上灣熱電廠#2鍋爐汽包水位誤差分析及解決方案

武瑞

摘 要：汽包水位是表征鍋爐安全、高效運(yùn)行的重要參數(shù)，由于汽包水位環(huán)境條件的特殊性，使準(zhǔn)確測量汽包水位存在較大的難題，包括配置、安裝、運(yùn)行及維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致汽包水位測量系統(tǒng)存在較大測量誤差，不同表計(jì)之間測量偏差大，不同工況下差值也有較大差別，是機(jī)組安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)隱患。本文對神華神東電力有限責(zé)任公司上灣熱電廠汽包水位測量系統(tǒng)改造的成功案例進(jìn)行深入研究。本次改造在準(zhǔn)確測量汽包水位的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了汽包兩端實(shí)際水位存在較大偏差，探討汽包兩端水位偏差安全隱患產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：汽包水位；安全隱患；測量誤差；兩端偏差

1 概述

神華神東熱電公司作為國家億噸級礦區(qū)坑口資源綜合利用熱電廠，肩負(fù)著為神東礦區(qū)供熱的重要使命，燃料主要采用煤矸石和煤泥，采用皮帶和管道封閉運(yùn)輸、無煤場，水源為礦井疏干水，灰渣廢水全部再利用，屬于典型的節(jié)能環(huán)保工程。上灣熱電廠三期（一二期已關(guān)停）工程2008年4月開工建設(shè)，2009年底投產(chǎn)，規(guī)模為2×520t/h循環(huán)流化床鍋爐配置2×150MW抽凝式汽輪機(jī)組，2011年被中國電力建設(shè)企業(yè)協(xié)會(huì)授予“中國電力優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)”。

上灣熱電廠汽包水位測量與保護(hù)系統(tǒng)長期存在測量誤差大，各水位計(jì)偏差大等安全隱患，不能為運(yùn)行人員提供準(zhǔn)確、可靠的運(yùn)行參數(shù)，不能滿足“防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)要求”和相關(guān)運(yùn)行規(guī)程要求。為消除汽包水位安全隱患，神東電力公司上灣熱電廠采用國際領(lǐng)先的技術(shù)和儀表，從根本上消除了各汽包水位計(jì)的測量誤差，真正達(dá)到了各項(xiàng)規(guī)程要求。改造后汽包水位測量系統(tǒng)儀表配置如圖1所示，包括2套汽包水位無盲區(qū)低偏差云母水位計(jì)；兩套汽包水位高精度取樣電極傳感器。3套汽包水位內(nèi)裝單室平衡容器和1套汽包水位磁致液位計(jì)。

圖1 改造后汽包水位計(jì)配置示意圖

2 測量數(shù)據(jù)分析

2.1 不同工況下，各水位計(jì)測量值如表1所示

數(shù)據(jù)表中記錄了在機(jī)組運(yùn)行期間，不同汽包水位（+125～-300）情況下，各水位計(jì)的測量值。如上表所示，汽包同側(cè)不同測量原理的云母水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)、差壓水位計(jì)，在不同工況下指示一致，其偏差不超過30mm。同時(shí)汽包兩端實(shí)際水位存在偏差，汽包B側(cè)實(shí)際水位低于汽包A側(cè)。且隨負(fù)荷增加，兩端實(shí)際水位偏差增大。

2.2 差壓水位計(jì)、磁致液位計(jì)測量結(jié)果如圖2所示

如2圖所示，汽包同側(cè)各水位計(jì)指示一致，汽包兩端實(shí)際水位存在偏差，汽包B側(cè)水位低，汽包A側(cè)水位高，兩端偏差隨機(jī)組負(fù)荷升高而增大。

