上湾热电厂#2锅炉汽包水位误差分析及解决方案

摘 要：汽包水位是表征锅炉安全、高效运行的重要参数，由于汽包水位环境条件的特殊性，使准确测量汽包水位存在较大的难题，包括配置、安装、运行及维护不当等原因，导致汽包水位测量系统存在较大测量误差，不同表计之间测量偏差大，不同工况下差值也有较大差别，是机组安全、高效、稳定运行的一个隐患。本文对神华神东电力有限责任公司上湾热电厂汽包水位测量系统改造的成功案例进行深入研究。本次改造在准确测量汽包水位的基础上，发现了汽包两端实际水位存在较大偏差，探讨汽包两端水位偏差安全隐患产生的原因，并提出相应的技术改进措施。

关键词：汽包水位；安全隐患；测量误差；两端偏差

1 概述

神华神东热电公司作为国家亿吨级矿区坑口资源综合利用热电厂，肩负着为神东矿区供热的重要使命，燃料主要采用煤矸石和煤泥，采用皮带和管道封闭运输、无煤场，水源为矿井疏干水，灰渣废水全部再利用，属于典型的节能环保工程。上湾热电厂三期（一二期已关停）工程2008年4月开工建设，2009年底投产，规模为2×520t/h循环流化床锅炉配置2×150MW抽凝式汽轮机组，2011年被中国电力建设企业协会授予“中国电力优质工程奖”。

上湾热电厂汽包水位测量与保护系统长期存在测量误差大，各水位计偏差大等安全隐患，不能为运行人员提供准确、可靠的运行参数，不能满足“防止电力生产重大事故的二十五项要求”和相关运行规程要求。为消除汽包水位安全隐患，神东电力公司上湾热电厂采用国际领先的技术和仪表，从根本上消除了各汽包水位计的测量误差，真正达到了各项规程要求。改造后汽包水位测量系统仪表配置如图1所示，包括2套汽包水位无盲区低偏差云母水位计；两套汽包水位高精度取样电极传感器。3套汽包水位内装单室平衡容器和1套汽包水位磁致液位计。

图1 改造后汽包水位计配置示意图

2 测量数据分析

2.1 不同工况下，各水位计测量值如表1所示

数据表中记录了在机组运行期间，不同汽包水位（+125～-300）情况下，各水位计的测量值。如上表所示，汽包同侧不同测量原理的云母水位计、电接点水位计、差压水位计，在不同工况下指示一致，其偏差不超过30mm。同时汽包两端实际水位存在偏差，汽包B侧实际水位低于汽包A侧。且随负荷增加，两端实际水位偏差增大。

2.2 差压水位计、磁致液位计测量结果如图2所示

如2图所示，汽包同侧各水位计指示一致，汽包两端实际水位存在偏差，汽包B侧水位低，汽包A侧水位高，两端偏差随机组负荷升高而增大。

3 汽包水位测量系统准确、可靠

汽包水位测量准确、可靠。汽包水位无盲区低偏差云母水位计和汽包水位高精度取样电极传感器采用的测量原理为连通器原理；汽包水位内装平衡容器采用的测量原理为差压原理。如果两种不同原理的水位计，在不同工况，不同水位时，测得的值一致，则我们可以确定，汽包水位测量准确，显示了汽包内的真实水位。

数据记录中，可以明显看出，汽包同侧不同测量原理的各水位计显示值在不同工况，不同水位情况下，是一致的，其偏差在30mm以内。因此，改造后的各汽包水位测量装置达到了汽包水位精准测量的要求，能够准确、可靠地测量汽包水位。

4 汽包左、右两端的实际水位偏差分析及解决方案

4.1 汽包两端水位偏差原因分析

新安装的汽包水位测量装置实现了汽包水位的精准测量，给汽包水位测量与保护系统提供了一双精确的“眼睛”，能够为汽包工况分析提供准确、可靠的数据。从运行数据中，我们可以明显看出，汽包左右实际水位存在偏差，且该偏差随着机组负荷升高、汽包压力增大而升高。

汽包两端实际水位存在偏差的原因是多方面的。给水不均、火焰偏烧等因素均能够造成汽包两端的实际水位产生偏差。汽包两端水位产生偏差，将给水位运行监视和保护带来困难。根据对#2锅炉汽包结构和启机后汽包水位运行数据进行分析，可以认定造成汽包两端实际水位偏差的一个主要原因为：汽包给水结构为单侧给水，汽包内给水不均，造成了汽包两端炉水温度存在偏差，使得汽包两端炉水密度不一致，根据流体动力学原理，造成了汽包两端实际水位产生偏差。

