曲雪瑩

0 引言

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠是目前國際上發(fā)展極為迅速的發(fā)電形式，這類機組發(fā)電有利于改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，特別適合用于地區(qū)調(diào)峰發(fā)電。

某熱電有限公司采用4臺日本三菱M701F4型燃氣輪機組成兩套“二拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機組，與燃氣輪機配套的4臺9F級余熱鍋爐為杭州鍋爐集團公司引進美國N/E公司技術(shù)設(shè)計制造。

余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環(huán)余熱鍋爐，每臺余熱鍋爐高壓汽包、中壓汽包、低壓汽包各安裝了3臺HDSC-DNZ型內(nèi)裝平衡容器，1臺HDSC-DNZQ型滿量程內(nèi)裝平衡容器。

1 汽包水位準(zhǔn)確性對余熱鍋爐運行安全的重要性

余熱鍋爐運行中，是通過汽包水位測量和保護系統(tǒng)來監(jiān)測和控制汽包水位并保證余熱鍋爐的安全運行。當(dāng)汽包水位超出正常運行范圍時，報警系統(tǒng)將發(fā)出報警信號，保護系統(tǒng)將立即采取必要的保護措施，以確保余熱鍋爐和蒸汽輪機的安全。因此，汽包水位測量和保護系統(tǒng)是機組安全運行的極重要的系統(tǒng)。保持余熱鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是余熱鍋爐運行的一項重要的安全性指標(biāo)[1]。

由于原有汽包水位計在原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在缺陷，測量誤差很大，且影響誤差的因素較多，誤差存在很大的不確定性，各水位計之間偏差大。汽包水位測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性差是發(fā)電廠普遍存在的問題，給發(fā)電廠的安全高效運行帶來很大事故隱患。因此提高鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，消除滿、缺水事故安全隱患成為迫切需要解決的課題。

2 傳統(tǒng)汽包水位測量和保護系統(tǒng)存在的問題及安全隱患

2.1 傳統(tǒng)汽包水位計的測量誤差分析

目前汽包水位測量均采用間接測量法，下面對傳統(tǒng)差壓式汽包水位計進行誤差分析[2]。

差壓式測量技術(shù)自現(xiàn)代鍋爐發(fā)明起就在測量水位方面得到了應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 差壓式汽包水位計結(jié)構(gòu)

汽包內(nèi)水和飽和蒸汽密度的變化、參比水柱溫度的變化均會影響差壓水位計的測量結(jié)果。

傳統(tǒng)差壓水位計的結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生測量誤差。其誤差來源主要以下2個方面：

1）參比水柱平均密度ρa產(chǎn)生的誤差。在進行補償計算時，公式中參比水柱平均密度ρa不能夠準(zhǔn)確得出，一般采用估算值，取一個常量帶入DCS中進行計算，這將不可避免地產(chǎn)生測量誤差。首先，參比水柱平均密度ρa很難準(zhǔn)確得出。如圖2所示，參比水柱頂部溫度近似為飽和溫度，但由于散熱，參比水柱上各點的溫度呈指數(shù)下降，在參比水柱的下部溫度就與環(huán)境溫度相近了。這就造成了參比水柱平均溫度很難準(zhǔn)確得出。

圖2 實測某電廠平衡容器參比水柱溫度

其次，參比水柱的溫度受環(huán)境影響較大，季節(jié)變換，環(huán)境溫度變化、風(fēng)向變化，均會對參比水柱的平均溫度產(chǎn)生影響。

表1是某電廠參比水柱平均溫度估算誤差對汽包水位測量產(chǎn)生的影響。

表1 參比水柱平均溫度對水位測量的影響值（40℃為基準(zhǔn)）

從表1可知，如果參比水柱平均溫度估算值為40℃，當(dāng)其實際溫度達到80℃時，其水位測量附加誤差為33.2 mm；當(dāng)其實際溫度達到130℃時，其水位測量附加誤差高達108 mm。

2）汽包內(nèi)水欠飽產(chǎn)生的測量誤差。大部分余熱鍋爐汽包內(nèi)的水是欠飽和的，但我們在補償計算時，將ρw認為飽和，這將不可避免地產(chǎn)生測量誤差。在正常水位運行時，欠飽和5℃左右導(dǎo)致的測量誤差為40 mm左右。而欠飽和1℃時，影響水的密度約為9.64 kg/cm2，汽包內(nèi)水溫欠飽和1℃影響汽包水位誤差9 mm左右。同時，汽包內(nèi)水欠飽和產(chǎn)生的測量誤差與參比水柱平均溫度產(chǎn)生的測量誤差是一致的，是疊加的，且水位越高誤差越大，由此可見汽包內(nèi)水欠飽和對水位測量的影響是不可忽略的。

