循環(huán)流化床鍋爐汽包水位測(cè)量中的問(wèn)題分析與改進(jìn)

郭建文

(甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司儀表計(jì)量檢測(cè)中心,甘肅 白銀 730900)

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)潔凈煤燃燒技術(shù)，具有高效和低污染的特點(diǎn)，有利于改善劣質(zhì)煤的燃燒問(wèn)題并減輕硫化物的排放。為了保證循環(huán)流化床鍋爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行，必須對(duì)鍋爐的過(guò)程工藝與設(shè)備采取有效的控制，其中鍋爐汽包水位測(cè)量對(duì)保障鍋爐安全運(yùn)行起著非常重要的作用。但由于循環(huán)流化床鍋爐汽包內(nèi)的測(cè)量環(huán)境比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)汽包水位測(cè)量存在一定的難度，同時(shí)鍋爐汽包水位測(cè)量技術(shù)尚有不完善之處，為此筆者對(duì)循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的測(cè)量進(jìn)行分析研究，制定測(cè)量改進(jìn)方案，以提高循環(huán)流化床鍋爐汽包水位的測(cè)量準(zhǔn)確性。

1 循環(huán)流化床鍋爐簡(jiǎn)介①

循環(huán)流化床鍋爐是一種新型的燃用固體燃料(如煤)的鍋爐，固體顆粒(石灰石、砂粒及爐渣等)在爐膛內(nèi)以一種特殊的氣固流動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)爐膛的顆粒又被分離并送回爐膛循環(huán)燃燒。

循環(huán)流化床鍋爐可分為兩部分：第一部分為流化床燃燒室，由氣固分離設(shè)備(分離器)、固體物料再循環(huán)設(shè)備(返料裝置和返料器)及外置換熱器等組成，這些設(shè)備形成了一個(gè)固體物料循環(huán)回路；第二部分為尾部對(duì)流煙道，布置有過(guò)熱器、再熱器、省煤器及空氣預(yù)熱器等，與常規(guī)火炬燃燒鍋爐相近[1]。

2 汽包水位測(cè)量

2.1 汽包水位測(cè)量的特點(diǎn)

鍋爐汽包滿(mǎn)水、缺水事故是長(zhǎng)期困擾鍋爐安全運(yùn)行的重大惡性事故，因此保證循環(huán)流化床鍋爐汽包水位測(cè)量的可靠、準(zhǔn)確顯得非常重要，保持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要安全指標(biāo)。但由于鍋爐汽包內(nèi)工藝環(huán)境條件復(fù)雜，汽液兩相共存，汽包內(nèi)壓力高且壓力隨運(yùn)行工況可變，燃燒負(fù)荷、燃燒工況與給水流量變化都會(huì)引起汽包水位的改變，這給汽包水位的準(zhǔn)確測(cè)量和控制帶來(lái)一定的困難。

鍋爐汽包內(nèi)水位不平穩(wěn)。鍋爐在運(yùn)行控制過(guò)程中由于各蒸發(fā)受熱面、受熱工況的波動(dòng)和負(fù)荷的變化，造成進(jìn)入汽包的汽水混合物中汽水比例不斷發(fā)生變化，同時(shí)由于負(fù)荷的變化汽包內(nèi)各點(diǎn)的壓力也處于不斷的波動(dòng)變化中，最終導(dǎo)致汽包內(nèi)水位不平穩(wěn)。

鍋爐汽包內(nèi)汽液兩相共存。盡管汽包內(nèi)裝有汽水分離裝置，但汽包中的水還是存在氣泡；蒸汽中也含有水滴，特別是在汽水界面附近，蒸汽和水兩相共存；而且在鍋爐汽包垂直方向上蒸汽濕度變化率不一致，造成汽水分界面模糊不清，導(dǎo)致汽包內(nèi)水位測(cè)量困難。

鍋爐汽包內(nèi)存在虛假水位。一般來(lái)講，一個(gè)設(shè)備或其他容器內(nèi)的液位是比較穩(wěn)定、直觀(guān)而且容易測(cè)量的，但鍋爐汽包內(nèi)的液位由于負(fù)荷與燃燒工況的變化，導(dǎo)致其存在虛假水位。

