锅炉汽包水位测量及保护新技术的应用及效益分析

锅炉汽包水位测量与保护新技术的应用与效益分析（河北秦皇岛华电测控设备有限公司 秦皇岛 066001）摘 要：原有汽包水位测量技术不能满足电站锅炉运行的测量和控制要求，为解决各火电厂在落实防止电力生产重大事故的二十五项要求和国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定（试行）过程中遇到的汽包水位计无法标定，测量误差大，启炉时保护不能正确投入等问题，秦皇岛华电测控设备有限公司研究开发了专利产品锅炉汽包水位测量保护系统。这些新技术的成功应用，提高了锅炉汽包水位测量的精度，使得各水位计示值基本与汽包内的真实水位一致，保证锅炉启动时即可投入汽包水位保护，消除了一直困扰广大电力技术人员的安全隐患，避免了汽包水位保护误动、拒动；锅炉满水、缺水等恶性频发事故；同时减少了机组非计划停运、提高了机组效率和设备使用寿命，有较大的安全和经济效益。关键词：汽包水位 测量 保护 安全隐患 误差 经济效益0 引言：锅炉运行中，我们是通过汽包水位测量和保护系统来监视和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，汽包水位测量和保护系统是机组安全运行的极端重要的系统。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。由于原有测量技术的测量原理与其测量对象的特性存在着无法调和的矛盾，原有汽包水位计在结构设计上存在缺陷，测量误差较大，且误差存在很大的不确定性，因而汽包水位测量系统的准确性不高是火力发电厂普遍存在的问题，给火力发电厂的安全高效运行带来很大事故隐患。汽包水位事故频发引起了行业和国家行政主管部门的高度重视，提高锅炉汽包水位测量系统的准确性与可靠性，消除满、缺水事故安全隐患成为迫切需要解决的课题。本文在分析现有汽包水位测量和保护系统存在问题的基础上，介绍秦皇岛华电测控设备有限公司研究开发的新一代锅炉汽包水位测量保护系统。该系列新型汽包水位计的成功开发和应用，有着显著的安全效益和经济效益。1 现行汽包水位测量和保护系统存在的问题及安全隐患：1.1 现行汽包水位测量和保护系统存在的问题目前汽包水位测量均采用间接测量法，从测量原理上是测量汽包的重力水位，从水位测量一次转换原理上为连通器原理和差压原理。传统汽包水位计将汽包内的炉水引至汽包外测量水位，由于汽包外的温度要远低于汽包内的温度，使得仪表内的水柱温度低于汽包内水的温度，产生较大测量误差。在研究汽包水位计时，均认为汽包内的炉水为饱和水，而实际为欠饱和水。这在设计汽包水位计时不可避免地造成了测量误差。同时，原有测量系统没有可信赖的基准仪表用于标定各种汽包水位计，测量技术落后，测量误差大，而且误差存在很大的不确定性，其规律较复杂，难以掌握。1.2 现行汽包水位测量和保护系统存在的安全隐患及影响由于现行汽包水位测量和保护系统测量误差较大，使得当前多数发电厂的汽包水位不能在锅炉厂设计的标准水位高度运行，而是一直保持偏高水位运行或偏低水位运行。机组高水位或低水位运行都会给火力发电厂的安全高效运行带来很大事故隐患，易造成汽包水位失控，发生水位保护拒动或误动，造成重大设备损坏事故及经济损失。水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成锅炉过热器受热面结盐，造成过热器爆管，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏、轴系断裂，严重时造成设备的损坏或报废；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，影响水循环工况，造成炉管大面积爆破。