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    姜曉光
高級工程師，（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)就職于中煤西安設計工程有限責任公司電力所，現從事火力發電廠熱工自動化設計工作。

摘要：本文對熱電廠液位測量幾種方式進行介紹，并對各自存在問題進行分析，可供類似工程應用參考。

關鍵詞：液位測量；應用

Abstract: The article introduces several liquid level measurement methods of the Heat and Power Plant, and analysis of corresponding problems, and applies to the similar projects.

Key words:  liquid level measurement; Application

1    引言

    1.1  主要壓力容器液位測量點

    熱電廠壓力容器液位測量點主要有：汽包、除氧器、疏水箱、高低加等。其中汽包液位測量是最重要也是最關鍵的測量點，在啟動調試過程中如果不能全工況測量，水位保護不能投入，會增加事故的幾率并擴大事故的危險性。供熱期間如果出現問題會導致鍋爐不能正常工作，無法確保機組的持續穩定運行。

    1.2   測量主要方式

    目前電廠對壓力容器液位測量（模擬量輸出）方式主要有：差壓變送器、導波雷達、電容探頭式等。其中差壓變送器是比較傳統的測量方式，最近幾年隨著液位計技術的發展，尤其是電容探頭、導波雷達等對介質工藝條件承受能力提高，測量筒技術的改進，使其越來越多地得以在高壓和高溫條件下應用。

2     汽包液位測量

    2.1   差壓變送器測量方式

    2.1.1鍋爐汽包的液位測量采用差壓變送器方式，其取樣如圖1、圖2所示（單室和雙室）。

圖1


圖2

    2.1.2存在主要問題

    （1）由于水側絕溫，不能保證測量筒與鍋爐本體的溫壓一致性，造成取樣水位與鍋爐本體水位存在極大的負差。

    （2）取樣容積大，測量遲滯較大，不能即時反映水位變化，導致測量信號調節質量較差。

    （3）取樣管材數量多，冬季保溫和露天拌熱比較復雜，施工量大，安裝周期長。

    （4）由差壓、壓力、溫度、流量、系統演算等多部分組成，集成可靠性低，維護量大。

    （5）受汽包溫壓變化及環境溫度變化的影響很大，不能完美解決因水側絕溫造成的系統測量誤差的密度補償問題。

    （6）平衡容器類汽包液位計直接使用成本（冷凝筒散熱）和維護成本（每年的校驗、施工）高，其綜合使用成本遠遠不是表面采購成本反應的數值。

    （7）鍋爐啟爐時，參比水柱（P+）取樣管無水，需時間等待凝結水注滿，這段時間平衡容器類液位計無法正常工作（無法建立正常差壓條件），鍋爐啟動前的水位無法集中監視，保護也不能投入。

    （8）鍋爐降壓運行時，參比水柱（P+）汽化，導致平衡容器類液位計“假水位” 測量，給鍋爐生產造成巨大的安全隱患。例如：因設備原因（如汽側閥門泄露）造成汽包壓力急劇下降，參比水柱汽化導致平衡容器類液位計處于“假水位” 測量，液位計讀數為中高值（正差大），不能及時引導設備大量補水，無法啟動保護連鎖裝置，操作工能不能及時判斷事故真相、斷然采取手動保護，是能否減少損失（本體過熱、大面積爆破）的關鍵。

    2.1.3典型事故案例

    據統計,我國鍋爐缺、滿水事故已占鍋爐生產事故的12％以上，其中啟爐過程中出現的事故占鍋爐缺、滿水事故80％左右。

    這些事故的發生是多方面的，但有許多電廠沒有真正理解各種汽包水位測量技術的原理和誤差有一定關系，當各水位計示值不一致時，人為的通過調整差壓水位計零位、修改補償公式等方法，使差壓水位計與云母水位計保持一致，這樣有可能把很多潛在的導致測量誤差的安裝因素掩蓋了。