3 汽包水位測量系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠

汽包水位測量準(zhǔn)確、可靠。汽包水位無盲區(qū)低偏差云母水位計(jì)和汽包水位高精度取樣電極傳感器采用的測量原理為連通器原理；汽包水位內(nèi)裝平衡容器采用的測量原理為差壓原理。如果兩種不同原理的水位計(jì)，在不同工況，不同水位時(shí)，測得的值一致，則我們可以確定，汽包水位測量準(zhǔn)確，顯示了汽包內(nèi)的真實(shí)水位。

數(shù)據(jù)記錄中，可以明顯看出，汽包同側(cè)不同測量原理的各水位計(jì)顯示值在不同工況，不同水位情況下，是一致的，其偏差在30mm以內(nèi)。因此，改造后的各汽包水位測量裝置達(dá)到了汽包水位精準(zhǔn)測量的要求，能夠準(zhǔn)確、可靠地測量汽包水位。

4 汽包左、右兩端的實(shí)際水位偏差分析及解決方案

4.1 汽包兩端水位偏差原因分析

新安裝的汽包水位測量裝置實(shí)現(xiàn)了汽包水位的精準(zhǔn)測量，給汽包水位測量與保護(hù)系統(tǒng)提供了一雙精確的“眼睛”，能夠?yàn)槠r分析提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。從運(yùn)行數(shù)據(jù)中，我們可以明顯看出，汽包左右實(shí)際水位存在偏差，且該偏差隨著機(jī)組負(fù)荷升高、汽包壓力增大而升高。

汽包兩端實(shí)際水位存在偏差的原因是多方面的。給水不均、火焰偏燒等因素均能夠造成汽包兩端的實(shí)際水位產(chǎn)生偏差。汽包兩端水位產(chǎn)生偏差，將給水位運(yùn)行監(jiān)視和保護(hù)帶來困難。根據(jù)對#2鍋爐汽包結(jié)構(gòu)和啟機(jī)后汽包水位運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以認(rèn)定造成汽包兩端實(shí)際水位偏差的一個(gè)主要原因?yàn)椋浩o水結(jié)構(gòu)為單側(cè)給水，汽包內(nèi)給水不均，造成了汽包兩端爐水溫度存在偏差，使得汽包兩端爐水密度不一致，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，造成了汽包兩端實(shí)際水位產(chǎn)生偏差。

汽包給水管路結(jié)構(gòu)及給水孔分布如圖3所示。

圖3 汽包給水管路結(jié)構(gòu)及給水孔分布圖

圖4 汽包給水管路結(jié)構(gòu)及給水孔分布照片

如圖3、圖4所示，原有汽包給水管上給水孔均勻分布，每隔90mm，開一個(gè)直徑為Φ12的給水孔，給水孔與水平面夾角為30度。汽包給水管結(jié)構(gòu)和給水孔分布造成了汽包內(nèi)的給水不均，給水主要集中在汽包B側(cè)，B側(cè)的給水量約為A側(cè)的3倍，這是造成汽包水位兩側(cè)偏差較大的根本原因。

具體計(jì)算如下：如下為出水孔流量偏差計(jì)算。

沿給水分配管靜壓增量計(jì)算

沿給水分配管分布的出水孔處靜壓增量計(jì)算見式（1）：

（1）

式中：X為計(jì)算點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的相對長度；Hfp為汽包給水分配管入口的動(dòng)壓頭；αfp為汽包給水分配管的每米摩擦阻力系數(shù)。

給水分配管流量分配計(jì)算

假設(shè)汽包內(nèi)壓力恒定，汽包內(nèi)環(huán)境壓力為P0，分配管進(jìn)口處靜壓力為P1，各出水孔處的靜壓力為（P1+αχ）；根據(jù)出水孔處的壓差，由伯努利方程，出水孔的速度按式（2）計(jì)算：

