汽包水位差压变送器的量程设置(汽包液位设计选型及控制的探讨)

Posted 2023-05-31

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汽包水位差压变送器的量程设置(汽包液位设计选型及控制的探讨)

锅炉汽包液位的准确测量、稳定控制和可靠运行是锅炉安全运行的重要保证。液位计选型、安装不当，容易发生液位计炸裂、高温水汽外漏、液位测量不准甚至失灵。汽包液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; 液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。

因汽包液位引发的恶性事故至今仍时有发生，或者是险情不断。

1 锅炉汽包液位测量

1. 1 汽包液位计

汽包液位计的设计，一般选用石英玻璃管液位计和差压远传液位计。但也有人认为:

①磁翻转液位计尽管是间接观察液位，但耐高温高压，全金属结构，寿

命长、密封性好、不易泄漏;

②高压玻璃板式液位计因价格昂贵、泄漏点多、维修困难而应逐步退出中压锅炉领域;

③电接点液位计在长期使用中易受腐蚀和结垢而不可靠;

④差压变送器特别容易受锅炉汽包内压力和蒸汽量变化影响，须经常校正零点和量程，维护工作量多，甚至认为此种测量方式的不确定因素和工作量都不能满足生产和安全需求;

⑤电容式液位计在使用过程中，电容测量极板容易受水质结垢影响，且锅炉在运行过程中，蒸汽量、温度及压力随工况变化而快速变化，水和汽混合体的介电常数也是时刻变化，采用人工补偿的方式不能从根本上消除，容易造成虚假水位现象［1］。

有人建议: 以现场玻璃管液位计为基准，增加视频监控和远传显示功能，满足在主控室监视锅炉汽包水位的真实情况; 取消电接点液位计改成磁质伸缩锅炉汽包液位计; 取消差压锅炉汽包液位计，改成智能导波雷达液位计; 使用智能电容式液位计，能够对液相介质介电常数变化、汽相介质介电常数变化和温度变化同时进行精确补偿，具有全工况条件( 锅炉启、停、排污、事故工况等) 下液位准确连续测控功能，耐高温、高压、长寿命，不存在“假水位”测量。

1. 2 汽包液位测量及控制论文

有关汽包液位测量及控制的论文至今都有在发表。比如《浅析锅炉汽包液位模糊 PID 控制的应用》指出模糊 PID 控制响应速度迅速、超调量更小、跟踪精度更高［2］; 《化工装置锅炉汽包液位仪表选型与计算》提供了结构补偿和软件补偿两种液位补偿方式［3］; 《基于单神经元自适应 PSD 的汽包液位控制》能根据汽包的工况动态整定控制参数、改善汽包液位的动态和静态特性［4］。

对汽包液位的控制，最为常见的说法是采用三冲量控制，也有采用先进控制系统控制的。

1. 3 相关规程规定

《蒸汽锅炉安全技术监察规程》要求每台锅炉至少应安装 2 个彼此独立的水位表。规程没有对锅炉汽包使用什么样的现场液位计做出规定，也没有对控制策略做出硬性说明。但每台蒸汽锅炉锅筒( 壳) 至少应当装设两个彼此独立的直读式水位表，符合一定条件时锅炉也可以只装一个直读式水位表。规程对汽水连接管内径、长度、坡度等作了相应规定，对亚临界锅炉水位表要求对液体密度差引起的测量误差进行修正。

《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》是汽包液位计的专项规定，虽然是针对高压以上的锅炉，但其内容具体、详细，操作性强，重视安全，完全可作为中压及以下锅炉参考。规定明确说明，汽包须配置就地水位计、差压式水位测量装置、电极式水位测量装置，对差压式水位计还有偏爱之词。规定编制的说明部分进一步指出: 电极式水位测量装置技术已有较大突破，大量长期的应用已经证明其安全可靠、能消除汽包压力影响、水位全程高精度的测量; 平衡容器技术的进步已经保证差压式水位计测量精确、稳定，并确保启动时投入水位保护。规定对安全给予了充分重视和具体的阐述，比如汽包水位保护和控制功能分开、通道独立、电源独立等。对控制策略则没有叙述。

2 汽包液位计的应用实践

威顿公司有 2 套 400 kt/a 硫磺制酸装置。其中HRS 1. 0 MPa 汽包 2 个，各配置玻璃板液位计 1 台、液位高高触点报警 1 台、差压液位计 1 台。余热锅炉 4. 0 MPa 汽包 2 个，各配置石英管双色液位计 2台、双室平衡容器差压液位计 2 台。汽包液位计运行及改造情况如表 1 所示。