经计算，以300MW机组为例，假定在锅炉汽包水位达到水位保护系统所设定的低三保护值后，在锅炉完全断水、机组满负荷运行的状态下，其汽包存水量最多能使机组维持运行20秒钟。上述计算的前提条件是其水位测量系统是真实可靠的，其测量表计无法测得真实水位，而是一直维持低水位运行，那么上述计算结果又会减少10秒钟左右，即锅炉汽包在10秒钟左右即可烧干。一个庞大而复杂的运行系统突发状况，想要在如此短暂的时间内做到迅速判断、果断处理，这对运行操作人员来说其难度是相当大的，因此发生重大安全事故是在所难免了。近几年来由于锅炉汽包水位测量和控制问题而造成的恶性事故时有发生，严重影响火电厂安全运行。2 汽包水位测量新技术研究及应用针对目前广大火力发电厂在运行过程中遇到的汽包水位计无法标定，测量误差大，启炉时保护不能正确投入等问题，秦皇岛华电测控设备有限公司研究开发了系列专利产品锅炉汽包水位测量保护系统（包括汽包水位内置电极传感器、汽包水位内装平衡容器、汽包水位改进型单室平衡容器、汽包水位高精度取样电极传感器、汽包水位低偏差云母水位计、汽包水位多测孔接管专利技术等）。该系列产品已成功应用于三百多台容量不同的汽包炉上，效果理想。现将该系列产品介绍如下：2.1 汽包水位内置式电极传感器传统的汽包水位测量没有一种值得信赖的基准仪表，一般采用安装在汽包内部的取样管，通过取样分析汽、水的电导率来标定水位计；或利用大修时留在汽包内部的水痕迹线来检查汽包水位计的零点。上述2种方法很粗略且操作难度大，不能实时标定各汽包水位计。为解决这一问题，研发了汽包水位内置电极传感器并获得了国家发明专利（专利号ZL 2004 1 0063068.0）。汽包水位内置式电极测量装置是基于汽包内汽、水的电导率不同，通过安装在汽包内多个电极传感器，并采用二次仪表识别其电导率而测量水位。电极传感器直接感应汽包内的水界面，所以取样误差很小、测量很准确，可作为汽包水位测量的基准仪表和试验仪表。该装置安装在通辽电厂一台670t/h汽包炉上并获得了成功应用，结束了汽包水位测量没有基准表不能实时标定其他水位计的历史，解决了汽包水位测量中的关键技术问题。2.2 汽包内装平衡容器为消除环境温度及汽包内炉水欠饱和等因素对差压水位计测量的影响，减小测量误差，研发了汽包内装平衡容器并获得了国家专利（专利号ZL 03 2 06523.X）。内置式平衡容器原理汽包内装平衡容器在结构上进行了改进，将关键的“参比水柱”由汽包外部改至汽包内部，不仅完全消除了环境温度对水位测量的影响，同时消除了汽包内炉水欠饱和对测量的影响，测量值只与汽包内的饱和汽和饱和水的密度及变送器测得的差压值有关。而饱和汽和饱和水的密度是汽包压力的单值函数，因此它的测量结果准确可靠，优于传统差压水位计。2.3 WDP低偏差水位计和GJT高精度取样电极传感器传统的联通管式水位计（云母水位计、电接点水位计等）的主要测量误差是由于表体内的水样温度低于汽包内炉水的温度所致，且其误差随工况而变化。新型WDP无盲区低偏差双色水位计和GJT汽包水位高精度取样电极传感器均在传统水位计的基础上，对表体的结构进行革新，在表体内部加装伴热循环系统，使其内部测量水柱的温度与汽包内的炉水温度基本一致，水柱高度与汽包内的实际水位高度一致，测量结果准确可靠。此外，WDP无盲区低偏差双色水位计和GJT汽包水位高精度取样电极传感器采用了独特的工艺和结构设计：采用冷凝水快速置换饱和水，实时改善表体内水质，减少了云母片结垢和电极腐蚀；GJT电极传感器采用柔性自密封电极组件，解决了传统电极组件密封易泄漏的问题。