汽包给水管路结构及给水孔分布如图3所示。

图3 汽包给水管路结构及给水孔分布图

图4 汽包给水管路结构及给水孔分布照片

如图3、图4所示，原有汽包给水管上给水孔均匀分布，每隔90mm，开一个直径为Φ12的给水孔，给水孔与水平面夹角为30度。汽包给水管结构和给水孔分布造成了汽包内的给水不均，给水主要集中在汽包B侧，B侧的给水量约为A侧的3倍，这是造成汽包水位两侧偏差较大的根本原因。

具体计算如下：如下为出水孔流量偏差计算。

沿给水分配管静压增量计算

沿给水分配管分布的出水孔处静压增量计算见式（1）：

（1）

式中：X为计算点到坐标原点的相对长度；Hfp为汽包给水分配管入口的动压头；αfp为汽包给水分配管的每米摩擦阻力系数。

给水分配管流量分配计算

假设汽包内压力恒定，汽包内环境压力为P0，分配管进口处静压力为P1，各出水孔处的静压力为（P1+αχ）；根据出水孔处的压差，由伯努利方程，出水孔的速度按式（2）计算：

式中：υfp为汽包给水分配管中的介质比容。

（2）

本方法通过出水孔单位时间的出水量来判断和考虑汽包水位的相对变化。在给水流量为（520t/h）时，给水分配管的出水速度的分布如图5所示。

图5 原设计出水孔速度分布图

根据计算，B侧的给水量约为A侧的三倍。而由于汽包给水流量与汽包蒸汽流量一致，汽包给水温度要远低于饱和温度，因此造成了汽包B侧（汽包给水管进口端）内的水温度低于汽包A侧水的温度，汽包B侧水的密度大于汽包A侧水的密度。根据流体动力学原理，造成了汽包B侧的水位低于汽包A侧的水位。随着机组负荷升高，给水温度与饱和温度差值增大，且温度越高，水的密度随温度变化越大，这就造成了汽包两端的实际水位产生，且偏差随着机组负荷升高，汽包压力升高而升高。

例如，汽包压力为7.84MPa，饱和温度为295.5℃，而汽包给水温度仅为210℃，这必然造成了汽包B侧的炉水温度低于汽包A侧的炉水温度，汽包B侧的实际水位低于汽包A侧的实际水位。

汽包两侧偏差计算如下所示

（3）

式中，HA为汽包A侧实际水位距汽包底部高度，？籽A为汽包A侧炉水密度，HB为汽包B侧实际水位距汽包底部高度，？籽B为汽包B侧炉水密度，

汽包A侧的炉水平均温度受汽包给水影响小，温度较高，炉水密度较小；汽包B侧的炉水平均温度受汽包给水影响大，温度较低，炉水密度较大。当两端温差达到25℃时，其密度差将达到50kg/m3。汽包内径为1800mm，0水位在汽包几何中心线以下76mm，距离汽包底部距离约为850mm。

将上述数据带入公式（3）中，经计算，可得出汽包两端的实际偏差约为60mm。这与水位测量结果是一致的。

同时，由于温度越高，温度变化对水密度的影响约大。因此随着负荷升高，汽包压力升高，饱和温度进一步升高，汽包给水不均对汽包两端水位偏差的影响将进一步增大。当机组满负荷时，汽包两端的偏差将达到100mm以上。

4.2 汽包两端水位偏差解决方案

汽包两端水位偏差较大，给汽包水位的监测、调节和保护带来困难。由于汽包两端水位偏差是由于汽包给水不均造成的实际汽包水位的偏差，因此，解决该问题的主要途径是改善汽包内给水分布，使汽包内均匀给水。

具体方案：对汽包给水管上的给水孔分布进行调整。通过堵塞部分给水孔，使得靠近汽包给水管入口（汽包B侧）的给水孔分布密度较低，通过增加新的给水孔（开孔角度与水平夹角成30度或60度），使得汽包B侧的给水孔分布密度逐渐升高，确保在给水过程中，给水在汽包内均匀分布，汽包内的炉水温度左右基本一致，消除汽包左右两端的实际水位偏差。各个点的给水孔分布数量可根据以下公式

（4）

（5）

进行计算确定。改造后给水孔分布示意图：

图6 改造后汽包给水管出水孔分布示意图

参考文献

[1]侯子良，侯云浩，等.锅炉汽包水位测量系统[M].北京：中国电力出版社.

[2]防止电力生产重大事故的二十五项重点要求实施细则[S].

[3]杜广生.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社.