內裝平衡容器在燃氣電廠余熱鍋爐汽包水位測量的應用

曲雪瑩

0 引言

燃氣—蒸汽聯合循環電廠是目前國際上發展極為迅速的發電形式，這類機組發電有利于改善電網結構，特別適合用于地區調峰發電。

某熱電有限公司采用4臺日本三菱M701F4型燃氣輪機組成兩套“二拖一”燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組，與燃氣輪機配套的4臺9F級余熱鍋爐為杭州鍋爐集團公司引進美國N/E公司技術設計制造。

余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環余熱鍋爐，每臺余熱鍋爐高壓汽包、中壓汽包、低壓汽包各安裝了3臺HDSC-DNZ型內裝平衡容器，1臺HDSC-DNZQ型滿量程內裝平衡容器。

1 汽包水位準確性對余熱鍋爐運行安全的重要性

余熱鍋爐運行中，是通過汽包水位測量和保護系統來監測和控制汽包水位并保證余熱鍋爐的安全運行。當汽包水位超出正常運行范圍時，報警系統將發出報警信號，保護系統將立即采取必要的保護措施，以確保余熱鍋爐和蒸汽輪機的安全。因此，汽包水位測量和保護系統是機組安全運行的極重要的系統。保持余熱鍋爐汽包水位在正常范圍內是余熱鍋爐運行的一項重要的安全性指標[1]。

由于原有汽包水位計在原理和結構設計上存在缺陷，測量誤差很大，且影響誤差的因素較多，誤差存在很大的不確定性，各水位計之間偏差大。汽包水位測量系統的準確性差是發電廠普遍存在的問題，給發電廠的安全高效運行帶來很大事故隱患。因此提高鍋爐汽包水位測量系統的準確性與可靠性，消除滿、缺水事故安全隱患成為迫切需要解決的課題。

2 傳統汽包水位測量和保護系統存在的問題及安全隱患

2.1 傳統汽包水位計的測量誤差分析

目前汽包水位測量均采用間接測量法，下面對傳統差壓式汽包水位計進行誤差分析[2]。

差壓式測量技術自現代鍋爐發明起就在測量水位方面得到了應用，其結構如圖1所示。

圖1 差壓式汽包水位計結構

汽包內水和飽和蒸汽密度的變化、參比水柱溫度的變化均會影響差壓水位計的測量結果。

傳統差壓水位計的結構將不可避免地產生測量誤差。其誤差來源主要以下2個方面：

1）參比水柱平均密度ρa產生的誤差。在進行補償計算時，公式中參比水柱平均密度ρa不能夠準確得出，一般采用估算值，取一個常量帶入DCS中進行計算，這將不可避免地產生測量誤差。首先，參比水柱平均密度ρa很難準確得出。如圖2所示，參比水柱頂部溫度近似為飽和溫度，但由于散熱，參比水柱上各點的溫度呈指數下降，在參比水柱的下部溫度就與環境溫度相近了。這就造成了參比水柱平均溫度很難準確得出。

圖2 實測某電廠平衡容器參比水柱溫度

其次，參比水柱的溫度受環境影響較大，季節變換，環境溫度變化、風向變化，均會對參比水柱的平均溫度產生影響。

表1是某電廠參比水柱平均溫度估算誤差對汽包水位測量產生的影響。

表1 參比水柱平均溫度對水位測量的影響值（40℃為基準）

從表1可知，如果參比水柱平均溫度估算值為40℃，當其實際溫度達到80℃時，其水位測量附加誤差為33.2 mm；當其實際溫度達到130℃時，其水位測量附加誤差高達108 mm。

2）汽包內水欠飽產生的測量誤差。大部分余熱鍋爐汽包內的水是欠飽和的，但我們在補償計算時，將ρw認為飽和，這將不可避免地產生測量誤差。在正常水位運行時，欠飽和5℃左右導致的測量誤差為40 mm左右。而欠飽和1℃時，影響水的密度約為9.64 kg/cm2，汽包內水溫欠飽和1℃影響汽包水位誤差9 mm左右。同時，汽包內水欠飽和產生的測量誤差與參比水柱平均溫度產生的測量誤差是一致的，是疊加的，且水位越高誤差越大，由此可見汽包內水欠飽和對水位測量的影響是不可忽略的。

