá)到50kg/m3。汽包內(nèi)徑為1800mm，0水位在汽包幾何中心線以下76mm，距離汽包底部距離約為850mm。

將上述數(shù)據(jù)帶入公式（3）中，經(jīng)計算，可得出汽包兩端的實際偏差約為60mm。這與水位測量結(jié)果是一致的。

同時，由于溫度越高，溫度變化對水密度的影響約大。因此隨著負(fù)荷升高，汽包壓力升高，飽和溫度進(jìn)一步升高，汽包給水不均對汽包兩端水位偏差的影響將進(jìn)一步增大。當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時，汽包兩端的偏差將達(dá)到100mm以上。

4.2 汽包兩端水位偏差解決方案

汽包兩端水位偏差較大，給汽包水位的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和保護(hù)帶來困難。由于汽包兩端水位偏差是由于汽包給水不均造成的實際汽包水位的偏差，因此，解決該問題的主要途徑是改善汽包內(nèi)給水分布，使汽包內(nèi)均勻給水。

具體方案：對汽包給水管上的給水孔分布進(jìn)行調(diào)整。通過堵塞部分給水孔，使得靠近汽包給水管入口（汽包B側(cè)）的給水孔分布密度較低，通過增加新的給水孔（開孔角度與水平夾角成30度或60度），使得汽包B側(cè)的給水孔分布密度逐漸升高，確保在給水過程中，給水在汽包內(nèi)均勻分布，汽包內(nèi)的爐水溫度左右基本一致，消除汽包左右兩端的實際水位偏差。各個點的給水孔分布數(shù)量可根據(jù)以下公式

（4）

（5）

進(jìn)行計算確定。改造后給水孔分布示意圖：

圖6 改造后汽包給水管出水孔分布示意圖

參考文獻(xiàn)

[1]侯子良，侯云浩，等.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社.

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