摘 要:主要分析了传统汽包水位测量的原理,介绍了利用计算机软件功能对电站锅炉高温高压汽包平衡容器内介质密度进行补偿运算,从而提高汽包水位测量精度的原理和方法,并提出了就地硬件设备的完善措施。
关键词:汽包水位测量;单室平衡容器;补偿运算
中图分类号:TK223.1+3 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2010)020(C)-0146-03
引言:保持锅炉汽包水位在正常范围内波动是锅炉运行的一项重要的安全性指标,由于负荷、燃料工况及给水流量的变化,汽包水位会经常变化,水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水,造成受热面结盐,严重时会导致汽轮机水冲击、振动、叶片损坏;水位过低会引起排污失效,炉内加药进入蒸汽,甚至引起下降管带汽,影响炉水循环工况,造成炉管大面积爆破。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故时有发生,严重影响火电厂的安全经济性。
为了提高汽包水位的测量精度人们想了许多办法,本文就某电厂在高压锅炉汽包水位测量系统上采用DCS系统软件技术,从影响误差的主要因素入手,对关于提高电站锅炉汽包水位测量精度的方法进行了探讨。
一、传统测量方法的缺陷
传统测量方法一般采用双室平衡容器,通过汽包水位和平衡容器差压成线性比例反算出汽包水位(如图1),γ1、γ2、γ3分别为汽包内饱和蒸气、汽包内饱和水和平衡容器内参考冷凝水的密度,可通过查有关设计手册获得,计算得到平衡容器输出差压为:
△P=P+-P-=[h×γ2×g+(H-h)]×γ1×g (1)
当汽包水位达到最高水位时,差压变送器输出最小差压;当汽包水位达到最低水位时,差压变送器输出最大差压,变送器量程:△Pmax―△Pmin;变送器迁移量:△Pmax;汽包水位和差压变送器输出关系如图2所示:
多数机组汽包水位测量均采用这种方法,由于结构简单,维护量小,在工况稳定的情况下,使用效果尚可。但当汽包内的工作压力偏离设计值,即变工况运行时,使用这种测量方法得到的汽包水位和实际水位往往存在较大的偏差。原因分析如下:
该汽包设计工作压力为17MPa,工作温度为350℃,变送器采用川仪横河产智能EJA差压变送器,双室平衡容器高度为800mm。启动某时刻压力为0.17MPa,温度为查相关设计手册可得γ1=6.5kg/m3,γ2=875kg/m3,γ3=972kg/m3,当汽包水位达到最高时,即h=H时,差压值最小;当汽包水位最低时,即h=0时,差压值最大;根据公式(1)计算得到差压变送器量程为8000Pa,差压变送器迁移量为-8000Pa:
△Pmax=P+-P-=(γ2-γ3)×H×g (2)
△Pmin=P+-P-=(γ1-γ3)×H×g (3)
由于锅炉刚开始运行的时候,蒸汽通过冷凝器变成冷凝水返回汽包或除氧器,这时,汽包没有工作在设计工况下,汽包压力是0.17MPa。由于γ1、γ2、γ3偏离设计值,导致汽包水位现场为242mm(现场云母水位计显示),而操作站CRT显示的汽包水位却是337mm(左边)和321mm(右边),实际值和计算值偏差较大。
二、理论分析
从公式(1)可以看出:间接反映汽包水位的平衡容器的差压△P与汽包内饱和蒸汽密度、汽包内饱和水密度和平衡容器内参考冷凝水的密度γ1、γ2、γ3有直接的联系,当汽包内的工作点偏离设定点时,γ1、γ2、γ3都偏离计算值,从而产生测量误差。从公式(1)可求得式(4),该公式描述了汽包水位和变送器差压值的函数关系。
其中:h为操作站CRT显示的汽包水位值,△P是差压变送器输出的差压值。
假设汽包工作在设计工况下,水位高度为h0,差压变送器输出的差压值为△P0,得:
ΔP0=P+-P-=[h0×γ2×g+(H-h0)×γ1×g]-H×γ3×g
这时在操作站CRT显示的汽包水位应为h0,没有偏差产生。当汽包工作点偏离于设计点时,汽包内的温度、压力将低于或高于设计值,从表1可以明显看出随着汽包内压力的变化,汽包内饱和水密度、饱和蒸汽密度以及双室平衡容器内冷凝水密度发生了变化,如当压力从0.5MPa变到0.8MPa时,汽包内饱和蒸汽密度、饱和水密度以及双室平衡容器内冷凝水密度分别变化了1.464kg/m3、18.1kg/m3和0.2kg/m3。设变化后的各密度为:γ1a、γ2a、γ3a。γ1a、γ2a、γ3a、和γ1、γ2、γ3函数关系如下:
γ1a=γ1+Δγ1
γ2a=γ2+Δγ2
γ3a=γ3+Δγ3
假定汽包实际水位保持不变仍为h0,变送器输出
差压值为:
ΔP=P+-P-=[h0×γ2×g+(H-h0)×γ1×g].H×γ3×g
从上式可以看出由于γ1a=γ1+△γ1,γ2a=γ2+△γ2和γ3a=γ3+△γ3,所以,△P≠△P0。设变送器输出差压值产生的偏差值为△Pm,则有:
ΔP=ΔP0+ΔPm (5)
求解得:ΔPm=ΔP-ΔP0=[h0×(γ2a-γ2)×g+
