差压式水位传感器在锅炉汽包测量应用中的问题

电站锅炉汽包水位的监视和控制，传统上一直是以就地水位表为准的，主要原因是就地水位表的显示直观，符合“眼见为实”的原则。因此，在《300MW级锅炉运行导则(DL／T611-1996)》的6.6.3条中明确规定：“正常运行中，汽包水位应以就地水位计为准”。在大量亚临界锅炉投运后，这一原则受到了质疑。锅炉制造厂提供的数据表明，就地水位表的显示值与汽包中的水位存在相当大的差距。为此，国电公司于2000年9月28日发布了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，其中第8．3条规定：“对于过热器山口压力为13．5MPa及以上的锅炉，其汽包水位计应以差压式(带压力修正回路)水位计为基准。”2001年12月20日，国电公司又发布了《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》，其中的第4．2条再次强调：“锅炉汽包水位的监视应以差压式水位测量装置显示值为准”。

由此可见，汽包差压式水位测量装置的正确使用是保证锅炉安全运行的重要条件之一。本文将对汽包差压式水位测量装置(以下简称水位表)目前在电厂中普遍存在的问题进行较深入的分析，供有关人员参考。
 

一、水位表的测量范围

水位表的测量范围是由锅炉设计时在汽包上的开孔位置所决定的。汽包上汽侧和水侧取样孔之间的距离(也可以说，平衡容器中心和水侧取样孔之间的距离)就是水位表的测量范围。由于汽包的正常水位距离汽水取样孔并不一定完全相等，因此正常水位并不一定在测量范围的正中心。这些都是和我们的传统习惯不相同的。长期以来，我们习惯使用的水位表测量范围一般是0～±250mm、0～±320mm、0～±400mm，其特点是范围不人且零位(正常水位)在中心位置。而对于国产引进型亚临界强制循环锅炉而言，汽包上取样孔间距离为1270mm，正常水位距离水侧取样孔533mm，因此水位表的测量范围就应该是-533mm～0～+737mm，和传统习惯的差距极大。

造成上述传统习惯的原因是，早期生产的差压变送器准确度过低且稳定性差。最早用于汽包水位测量的浮子式差压变送器，其准确度等级仅为4.0级：以后使用的膜盒式差压变送器，其准确度等级为2.5级：而目前使用的差压变送器，其准确度等级已达到0.1级。这三种变送器在测量1000mm水位时的误差分别为40mm、25mm和1mm。对于要求控制在±50mm范围内的汽包水位而言，前两种变送器显然是无法胜任的，为此不得不采用减小水位表测量范围的变通办法以提高测量汽包水位的准确度。而现代变送器的准确度已完全能满足大量程水位表的要求，根本没有必要为适应传统习惯而压缩水位表的量程。

国产引进型亚临界强制循环锅炉的保护定值为+254mm和-381mm。对于低水位而言，保护跳闸值是-381mm，而水位表的测量范围是-533mm，已涵盖了保护跳闸值且有40%的裕量，是完全合理的。对于高水位而言，保护跳闸定值是+254mm，而水位表测量范围是+737mm，是有些嫌大了，但由于测量的准确度己足够高，测量范围大些并不会影响对水位的准确监视和控制。在有些电厂中，为了减小水位表的高水位量程而采取了降低水位表平衡容器高度的方法。这种做法既费时费力且极易引入误差，是不必要的，也是不可取的。

如果为了适应传统习惯必须减小水位表高水位的量程，也不必改变平衡容器的位置，而可以采用以下简单方法：即利用现代化变送器的特性，根据水位测量的需要进行必要的变送器量程压缩和零点迁移。例如，假定我们选定水位表的量程为0～±500mm，由于正常水位与平衡容器的高度差是固定不变的737mm，对应0～±500mm水位的差压应为737-+500mmH2O，即+500mm水位对应压差237mmH2O(2．37kPa)，-500mm水位对应压差1237mmH2O(12．37kPa)。即将变送器的量程整定为2．37～12．37kPa。由此可见，改变水位表的量程时，只需要相应整定变送器的量程，并不需要对取样孔、平衡容器和取样管道进行任何变动。这一方法既简单易行，又可根据需要任意改变。
 