表 1 汽包液位计的运行实践

项目	HRS 汽包	余热锅炉汽包
玻璃管液位计	无	新件或故障修复后，容易出现泄漏、爆管等问题。特别是液位计刚刚更换石英管、填料后的投运伊始，即发生泄漏。采用过扭矩扳手优化安装方式，也未能解决: 填料拧的太紧，石英管容易破裂，不拧紧又容易外漏。有时汽包的 2 个直读式液位计同时失效，曾发生操作人员在场时爆管，将安全帽冲击成坑，非常危险。照明灯容易损坏，液位红绿不明显，石英管容易汽蚀、脏而常看不清液位，运行后期双色不明显
玻璃板液位计	随设备进口。原照明灯长亮容易坏，改为观察时人为点亮。除玻璃板有点脏外，已免维护运行 6 年	经长期技术跟踪及与厂家深入探讨，分别于 2015年和2017年改玻璃管液位计为玻璃板液位计，均免维护运行至今。最长已经连续免维护运行 3 年 3 个月。LED 灯未坏过，液位红绿一直明显，液位清晰可见
高高液位触点报警	作用不明显	无
差压液位计	2013 年改造前，汽包从常压升压过程中的某个区间，液位经常失灵。当汽包压力超过某值后，液位转为正常。正常后基本免维护，冬季须注意开伴热保温	改造前，汽包从常压升压过程中的某个区间，液位经常失灵。当汽包压力超过某值后，液位转为正常。正常后基本免维护，冬季开伴热容易导致液位误差变大大，尽量将伴热开小后大为改善。十几年的使用证明，该类液位计准确、安全、可靠、基本免维护
差压液位计的改造	2013 年第一次改造液位计，将原配置根部截止阀更换为闸阀，变送器安装在闸阀附近，相应缩短原 4 m 多长导压管，且取消（电) 伴热。改造后汽包液位全程未再失灵，四季不需伴热，节能且完全免维护	根据 2013年HRS 汽包液位计改造的成功经验，陆续将余热锅炉汽包液位计进行改造: 将原法兰型截止阀全部更换为不锈钢焊接闸阀，变送器安装在平衡容器附近，相应缩短原6 m多长导压管，且取消( 蒸汽) 伴热。改造后液位全程未再失灵，四季不需伴热，节能且完全免维护
磁翻板液位计	试用过，质量不过关，未采用	试用过，质量不过关，未采用
控制策略	单回路常规控制，即液位控制给水阀门。运行稳定，未发生过控制险情	一台单回路常规控制，运行稳定。另一台先期采用三冲量控制，参数不易整定好，控制容易受多参量干扰，液位波动大，给水调节阀几乎1 s动作一次，填料容易泄露，改单回路常规控制后，运行反而稳定，液位波动小于3%，完全满足使用需求。

图 1 是同一个 4. 0 MPa 汽包的两个差压液位计的对比，一台改造一台未改造。通过趋势的追踪分析，表明传统差压法液位可能会因设计、安装等方面的不足，出现锅炉启动期液位测量失灵的现象(图1中100%液位实为虚假液位) ，这个现象往往又因汽包压力的上升而自动消失。实例中两液位测量的重合点起始于 “A 点”，对应的压力值约为0. 135 MPa。由于该现象具有迷惑性，导致汽包升

压过程中液位测量问题长期得不到应有的重视和解决，特别是相关设计规范的应有调整。

图 1 是否改造差压法液位计的汽包液位比较

蒸汽压力波动对汽包液位的影响如表 1 和图 2所示。测试方法: 将汽包压力先提高，然后突然全开主蒸汽管调节阀( 并汽母管本身带压) ，液位控制从自动转为手动，然后观察相关参数的变化。测试结果表明，蒸汽流量在一定范围内波动，并不会对液位测量立即产生严重的影响，实例中的液位变化在38 mm 以内。液位测量也没有出现明显的时滞，这或许是得益于液位计的整改。

表 1 蒸汽流量变至最大值时相关参数的变化

测试进程

时间s

汽包液

位，%

给水流量/

( m3·h－1)

蒸汽流量/

( m3·h－1)

汽包压

力/MPa

测试开始

50. 80

61. 20

37. 00

4. 45

蒸汽流量变至最大点

57. 00

61. 50

47. 70

4. 42

图 2 单回路汽包液位控制曲线及虚假液位测试

3 问题探讨

1) 玻璃板液位计寿命长、免维护，远比石英管液位计安全可靠。虽然其价格贵，但从安全角度考虑，还是尽量选用。

2) 差压液位计也是寿命长、免维护、安全可靠的汽包液位测量仪表。因其涉及面广，容易受设计、安装的影响而让人误解。导压管建议能设计成无须伴热的最好。如果采用蒸汽伴热、电伴热，伴热管与导压管之间宜先采用石棉绳等保温材料预先隔离一层。如果采用蒸汽伴热，最好同时施工四氟电伴热以备不时之需。由于排污阀使用几次后可能会出现关闭不严，建议终端配备容易拆装的堵头。

3) 对汽包液位计，建议优先选择玻璃板液位计、差压法液位计、电接点液位计。这些都是经过大量用户、长期实践运行验证过的、性价比高的液位测量方式。从测量原理上讲，磁翻板液位计、电容液位计、浮筒液位计和雷达液位计相比更不容易实现长期、稳定、可靠、免维护运行，如果已经配备了，建议先作为备用。《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》中说，选用的液位计“应是先进

的且有成功应用业绩和成熟的”，再换用对电极式液位计的要求来说，“最好是经过大量用户长期的实践证明安全可靠、能消除汽包压力影响、全程测量精确度高、能确保从锅炉点火起就能正常投入保护的产品”。

石英管液位计虽然不是太可靠，但便宜。也有公司对其做了大量的研究和优化，比如采用厚壁特级石英管，表体内增加了减少石英管气蚀的装置等。

4) 差压法测液位所用的管阀件很容易出现内径小于 8 mm 的情况，不一定都会影响正常测量，但有风险。行业设计及产品供给上应及时响应这一要求。

5) 汽包液位是否需要补偿，以及是否采用复杂的补偿，要视现场具体情况而定。往往一些补偿的假设条件在现场并不成立。只要汽包冷热态下的液位误差值在规定范围内，能不补偿就不补偿。变送器迁移量宜参照直读式液位计进行适当调整。

6) 汽包液位是否需要采用三冲量等复杂的方式去控制，也要视现场具体情况而定。参变量越多，控制受到的干扰因素就越复杂，控制的稳定性和可靠性也可能反而下降。再如，因汽包失压导致虚假液位等一系列不良的影响，最稳妥的解决办法可能是在汽包出口增加压力调节阀。