分布式能源站余熱鍋爐鍋筒水位測量系統的設計與應用

董淑梅，余莉，杜矩虎

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100070； 2.華電分布式能源工程技術有限公司，北京 100070)

圖1 高壓鍋筒水位測量儀表配置方案1

0 引言

隨著國家對節能減排的重視以及對新能源技術的支持，以燃氣和冷、熱、電三聯供系統為核心的分布式供能技術已經在國內各類地區得到了實際應用。燃機余熱經過余熱鍋爐進入蒸汽輪機做功發電是區域型分布式能源站最常見的余熱利用形式。余熱鍋爐作為分布式能源站最重要的生產設備之一，它的安全穩定運行是整個分布式能源站的重要指標。余熱鍋爐鍋筒水位是余熱鍋爐安全運行中一個重要的監控參數。鍋筒水位間接反映了蒸汽負荷和給水量之間的平衡關系。維持余熱鍋爐鍋筒水位在正常范圍內是鍋爐運行的重要安全指標。當鍋筒水位超出正常運行范圍時，將影響余熱鍋爐和蒸汽輪機的安全。鍋筒水位過高，會影響汽水分離器的正常工作，造成蒸汽帶水而使過熱器結垢，情況嚴重時還可能使汽輪機葉片結垢，損壞汽輪機。鍋筒水位過低，則會破壞水循環，造成蒸發器及省煤器的損壞。因此余熱鍋爐鍋筒水位測量系統在整個能源站熱工測量及控制中尤為重要。本文以某工程雙壓余熱鍋爐的高壓鍋筒水位測量系統為例，對余熱鍋爐鍋筒水位測量系統的設計要點進行說明。

1 高壓鍋筒水位測量儀表配置方案

該項目余熱鍋爐為雙壓無補燃式，高壓主蒸汽最大連續蒸發量，44 t/h；壓力，7.2 MPa；溫度，460±5 ℃；高壓鍋筒設計壓力，8.20 MPa；最高工作壓力，7.59 MPa。

結合該分布式能源站余熱鍋爐高壓鍋筒的實際情況、同類能源站的余熱鍋爐鍋筒水位測量系統儀表的配置經驗和DL/T 1393—2014《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規程》(以下簡稱DL/T 1393—2014)的相關條文規定，我們給出了以下2種配置方案。

(1)6套差壓式鍋筒水位計+1套電極式鍋筒水位計+2套就地水位計+2套鍋筒水位工業電視前端監視攝像頭，由于鍋筒中飽和水和飽和蒸汽的密度會隨壓力變化，設計時還應考慮設置壓力變送器對鍋筒水位進行壓力校正，方案如圖1所示。

(2)3套差壓式鍋筒水位計+2套電極式鍋筒水位計+2套就地水位計+2套鍋筒水位工業電視前端監視攝像頭，如圖2所示。

圖2 高壓鍋筒水位測量儀表配置方案2

根據DL/T 1393—2014的規定，鍋筒水位測量系統應采用2種或2種以上工作原理共存的配置方式[1]，常用的測量裝置有差壓式水位計、電極式水位計、就地連通管式水位計、水位工業電視測量裝置等。

差壓式水位測量裝置是利用液體靜力學原理將水位信號轉換成差壓信號來實現測量的。它由平衡容器、導壓管和差壓變送器3部分組成，水位信號首先由平衡容器轉換為差壓信號，經過差壓變送器遠傳至分散控制系統(DCS)，在模擬量控制系統(MCS)中參與余熱鍋爐給水的調節。

電極式水位計是利用鍋筒內汽、水介質的電阻率相差很大的性質來測量鍋筒水位的。它主要由測量筒、電極、自補償裝置、二次儀表等幾部分構成，該儀表的優點是指示值不受鍋筒工作壓力變化的影響，在鍋爐啟停過程中也能準確反映水位情況，延遲小，測量直觀，基本能滿足運行人員對水位的觀測要求。電極式水位計可以遠傳，但由于該儀表測量方式屬于間隔式測量，因此不能將其遠傳信號作為被調量用于控制系統。

本項目的就地顯示水位計采用雙色水位計并輔以工業電視成像系統作為監視手段。雙色水位計是利用光學系統改進顯示方式的一種連通器式水位計。

2 平衡容器的選擇及水位信號的校正[2]

差壓式水位計準確測量鍋筒水位的關鍵在于水位與差壓之間的準確轉換，這種轉換是通過平衡容器來實現的。通常采用的平衡容器有單室平衡容器、雙室平衡容器[3]。根據所配平衡容器不同鍋筒水位有以下2種校正方法。