(H-h0)(γ1a-γ1)×g]-H×(γ3a-γ3)×g=[h0×Δγ2×g+(H-h0)×Δγ1×g]-H×Δγ(6)
根据式(4),新工况下操作站显示的汽包水位值为:
从式(6)和(7)分析可得:当汽包工作点和设计工作点相同时,即γ1a=γ1;γ2a=γ2;γ3a=γ3,△γ1、△γ2、△γ3为零,公式(7)中第二项等于零,hm=h0。操作站显示的汽包水位和实际汽包水位相同;当汽包工作点和设计工作点偏差不大时,△γ1、△γ2、△γ3比较小,式(7)中第二项比较小,hm和h0就比较接近,使用传统测量方法的测量精度也是可以接受的。当汽包工作点和设计工作点偏差较大时,汽包内饱和蒸汽密度、饱和水密度以及双室平衡容器内冷凝水密度偏差值较大,△γ1、△γ2、△γ3比较大,公式(7)中第二项比较大,hm和h0偏差值较大。
三、解决方法
查设计手册和表1可以看到:汽包内饱和蒸汽、饱和水的密度γ1、γ2对压力(温度)变化很敏感;而双室平衡容器内冷凝水的密度γ3在压力变化时变化较小,温度变化时变化较大。由于平衡容器的温度通常无法测量,但从现场测量知道该冷凝水温度在80℃的时候具多,且汽包工作点变化对其影响较小。将冷凝水温度固定在80℃再考虑γ3随压力变化产生的变化量,从而得到三个函数γ1=f1(P),γ2=f2(P),γ3=f3(P,80)。我们用图3、图4和图5来得到这三个函数,并在软件中用当前的压力值随时去查询γ1、γ2、γ3,就得到准确的密度,这样就能保证汽包水位的准确测量。
��利用公式(1)求得变送器输出差压值如下:
ΔP=P+-P-=[h×γ2×g+(H-h)×γ1×g]-H×γ3
×g
=h×[f2(P)-f1(P)]×g-H×[f3(P,80)-f1(P)]
×g
在该公式中,H、g为一常量,分别是双室平衡容器的高度和重力加速度,P是汽包压力,γ1=f1(P),γ2=f2(P),γ3=f3(P,T)为一图表函数,△P是差压变送器的差压值,根据公式(8)即可计算出汽包水位h。
四、软件实施
控制系统选用的是美国ABB公司的Symphony系统。该部分控制软件主要使用以下模块:汽包压力、变送器差压等信号的采集和质量处理模块;12个点构成折线表的f1(P)、f2(P)、f3(P)线性化模块;涵盖冷态启动至正常运行状态;冷凝水温度取80℃冷凝水,f3(P,80)的线性化模块(根据季节变化,考虑环境因素也可以依据现场实测情况对此值进行季节性修改设置);软件框图见图6:
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 在图7中,汽包压力为0.17MPa,现场水位计显示值为242mm。使用传统的测量方法在操作站得到的显示汽包水位分别是337mm(左侧)和321mm(右侧)。经压力修正后的汽包水位分别是225mm(左侧)和230mm(右侧)。结果和现场水位计显示值242mm相当接近,误差小于规程规定的不大于30mm的要求,结果比较理想。
五、信号坏质量的防范措施
每个汽包水位信号和每个补偿用汽包压力信号至少应设置下列坏信号判断检查措施:
(一)进入DCS的汽包水位测量信号应设置包括量程范围、变化速率等坏质量判断手段,避免水位自动调整的误动。(二)水位测量的差压式测量装置信号间、电极式测量装置信号间,以及差压式测量装置和电极式测量装置的信号间应在DCS中设置偏差报警、逻辑分析和故障预测功能。(三)锅炉正常运行中应经常核对各个汽包水位测量装置间的指示偏差,当偏差超过30mm时应尽快找出原因,进行消除。(四)差压式水位测量装置进行温度修正所选取的参比水柱平均温度应根据现场环境温度确定,在运行中应密切监视,当实际参比水柱温度值偏离设置的修正参比值而导致水位误差过大时,应对修正回路进行重新设定。(五)应密切监视炉水导电度的变化。当炉内加药异常导致炉水导电度高报警时,应密切监视并及时排除;当汽包水位过低,加药管暴露出水面时,应立即停止加药,以防止电极式水位测量装置误发报警或保护误动。(六)作为参比信号的就地水位计,应按照厂家说明书要求,对水位计定期进行排污清洗,当水位计显示不清晰时,应及时进行排污清洗。(七)按照规程要求,汽包水位测量装置应定期利用停炉机会做冷态水位校准,以及利用大修内部检查机会根据汽包内水痕迹线或其他有效的方法核对其零位值。
结束语:当然,环境温度对平衡容器内冷凝水的温度的影响还是必然存在的,对此我们可以采用对平衡容器下部冷凝水管段进行保温的措施,来尽量减少环境温度对正压侧凝结水密度的影响,从理论上讲,虽然也可以采用增设温度测量点,进而运用函数补偿的方式,但于实际效果意义并不是很大,考虑到温度测量的时滞性,在这里我们采用了定点补偿运算的方法,实践证明能够满足运行要求。
作者单位:河南郑州河南博奥建设股份有限公司
参考文献:
[1]候子良.锅炉汽包水位测量系统.中国电力出版社,2005年.
[2]叶江琪.热工测量和控制仪表的安装.中国电力出版社,1998年.
[3]左国庆,明赐东.自动化仪表故障处理.化学工业出版社,2003年.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文