通常情況下，汽包水位在給水流量的作用下，水位變化反映了給水量與蒸發(fā)量的物質(zhì)平衡情況。當(dāng)給水量小于蒸發(fā)量時(shí)，水位下降；當(dāng)給水量大于蒸發(fā)量時(shí)，水位上升。但是當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷突然增大時(shí)，蒸汽流量突然增加，在燃料量不變的情況下，根據(jù)物料平衡關(guān)系，水位變化應(yīng)該降低，但實(shí)際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間導(dǎo)致汽包內(nèi)壓力下降，汽包內(nèi)水沸騰加劇，水中氣泡迅速增加，產(chǎn)生短暫的水位升高，與物質(zhì)平衡原則相違，此時(shí)上升的水位即為虛假水位；反之當(dāng)鍋爐負(fù)荷突然下降時(shí)，蒸汽流量減少，也會(huì)出現(xiàn)短暫的水位下降，然后上升，出現(xiàn)虛假水位。虛假水位的出現(xiàn)會(huì)造成控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作，給控制帶來(lái)困難。因此應(yīng)認(rèn)識(shí)其規(guī)律，采取相應(yīng)的措施[2]。

由于鍋爐汽包水位測(cè)量的特殊性，因此應(yīng)選擇合適的水位測(cè)量?jī)x表與測(cè)量方案。

2.2 汽包水位測(cè)量?jī)x表

常用的水位測(cè)量?jī)x表有差壓式液位遠(yuǎn)傳測(cè)量?jī)x表、就地顯示玻璃板式水位計(jì)和電接點(diǎn)水位計(jì)。

差壓式液位遠(yuǎn)傳測(cè)量?jī)x表一般由遠(yuǎn)傳差壓變送器、取壓導(dǎo)管和平衡容器(一般用雙室平衡容器)組成。通過(guò)測(cè)量汽包內(nèi)水位的壓差，將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓差信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)水位的測(cè)量。遠(yuǎn)傳差壓變送器一般采用目前測(cè)量技術(shù)成熟的二線(xiàn)制差壓變送器，供電24V(DC)，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)。差壓式液位遠(yuǎn)傳測(cè)量?jī)x表系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件是雙室平衡容器。平衡容器主要有單室平衡容器和雙室平衡容器，其主要作用是實(shí)現(xiàn)汽包水位與壓差之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。雙室平衡容器由于其結(jié)構(gòu)的合理性，在實(shí)際使用中采用得比較多。簡(jiǎn)單雙室平衡容器測(cè)量取壓回路如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)單雙室平衡容器測(cè)量取壓回路

汽包內(nèi)的蒸汽在雙室平衡容器凝氣筒A內(nèi)不斷凝結(jié)變?yōu)橐簯B(tài)，多余的冷凝液通過(guò)平衡容器上接管溢流回汽包內(nèi)，因此凝氣筒A內(nèi)的液面總是保持恒定，筒內(nèi)的液體可作為參比水柱(即測(cè)量的基準(zhǔn))，接差壓變送器的正壓室，正壓室的壓力是恒定的。倒T字形連通器，其水平部分一段接入汽包，另一端接入變送器的負(fù)壓室，負(fù)壓側(cè)的水柱高度則隨汽包水位H而變化，它的主要作用是將汽包內(nèi)的動(dòng)態(tài)水位產(chǎn)生的壓力傳遞給差壓變送器的負(fù)壓室，與正壓室(參比水柱)壓力比較從而得到汽包中的水位。

從圖1中可以看出，鍋爐汽包在正常運(yùn)行時(shí)雙室平衡容器凝氣筒A內(nèi)必須滿(mǎn)水且保持恒定，這樣參比水柱才能恒定，且基準(zhǔn)保持不變。

就地顯示玻璃板式水位計(jì)屬于就地顯示液位計(jì)，其液位直觀(guān)、測(cè)量原理簡(jiǎn)單，根據(jù)連通管的原理顯示汽包內(nèi)的水位。

電接點(diǎn)水位計(jì)是利用汽水介質(zhì)的電阻率相差很大的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量的，屬電阻式水位測(cè)量?jī)x表，其突出優(yōu)點(diǎn)是指示值不受汽包壓力變化而影響，能準(zhǔn)確反映水位情況，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛[3]。

2.3 汽包水位測(cè)量方案

根據(jù)火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定，鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)必須利用兩種或兩種以上工作原理共存的配置方式。因此，鍋爐汽包水位的測(cè)量至少應(yīng)配置獨(dú)立的就地顯示玻璃板式水位計(jì)、差壓式液位遠(yuǎn)傳測(cè)量?jī)x表和電接點(diǎn)水位計(jì)，并且每個(gè)水位測(cè)量裝置都應(yīng)有獨(dú)立的取樣孔。不得在同一取樣孔上并聯(lián)多個(gè)水位測(cè)量裝置，避免相互影響，降低水位測(cè)量的可靠性。

差壓變送器鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，主要由差壓變送器、雙室平衡容器、引壓管及排污管等組成。汽包水位測(cè)量系統(tǒng)中，水位越高，壓差越小，輸出信號(hào)越?。?mA時(shí)對(duì)應(yīng)滿(mǎn)水位，20mA時(shí)對(duì)應(yīng)零水位。