二、水位表的取样管道

水位表汽侧取样管上安装有平衡容器。平衡容器也称凝结容器，通常是一个球型容器或筒型容器。容器侧面水平引出一个管口接到汽包上的汽侧取样孔。容器底部垂直引出一个管口接到差压变送器的负压侧。进入平衡容器的饱和蒸汽不断凝结成水，多余的凝结水自取样管流回汽包使容器内的水位保持恒定。为了避免汽包水位变化时，平衡容器内水位变化影响测量水位的准确性，容器内的水面积原则上越大越好。由于现代化差压变送器测量元件的位移很小，差压改变时不会引起容器内水位有明显变化，因此一般情况下平衡容器内的水面积在50cm2以内就能完全保证汽包水位测量的准确性，也就是说采用直径10cm的球形容器做平衡容器就已经足够了。

在采用差压式水位测量装置监视锅炉汽包水位的初期，由于测量回路不具备压力修正的能力，曾开发出多种具有压力修正功能的平衡容器，如双室平衡容器、带力口热套的平衡容器等。但是，它们的修正范围和准确性都有限，而且结构复杂，在电子计算技术引入测量回路后，多种具有压力修正功能的平衡容器已逐渐不具备生命力。

为了确保平衡容器内的凝结水能可靠地流回汽包，平衡容器前的汽侧取样管应向汽包侧倾斜(倾斜度应大于100:1)。由于平衡容器的中心较汽侧取样孔高，这时水位表的量程应为平衡容器中心和水侧取样孔之间的距离。在这一情况下，当汽包水位升高超过汽侧取样孔后，测量结果不再有效。也可以将平衡容器的中心和汽侧取样孔装在同一高度，这时必须在平衡容器前加装汽水连通管，而汽水取样管均可水平安装，如图1所示。

每个差压式水位表都应该具有独立的取样孔、取样管道和平衡容器。几个水位表共用一个取样孔或管道会造成相互干扰，特别是在个别水位表冲洗管道或管接头漏泄时会影响其它水位表的正常工作，失去了冗余设置水位表的意义。取样管道上的阀门应水平安装，并使阀杆处于水平状态，以免阀内积水造成水塞。平衡容器前的汽侧取样管、水侧取样管的水平段，汽水取样管之间的连通管和取样阀门应保温；平衡容器及其下部形成参比水柱的管道不得保温；引到差压变送器的两根管道应平行敷设、共同保温，并在冬季加温度可控的伴热(但要防止过度伴热)；差压变送器应就近安装在保温箱内；在气温可能造成冰冻的地区，汽包小室在冬季应密封防冻。
 

三．水位表的压力修正   

由于汽水密度都是随压力改变的，因此在锅炉启动过程中或变压运行过程中，同一汽包水位所产生的压差是不同的。现以引进型强制循环汽包炉为例，可以计算出表1的结果。

从表1可以看出，对应正常水位的差压值会随着锅炉汽压的升高而改变，不进行压力修正是无法正确测量汽包水位的。此外，锅炉压力升高后，同样的汽包水位变化值所对应的压差变化减小。汽包水位变化±400mm，在大气压下压差的变化为800mmH2O，而压力上升到19MPa时压差的变化仅为296mmH2O。而且水位越高，压差受压力的影响越大；水位降低后，压差受压力的影响就较小。由此可见，压力变化会给差压式水位表带来相当大的测量误差。但是，这一误差只源于压力的变化，而且是有规律可循的。所以，在差压式水位表的测量回路中引入压力修正，就可以将上述误差完全修正。压力修正的原理如下：

据图2，差压式水位表差压和汽包水位之间的关系如以下两式所示：

上式中，H、A和B都是常数：рs和рw是汽压的函数，在特定汽压下均为定值：рa除了受汽压的影响外，还和平衡容器的散热条件与环境温度有关，当汽压和环境温度不变时，其值也定值。这时，差压只是汽包水位的函数。