双色水位计采用人造云母使其使用寿命超过两年。2.4 汽包水位多测孔接管专利技术汽包水位多测孔接管专利技术不在汽包壁上钻孔，既可增加独立水位测孔；解决测孔少、不能独立取样、取位不佳的难题；各测孔独立，避免相互影响；测孔改造工期短、易实施、风险小、费用低。3 汽包水位测量新技术的应用及效果3.1改造前后测量效果对比下面让我们来看一下两个典型案例：案例一：某电力公司A发电厂#5机组A发电厂2*300MW燃煤亚临界发电机组，2006年投产发电。锅炉性能参数：汽包压力18.77 MPa，汽包正常水位应控制在汽包中心线以下100 mm。DCS系统采用maxDNA分散控制系统，汽包水位保护采用3台差压水位计信号，其逻辑功能在DCS系统实现。2006年投产发电以来，各水位计之间偏差较汽包压力13.9MPa时的水位曲线图 汽包压力16.8MPa时的水位曲线图大，季节变化时表现明显，各水位计之间正常运行时最大偏差达80mm，运行人员不能正确判断汽包水位高度，对机组的安全运行带来较大隐患。A发电厂于2007年5月采用秦皇岛华电测控设备有限公司生产的新型汽包水位计，对汽包水位测量系统进行了改造，安装了三套DNZ型汽包内装单室平衡容器和两套GJT2000型高精度取样电极传感器，6月份投入运行，投运效果良好，将三套内置式差压水位计和两套高精度电接电水位计显示趋势做在DCS系统同一画面上，5条线几乎重合，改造后的各水位计之间偏差小于15mm，起炉即可靠投入汽包水位保护，各项性能均达到了理想的效果。图中位于上面的红色曲线是保留的未经改造的原差压水位计，虽然已经进行了技术修正，但其测得的水位值仍然比改造后的新式汽包水位计高50mm左右，即改造前，该厂汽包长期在低水位运行。案例二：某电力公司B发电厂#1炉B发电厂4600MW国产亚临界燃煤汽轮发电机组，系引进美国CE公司燃烧技术产品。汽包正常水位应控制在汽包中心线以下220 mm。发电厂#1炉汽包水位存在较大偏差，在进行水位试验时，水位计最大偏差为193mm，最小为71mm，不符合防止电力生产重大事故的二十五项重点要求，因此#1机组汽包水位偏差问题被列为国华重大隐患管控项目。为了解决汽包水位计测量中存在的问题，在电力公司技术中心的组织下，B发电厂到青海华电大通电厂及山西大同电厂进行了调研。在了解到新型汽包水位计在这两厂的良好使用效果和水位测量系统改造前后的较大变化后，于2008年10月对其#1炉的水位测量系统进行了整改，亦采用了秦皇岛华电测控设备有限公司生产的新型汽包水位计。改造后效果明显，各新型水位计之间的偏差在30mm以内，真实反映汽包水位。 汽包压力3.49MPa时的水位曲线图 汽包压力16.8MPa时的水位曲线图图中位于下面的黄色曲线是保留的未经改造的原差压水位计，虽然已经进行了技术修正，但其测得的水位值仍然比改造后的新式汽包水位计低100mm左右，即改造前，该厂汽包长期在高水位运行。上述两厂锅炉汽包水位测量系统的改造都取得了良好的效果，上述几种水位计的测量误差较小，均能满足汽包水位的测量要求，因此在锅炉启、停和正常运行全过程中，各水位计间的偏差小于30mm。这些新水位计的出现为解决汽包水位的测量和仪表的合理配置及保护逻辑的设计奠定了基础。3.2改造前后运行水线对比下面是某电厂改造前后汽包运行水线对比该厂的汽包设计零水位在汽包的几何中心线以下150mm。通过改造前后，进入汽包内观察汽包内的实际水线，可以直观的对比出新老水位计的测量效果：改造前汽包的运行水痕迹线如下图所示： 改造前汽包的实际运行水痕迹线高于汽包的设计运行水位，即各汽包水位计测量误差较大，不能对汽包水位进行准确的测量和控制。