式中：υfp為汽包給水分配管中的介質(zhì)比容。

（2）

本方法通過出水孔單位時(shí)間的出水量來判斷和考慮汽包水位的相對變化。在給水流量為（520t/h）時(shí)，給水分配管的出水速度的分布如圖5所示。

圖5 原設(shè)計(jì)出水孔速度分布圖

根據(jù)計(jì)算，B側(cè)的給水量約為A側(cè)的三倍。而由于汽包給水流量與汽包蒸汽流量一致，汽包給水溫度要遠(yuǎn)低于飽和溫度，因此造成了汽包B側(cè)（汽包給水管進(jìn)口端）內(nèi)的水溫度低于汽包A側(cè)水的溫度，汽包B側(cè)水的密度大于汽包A側(cè)水的密度。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，造成了汽包B側(cè)的水位低于汽包A側(cè)的水位。隨著機(jī)組負(fù)荷升高，給水溫度與飽和溫度差值增大，且溫度越高，水的密度隨溫度變化越大，這就造成了汽包兩端的實(shí)際水位產(chǎn)生，且偏差隨著機(jī)組負(fù)荷升高，汽包壓力升高而升高。

例如，汽包壓力為7.84MPa，飽和溫度為295.5℃，而汽包給水溫度僅為210℃，這必然造成了汽包B側(cè)的爐水溫度低于汽包A側(cè)的爐水溫度，汽包B側(cè)的實(shí)際水位低于汽包A側(cè)的實(shí)際水位。

汽包兩側(cè)偏差計(jì)算如下所示

（3）

式中，HA為汽包A側(cè)實(shí)際水位距汽包底部高度，？籽A為汽包A側(cè)爐水密度，HB為汽包B側(cè)實(shí)際水位距汽包底部高度，？籽B為汽包B側(cè)爐水密度，

汽包A側(cè)的爐水平均溫度受汽包給水影響小，溫度較高，爐水密度較?。黄麭側(cè)的爐水平均溫度受汽包給水影響大，溫度較低，爐水密度較大。當(dāng)兩端溫差達(dá)到25℃時(shí)，其密度差將達(dá)到50kg/m3。汽包內(nèi)徑為1800mm，0水位在汽包幾何中心線以下76mm，距離汽包底部距離約為850mm。

將上述數(shù)據(jù)帶入公式（3）中，經(jīng)計(jì)算，可得出汽包兩端的實(shí)際偏差約為60mm。這與水位測量結(jié)果是一致的。

同時(shí)，由于溫度越高，溫度變化對水密度的影響約大。因此隨著負(fù)荷升高，汽包壓力升高，飽和溫度進(jìn)一步升高，汽包給水不均對汽包兩端水位偏差的影響將進(jìn)一步增大。當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，汽包兩端的偏差將達(dá)到100mm以上。

4.2 汽包兩端水位偏差解決方案

汽包兩端水位偏差較大，給汽包水位的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和保護(hù)帶來困難。由于汽包兩端水位偏差是由于汽包給水不均造成的實(shí)際汽包水位的偏差，因此，解決該問題的主要途徑是改善汽包內(nèi)給水分布，使汽包內(nèi)均勻給水。

具體方案：對汽包給水管上的給水孔分布進(jìn)行調(diào)整。通過堵塞部分給水孔，使得靠近汽包給水管入口（汽包B側(cè)）的給水孔分布密度較低，通過增加新的給水孔（開孔角度與水平夾角成30度或60度），使得汽包B側(cè)的給水孔分布密度逐漸升高，確保在給水過程中，給水在汽包內(nèi)均勻分布，汽包內(nèi)的爐水溫度左右基本一致，消除汽包左右兩端的實(shí)際水位偏差。各個(gè)點(diǎn)的給水孔分布數(shù)量可根據(jù)以下公式

（4）

（5）

進(jìn)行計(jì)算確定。改造后給水孔分布示意圖：

圖6 改造后汽包給水管出水孔分布示意圖

參考文獻(xiàn)

[1]侯子良，侯云浩，等.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社.

[2]防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求實(shí)施細(xì)則[S].

[3]杜廣生.工程流體力學(xué)[M].北京：中國電力出版社.