案例一：

    河北一熱電廠高壓加熱器保護動作，由于高壓加熱器旁路電動門連接鍵脫落，導致出口水門關閉，而旁路門未開，致使鍋爐給水中斷，汽包嚴重缺水，實際水位降至-400mm以下。此時，就地雙色水位計（量程+200~-200mm）見不到水位，電極式水位計（量程+300~-300mm）最后一個燈顯示綠色，三臺差壓水位計顯示（量程+400~-400mm）停留在-320~320 mm之間，因差壓水位計輸出達不道保護定值（-384 mm），故低水位保護信號一直未發，保護拒動。經過分析，水位計量程小和測量誤差大是事故擴大主要原因，差壓水位計量程雖然可以達到-400 mm，低保護定值也在其量程范圍內，但由于參比水柱溫度變化造成的誤差而使實際水位低于-400 mm后，水位計仍停留在-328 mm左右波動，根據DCS組態，差壓式水位計壓力補償計算是在平衡下參比水柱溫度為50℃的情況下進行的。但是，由于該廠不恰當地對參比水柱管采取了保溫拌熱措施，致使溫度遠高于設定值，經測試約升至130℃，可使水位虛高108mm。因此，當汽包水位降到差壓水位計量程下限及以下的嚴重缺水情況下，水位計就始終停留在上述范圍內不變化了，從而導致保護拒動。

案例二：

    安徽省某電廠電極點水位計一次門泄露，使臨近兩個差壓水位計的平衡容器壓力下降以及參比水柱溫度升高。導致差壓水位指示不正常升高，控制系統接受錯誤信號，不斷減少給水流量，造成嚴重缺水，由于汽包水位保護信號也取自這兩個變送器，因此，低水位保護也拒動。辛虧運行人員發現2個電極點水位計均顯示無水，經多方面判別后，確認已缺水，及時手動MFT，才避免一起重大事故，事后檢查發現，爐水循環水泵已經汽蝕。

案例三：

    山西某電廠啟動過程中，負荷60t/h，壓力1.2~1.8Mpa，差壓水位計不能正常投入，電極式水位計測量筒水臟顯示不正常，與司水聯系，因未能準確報告水位，導致鍋爐長時間缺水，燒壞246根水冷壁管，構成重大事故。

    除了以上因素外，傳統差壓測量由于受排污、壓力參數補償錯誤等原因造成事故的例子還很多，由于測量環節增多，必然形成隱患幾率就加大，如何采用直接測量方式，取消不必要的中間環節是解決問題的主要途徑。

    2.2   導波雷達測量方式

    導波雷達傳感器能夠發射6GHZ~26GHZ持續時間大約1納秒的很短的頻率雷達脈沖，被介質反射回來的雷達脈沖被天線作為回波接收。雷達脈沖從發射到接受的運行時間與天線到被測介質表面的距離成正比。被計算出來液位高度被轉換成輸出信號。

    陜西一50MW熱電廠鍋爐汽包液位采用了導波雷達測量方式（為安全起見，還設有其它測量方式），具體連接方式為：取消平衡容器，采用連通管將測量筒與汽包直接連通（中間加設隔離閥門），導波雷達安裝在測量筒頂部，因為該工程鍋爐為室外緊身封閉，地處陜北高寒地區，為避免外界低溫影響，測量筒采用電拌熱，通過前段時間試運行來看，還存在以下問題：

    （1）無法消除液面波動影響，尤其是啟動過程中液位變化比較頻繁的情況下更嚴重。

    （2）壓力和溫度變化對測量實際值有干擾，精度保證不夠。

    （3）測量筒與料位計匹配還存在偏差，無法作為保護取值點，達不到全工況準確測量。

    原因分析（如圖3所示）。

圖3  測量筒內介質實際分布圖

    由于溫差會造成蒸汽側形成凝結雨區，一旦凝結雨區達到一定密度，會使導波雷達產生誤測量，消除凝結雨區需要增大測量筒的直徑，并且要消除溫差。但這兩點在實際工程應用中還有一定難度，一方面廠家目前還無法提供準確數值，另外過大直徑測量筒對于安裝和拌熱都增加實施難度。