在额定工况，零水位运行时，其误差可达100mm。汽包长期在高水位运行，给锅炉运行带来了极大的安全隐患。改造后汽包的运行水痕迹线如下图所示：改造后的汽包运行水痕迹线与汽包设计运行水位高度基本一致，可见改造后各汽包水位计测量准确可靠，消除了汽包水位测量与保护系统存在的事故隐患。4锅炉汽包水位测量保护系统投资回报分析根据用户使用及调查分析，准确可靠的汽包水位示值避免了汽包水位保护误动作所引起的非停，其挽回的直接经济损失约为53.63-80万元（取决机组功率）/每次非停，这还不包括由非停所造成的机组寿命减少所折合的金额，而且由于汽包长期高水位运行所造成的旋风分离器失效、过热器结垢；长期处于低水位运行时造成的水冷壁爆管、汽轮机效率降低所产生的重大设备损坏事故的巨额修理费用和对电力生产安全运行的恶劣影响。锅炉汽包满、缺水事故是锅炉运行的恶性频发事故。据电力系统发电锅炉事故统计分析，19821985年的4年间发生缺水事故27次，满水事故45次，每年总有13台锅炉因缺水造成水冷壁管大面积损坏。“突出原因是水位计失灵、指示不正确，引起误判断和误操作，或水位保护拒动”。19861989年的3年间统计上来的汽包满、缺水事故高达121次，占锅炉运行责任事故的11.2%。1990年1月某电厂2号锅炉满水造成汽轮机轴系断裂和1997年12月某热电厂4号锅炉缺水造成水冷壁大面积爆破造成直接经济损失达几千万，间接经济损失达几亿，从而突出反映了锅炉汽包满、缺水事故的严重性。可靠性统计表明，100MW及以上机组非计划停用所造成的电量损失中，锅炉机组故障停用损失占6065，1995年100MW及以上锅炉及其主要辅机故障停用损失电量近120亿kWh。故障停用造成的启停损失（启动用燃料、电、汽、水）若每次以3万元计，仅此一项全国每年直接经济损失就达2400万元。与此同时每次启停，锅炉承压部件必然发生一次温度交变导致一次寿命损耗，因此，防止锅炉机组的非计划故障停用，历来受到各级领导的重视。据调查200kW机组一次非停所造成的经济损失，如表1所示： 序号参数影响量货币损失备注1高峰非停30万元短时间停运约1.5小时2少发电约70万KWH13万元考虑停运时间和爬坡速度受限时间3多烧油约17吨6万元4不合格点数40个点0.38万元5核减计划电量10万KWH0.4万元6多用厂用电3.75万KWH1.3万元7多耗水200吨0.05万元8多耗汽200吨1.8万元9多耗煤15吨0.7万元合计53.63万元以上是净损失 表1 由于最新研制的汽包水位测量系统属于耐耗设备，设备在投入运行后，除云母片和电极外，其他都可以长期保持正常稳定的运行。因此，综合上面所述，投资一套汽包水位测量保护系统的费用远低于机组因汽包缺水、满水而造成轻度机组非正常停运一次的损失，并可以避免因汽包满水、缺水所引起的汽轮机轴系断裂、水冷壁爆管等重大事故所造成的重大经济损失。4结语新型汽包水位测量装置的研究开发和成功应用，从根本上解决了汽包水位计测量误差大的问题。内置电接点水位计的开发使汽包水位计的准确性有了判据，配置完整而准确的汽包水位测量装置为汽包水位测量仪表的合理配置和汽包水位保护逻辑的设计提供了依据，真正做到锅炉正常运行中各汽包水位测量装置间的示值偏差小于30mm，锅炉启动时就可投入汽包水位保护。这些新技术和新产品成功解决了汽包水位测量的老大难问题，提高生产效率、减少经济损失、消除安全隐患、有较大的经济效益。参考文献：1侯子良,刘吉川，侯云浩,等.锅炉汽包水位测量系统M.北京:中国电力出版社， 2005.