2.2 傳統汽包水位測量和保護系統存在的安全隱患及影響

機組高水位或低水位運行都會給發電廠的安全高效運行帶來很大事故隱患，易造成汽包水位失控，發生水位保護拒動或誤動，造成重大設備損壞事故及經濟損失。水位過高或急劇波動會引起蒸汽品質惡化和帶水，造成鍋爐過熱器受熱面結鹽，造成過熱器爆管，嚴重時會導致汽輪機水沖擊振動、葉片損壞、軸系斷裂，造成設備的損壞或報廢；水位過低會引起排污失效，爐內加藥進入蒸汽，甚至引起下降管帶汽，影響水循環工況，造成蒸發器管大面積爆破。但由于現行汽包水位測量和保護系統中，各水位計的測量誤差較大，且影響誤差的因素較多，誤差存在很大的不確定性，同時各水位計之間偏差大，給運行人員監測和控制帶來困難，很多電廠長期在高水位或低水位運行。某些電廠為減小各水位計之間偏差，采用云母水位計下移，修改DCS、或修改變送器等辦法進行修正，這樣只能使各水位計在額定工況和正常水位情況下，指示值接近，埋下了事故隱患，存在保護誤動或拒動的可能。

某些電廠通過在DCS系統內調整汽包水位測量值，使得各汽包水位計之間偏差減小，汽包水位測量曲線平滑，這對于整個系統的安全是非常不利的，不能對汽包水位進行有效的監測和控制，易導致汽包水位保護誤動和拒動，進一步加大汽包水位測量和保護系統的安全隱患。

3 汽包水位測量新技術研究及應用

針對目前發電廠在運行過程中遇到的汽包水位計無法標定，測量誤差大，各水位計之間偏差大，啟爐時保護不能正確投入等問題，已經投入商業運行的1、2號余熱鍋爐各汽包使用的HDSC-DNZ型內裝平衡容器效果理想，消除了汽包水位測量與保護系統存在的安全隱患。

汽包水位內裝平衡容器結構如圖3所示。

圖3 內置式平衡容器原理

汽包內裝平衡容器在結構上進行了改進，將關鍵的“參比水柱”由汽包外部改至汽包內部，不僅完全消除了環境溫度對水位測量的影響，同時消除了汽包內爐水欠飽和對測量的影響，測量值只與汽包內的飽和蒸汽和飽和水的密度及變送器測得的差壓值有關。而飽和蒸汽和飽和水的密度是汽包壓力的單值函數，因此它的測量結果準確可靠，優于傳統差壓水位計。

圖4、5為余熱鍋爐高壓汽包水位操作員站畫面實時顯示及DCS歷史曲線。

圖4 高壓汽包水位操作員站畫面實時顯示

圖5 高壓汽包水位DCS歷史曲線

由圖4、5可以看出新的汽包水位測量技術在燃氣電廠余熱鍋爐高壓汽包上的應用后，運行過程中可以達到汽包水位同端偏差在30 mm以內，兩端偏差在50 mm以內。

4 結語

內裝平衡容器技術在陳塘燃氣電廠余熱鍋爐的成功使用，是該汽包水位先進測量技術在燃氣—蒸汽聯合循環發電供熱機組余熱鍋爐中壓汽包，低壓汽包水位測量上的首次應用，為國內燃氣電廠使用該技術起到了良好的示范作用，同時對國內外余熱鍋爐汽包水位測量技術的發展提高，起到了促進作用，具有廣闊的推廣前景。

[1]靳允立，於國良.燃氣-蒸汽聯合循環機組控制策略分析[J].熱力發電，2015（6）∶25-30.

[2]候子良，劉吉川，侯云浩，呂錫江.鍋爐汽包水位測量系統[M].北京：中國電力出版社，2005.