2.1 采用單室平衡容器進行水位校正

差壓變送器與單室平衡容器配合使用的測量原理如圖3所示，由余熱鍋爐高壓鍋筒汽側引取樣管至單室平衡容器，進入平衡容器的蒸汽不斷凝結成水，多余的水溢流回鍋筒，使平衡容器內的水位保持恒定。差壓變送器的正壓頭由于平衡容器有恒定的水柱而維持不變，負壓頭則隨鍋筒水位的變化而變化。

圖3 單室平衡容器水位測量系統

由圖中可知：

p1=ρGgH+ρsg(L-H) ，

p2=ρagL，

Δp=p2-p1=ρagL-ρGgH-ρsgL+ρsgH=

(ρa-ρs)gL-(ρG-ρs)gH，

(1)

式中：pb為鍋筒壓力，MPa；L為汽水連通管之間的垂直距離，m，即最大變化范圍；H為鍋筒水位高度，m；p1，p2為加在差壓變送器兩側的壓力，MPa；ρs為飽和蒸汽密度，kg/m3；ρG飽和水的密度，kg/m3；ρa為鍋筒外平衡容器內凝結水的密度，kg/m3；DPT為差壓變送器，MPa；g為重力加速度常數。

當L一定時，水位H是差壓和汽、水密度的函數。密度ρa與環境溫度有關，一般可取50 ℃水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫略有增加，但由于同時壓力也升高，兩種因素對ρa的影響基本可抵消，可近似地認為ρa是恒值。而飽和水和飽和汽的密度ρG和ρs均為鍋筒壓力ρb的函數即：

ρa-ρs=fa(pb) ，

ρG-ρs=fb(pb) 。

(式1)可改寫為：

(2)

按照式(2)，則可設計水位壓力自動校正路線圖，如圖4所示。圖4中函數組件f1(x)、f2(x)分別模擬式(2)中的fa(pb)和fb(pb)。密度與鍋筒壓力之間的函數曲線則如圖5所示。

2.2 雙室平衡容器的水位取樣裝置水位校正

雙室平衡容器這種裝置本身基本上可以補償啟動或停爐過程中水位測量誤差，校正原理如圖6所示。

圖4 單室平衡容器水位壓力校正線路

圖5 密度與鍋筒壓力關系曲線

圖6 雙室平衡容器水位測量和壓力校正回路

其水位表達式為：

式中：L為正壓取壓管管口到負壓管水平的中心線之間的距離，m；H為鍋筒水位高度，m；ρa為平衡容器內凝結水的密度，kg/m3；ρG為飽和水的密度，kg/m3；ΔP為變送器兩端差壓，MPa。

3 余熱鍋爐鍋筒水位調節系統信號處理

鍋筒水位調節系統的水位信號無論是方案1還是方案2均應取自3個各自獨立的差壓式鍋筒水位計，其輸出信號應分別進入其控制器的3個各自獨立、互相電隔離的輸入模件，經“三取中”邏輯判斷后用于調節系統。

鍋筒水位補償用的鍋筒壓力變送器宜獨立配置，其輸出信號應分別各自引入相對應的鍋筒水位差壓信號的輸入模件。

4 余熱鍋爐鍋筒水位保護系統信號處理

當鍋筒水位測量系統儀表配置采用方案1，即6套差壓式鍋筒水位計+1套電極式鍋筒水位計時，保護系統的水位信號宜取自與進入水位調節系統的鍋筒水位計不同的另外3個各自獨立的差壓式鍋筒水位計，其輸出信號應分別進入其控制器的3個各自獨立、互相電隔離的輸入模件，經“3取中”或“3取2”邏輯判斷后用于保護系統[4]。

當鍋筒水位測量系統儀表配置采用方案2，即3套差壓式鍋筒水位計+2套電極式鍋筒水位計時，鍋筒水位保護的“3取2”邏輯信號，兩個取自2個獨立的電極式測量信號，另外1個信號取自由3個獨立的差壓式水位計在鍋筒水位控制系統的DCS冗余控制器中經“三取二”邏輯后得到的信號。

5 方案比選

由上述可知，方案一的優點是控制和保護邏輯簡單清晰，但儀表數量較多，需要較大安裝空間；方案2的優點是儀表造價略低，儀表數量較少，需要的安裝空間小；經過綜合比較及與業主的溝通，本工程最終選擇了方案1的儀表配置形式應用在該項目余熱鍋爐鍋筒水位測量系統中。

6 結束語

在余熱鍋爐鍋筒水位測量系統的設計過程中設計者要綜合考慮鍋筒的水位測量原理、鍋筒水位控制保護邏輯、儀表控制設備特性及鍋筒儀表安裝空間等因素，才能設計出合理的測量方案。同時工程的經濟性也是在實際設計過程中需要考慮的因素，不能盲目高配，也不能任意低配，測量系統的儀表配置形式、數量應在充分考慮工程經濟性的前提下根據實際需要來確定。