2.2 傳統(tǒng)汽包水位測量和保護系統(tǒng)存在的安全隱患及影響

機組高水位或低水位運行都會給發(fā)電廠的安全高效運行帶來很大事故隱患，易造成汽包水位失控，發(fā)生水位保護拒動或誤動，造成重大設(shè)備損壞事故及經(jīng)濟損失。水位過高或急劇波動會引起蒸汽品質(zhì)惡化和帶水，造成鍋爐過熱器受熱面結(jié)鹽，造成過熱器爆管，嚴(yán)重時會導(dǎo)致汽輪機水沖擊振動、葉片損壞、軸系斷裂，造成設(shè)備的損壞或報廢；水位過低會引起排污失效，爐內(nèi)加藥進入蒸汽，甚至引起下降管帶汽，影響水循環(huán)工況，造成蒸發(fā)器管大面積爆破。但由于現(xiàn)行汽包水位測量和保護系統(tǒng)中，各水位計的測量誤差較大，且影響誤差的因素較多，誤差存在很大的不確定性，同時各水位計之間偏差大，給運行人員監(jiān)測和控制帶來困難，很多電廠長期在高水位或低水位運行。某些電廠為減小各水位計之間偏差，采用云母水位計下移，修改DCS、或修改變送器等辦法進行修正，這樣只能使各水位計在額定工況和正常水位情況下，指示值接近，埋下了事故隱患，存在保護誤動或拒動的可能。

某些電廠通過在DCS系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整汽包水位測量值，使得各汽包水位計之間偏差減小，汽包水位測量曲線平滑，這對于整個系統(tǒng)的安全是非常不利的，不能對汽包水位進行有效的監(jiān)測和控制，易導(dǎo)致汽包水位保護誤動和拒動，進一步加大汽包水位測量和保護系統(tǒng)的安全隱患。

3 汽包水位測量新技術(shù)研究及應(yīng)用

針對目前發(fā)電廠在運行過程中遇到的汽包水位計無法標(biāo)定，測量誤差大，各水位計之間偏差大，啟爐時保護不能正確投入等問題，已經(jīng)投入商業(yè)運行的1、2號余熱鍋爐各汽包使用的HDSC-DNZ型內(nèi)裝平衡容器效果理想，消除了汽包水位測量與保護系統(tǒng)存在的安全隱患。

汽包水位內(nèi)裝平衡容器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)置式平衡容器原理

汽包內(nèi)裝平衡容器在結(jié)構(gòu)上進行了改進，將關(guān)鍵的“參比水柱”由汽包外部改至汽包內(nèi)部，不僅完全消除了環(huán)境溫度對水位測量的影響，同時消除了汽包內(nèi)爐水欠飽和對測量的影響，測量值只與汽包內(nèi)的飽和蒸汽和飽和水的密度及變送器測得的差壓值有關(guān)。而飽和蒸汽和飽和水的密度是汽包壓力的單值函數(shù)，因此它的測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，優(yōu)于傳統(tǒng)差壓水位計。

圖4、5為余熱鍋爐高壓汽包水位操作員站畫面實時顯示及DCS歷史曲線。

圖4 高壓汽包水位操作員站畫面實時顯示

圖5 高壓汽包水位DCS歷史曲線

由圖4、5可以看出新的汽包水位測量技術(shù)在燃氣電廠余熱鍋爐高壓汽包上的應(yīng)用后，運行過程中可以達到汽包水位同端偏差在30 mm以內(nèi)，兩端偏差在50 mm以內(nèi)。

4 結(jié)語

內(nèi)裝平衡容器技術(shù)在陳塘燃氣電廠余熱鍋爐的成功使用，是該汽包水位先進測量技術(shù)在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機組余熱鍋爐中壓汽包，低壓汽包水位測量上的首次應(yīng)用，為國內(nèi)燃氣電廠使用該技術(shù)起到了良好的示范作用，同時對國內(nèi)外余熱鍋爐汽包水位測量技術(shù)的發(fā)展提高，起到了促進作用，具有廣闊的推廣前景。

[1]靳允立，於國良.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組控制策略分析[J].熱力發(fā)電，2015（6）∶25-30.

[2]候子良，劉吉川，侯云浩，呂錫江.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2005.