    導波雷達類液位測量技術在常溫、常壓下的應用瞬時功耗就達幾百毫安。由于蒸汽、凝結水會造成微波的大幅衰減，導波雷達類液位計在壓力容器下的應用功耗會成倍增加。儀表是常年累月的連續應用，功耗過高也會降低產品的使用壽命。凝結雨區給導波雷達類液位計帶來的干擾通過增加功耗還無法從根本上消除，如果在測量筒與汽包蒸汽連通管之間加設平衡容器以消除蒸汽側影響，這樣又增加了檢測環節和故障點。

    2.3   智能電容測量方式

    工作原理：利用液位變化與其對測量探極產生的電容變化之間的關系，通過專用模式系統軟件將檢測的電容變化經補償計算后，輸出與物位變化成正比的模擬信號。

    傳統的電容液位計采用單探頭測量方式，該方式僅適用介電常數e相對恒定，介質對探極的粘附率相對恒定，但有些液位測量環境變化非常復雜，存在同一被測介質的介電常數及粘附率等參數隨溫度、壓力變化而變化，這些變化將導致實測的單位電容變化值對應的液位高度變化值與標定值產生差異，進而導致測量誤差，單探頭因自身沒有補償這種影響的能力，所以未能應用起來。

    目前，國內已有制造商依靠自身研究和專利，開發出具有實現液位測量自動補償的三探頭電容式液位計測量筒。該產品是在一同軸套筒式測量探極的高位端（高于被測介質液位變化最高點處）及低位端（低于被測介質液位變化最低點處）以聯通管形式各并接一同軸套筒測量探極即由#1、#2、#3三個同軸套筒測量探極相連組成的三探頭測量筒，其中#1為主測量，其探極測量制作高度一般以符合現場要求的有效測量量程為準。#2、#3探極的制作高度一般是#1高度的六分之一至三分之一。同時三個探極的參考地極金屬管內徑、金屬棒探極外徑、絕緣層厚度、材質等物理指標均一致，用于保證三個探極能同時測量同一種介質及保證探極在相同環境下測量同一單位高度被測介質液位變化時引起的測量電容變化值完全一致，#2探極實測時被置于空筒即高位端狀態，用于對#1、#3測量筒空筒電容標定值進行修正，主要消除氣或汽態介質介電常數的變化及被測介質對探極的粘附率的變化對測量帶來的影響，#3探極在實測中被置于介質滿筒即低位端狀態，用于對#1測量筒滿電容標定值進行修正，主要消除被測介質介電常數變化對測量的影響，三測量筒輔以三個電測指標一致且精度很好的電容測量探頭和相關變送顯示單元，就構成了一套具有液位測量自動補償功能的液位計。經過多個項目的實際應用來看，基本實現全工況條件（鍋爐啟、停、排污、事故工況等）下液位準確連續測控功能，不存在“假水位”測量，配套提供接點信號輸出后，完全滿足監視和保護需要。

    從投資角度來看，該產品初期投入比前兩種測量方式高，如果連續使用超過三年，和差壓變送器方式比，其節約的燃料費和日常維護費用要低得多，應該說具有長期的經濟和安全效益。

3    高加等液位測量

    高加、除氧器同汽包特性相似，傳統差壓變送器與平衡容器配合測量液位與汽包的應用存在同類問題。
導波雷達在除氧器、高低加、熱水井水位應用成功的案例比較多，尤其是低加、熱水井水位效果很好。除氧器、高加主要是其汽側溫度和壓力都不高，測量精度要相對汽包偏低，雖然存在一定波動，但比傳統差壓變送器測量穩定、維護量要少。為減少凝結雨區的出現，測量筒的選取拌熱保溫也很重要。

4    結論

    如果投資允許，汽包液位測量從實現全工況監視和保護，消除安全隱患，促進熱電廠持續穩定運行來看應該選用三探頭電容式產品。高低加、除氧器、熱水井等液位監測應用導波雷達和電容測量方式也是今后趨勢。

其他作者：

    孟凡勇，就職于中煤西安設計工程有限責任公司電力所，現從事火力發電廠熱工自動化設計工作，工程師。