图中，∑——加法器：X——乘法器；F(x)——函数发生器：SG——信号发生器。

修正回路中三个函数发生器F1(x)、F2(x)和F3(x)的参数可以根据水和水蒸汽性质参数手册进行计算。计算的结果是通用的，可适用于取样孔位置和测量范围不同的亚临界锅炉。在计算函数发生器的参数时，参比水柱的密度通常是按参比水柱平均水温为常数考虑的。

饱和蒸汽进入平衡容器后不断凝结成水，多余的水通过取样管流回汽包。容器内表层的水温必然接近饱和温度。平衡容器及其下部管道受到环境温度的冷却，因此随着高度的下降，参比水柱的温度会很快的下降到接近环境温度。参比水柱的平均温度会高于环境温度但远低于饱和温度。参比水柱平均温度的准确确定方法还需要进行必要的试验和计算工作。目前，已知国外厂商使用差压式水位表测量汽包水位时，参比水柱的平均温度是按常数考虑的，一般使用的常数为50℃或60℃。进口机组的运行实际证明，这种方式是可行的，因此推荐采用这种方式。

表2列出参比水柱平均温度按60℃计算的函数发生器参数。

早期设计的压力修正回路，虽然基本工作原理是相同的，但是具体回路结构各不相同。

例如，在某系统中将式(4)中的H(pa-ps)／(pw-ps)设为Fl(x)；103／(pw-ps)设为F2(x)。这样做，回路结构比较简单，但是函数发生器的通用性却较差。因为F1(x)中的H对于不同的锅炉是不相同的，F1(x)的参数必须针对每台锅炉进行计算。
 

四、水位表的冗余配置

为了提高汽包水位测量的可靠性，通常采用三个变送器的冗余回路，将三个变送器的测量结果送入控制系统进行逻辑处理。根据B&W等锅炉厂提出的要求，汽包水位信号的冗余应采用三选中的方式进行优选。也就是说应在三个经过压力修正的水位测量结果中选择中间值使用。采用三选中方式的原因是，汽包水位信号要求高可靠性却并不追求过高的测量准确性。对于三选中逻辑而言，其可靠性极高，只要两个变送器回路正常，它就能正常工作。因为任何一个变送器的管路、阀门或电路发生任何故障时，变送器的输出信号都会偏离正常值而变大或变小。逻辑回路能很容易的改选正常的变送器并发出报警，改选过程是平滑无扰动的。故障的变送器回路可以在线维修而不会影响测量回路的正常工作。在汽包水位测量回路中使用三选均的平均值逻辑是错误的，极易造成事故。这是因为采用三选均逻辑回路时，无规律波动的水位信号在取平均值后并不能提高测量准确性，何况任何一个变送器回路发生故障都会使逻辑回路的优选结果产生大的扰动，对于回路的可靠性有很大的影响。这一点已在多个电厂中得到了验证。

经过三选中的水位信号可以直接送入调节回路、报警回路和保护回路。在报警回路和保护回路中，与定值进行比较后输出报警和跳闸信号。三选中逻辑一比较一跳闸，这种形式的保护回路已在锅炉汽包水位保护系统中得到了广泛的应用。

对于这种形式的保护回路，也有人提出质疑，因为在保护系统中采用得最多的是三中取二(2／3)的表决冗余系统。从表面上看，三中取二的表决冗余系统的可靠性应该是最高的,但可靠性计算的结果（见表3）却无法证明这一点。

表中的入是单个元刊：的失效率。从表中数字可以看出，三中取二表决冗余系统的平均寿命仅相当于单个元件的5／6。也就是说，三中取二表决冗余系统的平均寿命还不如单个元刊：来得高。其实如果分时段计算系统的可靠度，则可看出，在开始的一段时间内，三中取二表决冗余系统的可靠度还是高于单个元件而低于热备用系统的．由于在三中取二表决冗余系统中必须同时有两个单元处于正常状态，这当然比只要求一个单元处于正常状态更困难。而三选中冗余系统的可靠度是和热备用系统相当的，何况开关量变送器(逻辑开关)的可靠性要比模拟量变送器的可靠性低。因此，采用三选中逻辑一比较一跳闸这种形式的保护同路，显然比三中取二表决冗余系统构成的保护回路更加可靠，完全可以用于其它保护系统。