上灣熱電廠#2鍋爐汽包水位誤差分析及解決方案

武瑞

摘 要：汽包水位是表征鍋爐安全、高效運行的重要參數，由于汽包水位環境條件的特殊性，使準確測量汽包水位存在較大的難題，包括配置、安裝、運行及維護不當等原因，導致汽包水位測量系統存在較大測量誤差，不同表計之間測量偏差大，不同工況下差值也有較大差別，是機組安全、高效、穩定運行的一個隱患。本文對神華神東電力有限責任公司上灣熱電廠汽包水位測量系統改造的成功案例進行深入研究。本次改造在準確測量汽包水位的基礎上，發現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生的原因，并提出相應的技術改進措施。

關鍵詞：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坑口資源綜合利用熱電廠，肩負著為神東礦區供熱的重要使命，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，屬于典型的節能環保工程。上灣熱電廠三期（一二期已關停）工程2008年4月開工建設，2009年底投產，規模為2×520t/h循環流化床鍋爐配置2×150MW抽凝式汽輪機組，2011年被中國電力建設企業協會授予“中國電力優質工程獎”。

上灣熱電廠汽包水位測量與保護系統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確、可靠的運行參數，不能滿足“防止電力生產重大事故的二十五項要求”和相關運行規程要求。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先的技術和儀表，從根本上消除了各汽包水位計的測量誤差，真正達到了各項規程要求。改造后汽包水位測量系統儀表配置如圖1所示，包括2套汽包水位無盲區低偏差云母水位計；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 測量數據分析

2.1 不同工況下，各水位計測量值如表1所示

數據表中記錄了在機組運行期間，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側實際水位低于汽包A側。且隨負荷增加，兩端實際水位偏差增大。

2.2 差壓水位計、磁致液位計測量結果如圖2所示

如2圖所示，汽包同側各水位計指示一致，汽包兩端實際水位存在偏差，汽包B側水位低，汽包A側水位高，兩端偏差隨機組負荷升高而增大。

3 汽包水位測量系統準確、可靠

汽包水位測量準確、可靠。汽包水位無盲區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，汽包水位測量準確，顯示了汽包內的真實水位。

數據記錄中，可以明顯看出，汽包同側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。因此，改造后的各汽包水位測量裝置達到了汽包水位精準測量的要求，能夠準確、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了汽包水位的精準測量，給汽包水位測量與保護系統提供了一雙精確的“眼睛”，能夠為汽包工況分析提供準確、可靠的數據。從運行數據中，我們可以明顯看出，汽包左右實際水位存在偏差，且該偏差隨著機組負荷升高、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生偏差。汽包兩端水位產生偏差，將給水位運行監視和保護帶來困難。根據對#2鍋爐汽包結構和啟機后汽包水位運行數據進行分析，可以認定造成汽包兩端實際水位偏差的一個主要原因為：汽包給水結構為單側給水，汽包內給水不均，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，根據流體動力學原理，造成了汽包兩端實際水位產生偏差。

汽包給水管路結構及給水孔分布如圖3所示。

圖3 汽包給水管路結構及給水孔分布圖

圖4 汽包給水管路結構及給水孔分布照片

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。汽包給水管結構和給水孔分布造成了汽包內的給水不均，給水主要集中在汽包B側，B側的給水量約為A側的3倍，這是造成汽包水位兩側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。

給水分配管流量分配計算

假設汽包內壓力恒定，汽包內環境壓力為P0，分配管進口處靜壓力為P1，各出水孔處的靜壓力為（P1+αχ）；根據出水孔處的壓差，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 原設計出水孔速度分布圖

根據計算，B側的給水量約為A側的三倍。而由于汽包給水流量與汽包蒸汽流量一致，汽包給水溫度要遠低于飽和溫度，因此造成了汽包B側（汽包給水管進口端）內的水溫度低于汽包A側水的溫度，汽包B側水的密度大于汽包A側水的密度。根據流體動力學原理，造成了汽包B側的水位低于汽包A側的水位。隨著機組負荷升高，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生，且偏差隨著機組負荷升高，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側的爐水溫度低于汽包A側的爐水溫度，汽包B側的實際水位低于汽包A側的實際水位。

汽包兩側偏差計算如下所示

（3）

式中，HA為汽包A側實際水位距汽包底部高度，？籽A為汽包A側爐水密度，HB為汽包B側實際水位距汽包底部高度，？籽B為汽包B側爐水密度，

汽包A側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。當兩端溫差達到25℃時，其密度差將達到50kg/m3。汽包內徑為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。

將上述數據帶入公式（3）中，經計算，可得出汽包兩端的實際偏差約為60mm。這與水位測量結果是一致的。

同時，由于溫度越高，溫度變化對水密度的影響約大。因此隨著負荷升高，汽包壓力升高，飽和溫度進一步升高，汽包給水不均對汽包兩端水位偏差的影響將進一步增大。當機組滿負荷時，汽包兩端的偏差將達到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，給汽包水位的監測、調節和保護帶來困難。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給水分布，使汽包內均勻給水。

具體方案：對汽包給水管上的給水孔分布進行調整。通過堵塞部分給水孔，使得靠近汽包給水管入口（汽包B側）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，給水在汽包內均勻分布，汽包內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量可根據以下公式

（4）

（5）

進行計算確定。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

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

[2]防止電力生產重大事故的二十五項重點要求實施細則[S].

[3]杜廣生.工程流體力學[M].北京：中國電力出版社.