3 案例分析

3.1 汽包水位測(cè)量運(yùn)行情況

甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司近幾年通過(guò)投資項(xiàng)目先后新建了4臺(tái)30t循環(huán)流化床鍋爐，其中4#、5#鍋爐汽包水位計(jì)自投運(yùn)以來(lái)一直運(yùn)行不正常，問(wèn)題反復(fù)出現(xiàn)，維護(hù)人員維護(hù)工作量大，尤其是4#鍋爐汽包水位計(jì)存在運(yùn)行和維護(hù)安全 隱患，但是一直沒(méi)有找到水位計(jì)運(yùn)行不正常的核心問(wèn)題。

圖2 差壓變送器鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)

4#、5#鍋爐為單汽包流化床鍋爐，每臺(tái)鍋爐汽包分別配置兩臺(tái)遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)、兩臺(tái)玻璃板水位計(jì)和一臺(tái)電接點(diǎn)水位計(jì)。運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)兩臺(tái)遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定、讀數(shù)不一致的情況；兩臺(tái)玻璃板水位計(jì)的其中一臺(tái)讀數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定，經(jīng)與實(shí)際確認(rèn)讀數(shù)也較準(zhǔn)確，另一臺(tái)玻璃板水位計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定、跳動(dòng)較大；而且兩臺(tái)遠(yuǎn)傳差壓液位計(jì)和兩臺(tái)玻璃板水位計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)讀數(shù)不一致的情況，導(dǎo)致鍋爐汽包水位給水控制一直未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3.2 存在的問(wèn)題

根據(jù)上述現(xiàn)象，對(duì)所運(yùn)行鍋爐的所有水位計(jì)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)4#、5#鍋爐汽包水位計(jì)存在較多問(wèn)題，查閱4#、5#鍋爐相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，造成循環(huán)流化床鍋爐水位計(jì)運(yùn)行不正常的原因主要有以下兩方面：

a. 雙室平衡容器工作不正常。引起雙室平衡容器工作不正常的主要原因是排污閥漏水、凝氣筒中的水漏光、取壓管與取壓閥門(mén)配置不合適。

b. 鍋爐汽包水位取壓點(diǎn)不合適。4#、5#鍋爐所有水位計(jì)取壓位置都在鍋爐汽包的中部，然而鍋爐汽包中部測(cè)量環(huán)境條件較差，造成汽包內(nèi)水位計(jì)測(cè)量不穩(wěn)、不準(zhǔn)，導(dǎo)致汽包水位計(jì)不能正常工作。

改造前汽包水位測(cè)量系統(tǒng)回路如圖3所示。

圖3 改造前汽包水位測(cè)量系統(tǒng)回路

3.3 分析研究

為了驗(yàn)證上述造成汽包水位計(jì)運(yùn)行不正常的原因，在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上制定了試驗(yàn)方案，并在4#鍋爐進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題如下：

a. 差壓液位儀表運(yùn)行正常且滿(mǎn)足測(cè)量要求。

b. 4#鍋爐兩臺(tái)水位計(jì)的雙室平衡容器排污閥與正負(fù)壓室排污閥均漏水且設(shè)置不合理，造成雙室平衡容器凝氣筒內(nèi)液態(tài)水泄漏，參比水柱不恒定，導(dǎo)致水位測(cè)量不準(zhǔn)、不穩(wěn)。

c. 在排除鍋爐汽包排污閥與雙室平衡容器正負(fù)壓室排污閥均漏水的問(wèn)題后，在沒(méi)有汽包的情況下雙室平衡容器與差壓液位計(jì)測(cè)量回路正常，測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

d. 在排除鍋爐汽包排污閥與雙室平衡容器正負(fù)壓室排污閥均漏水的問(wèn)題后，在靜態(tài)(不產(chǎn)蒸汽)情況下，對(duì)鍋爐汽包加減水，確認(rèn)鍋爐汽包、雙室平衡容器和差壓液位計(jì)測(cè)量回路均正常；玻璃板液位計(jì)工作正常；兩臺(tái)差壓液位計(jì)、兩臺(tái)玻璃板液位計(jì)和DCS系統(tǒng)操作面板液位顯示數(shù)據(jù)基本一致。

e. 在動(dòng)態(tài)(產(chǎn)蒸汽)情況下，鍋爐汽包水位計(jì)運(yùn)行不穩(wěn)定，是由于鍋爐汽包液位計(jì)取壓點(diǎn)不合適和測(cè)量環(huán)境不穩(wěn)定造成。

f. 差壓液位計(jì)未增加取壓手閥，給后期維護(hù)帶來(lái)不便。

通過(guò)以上試驗(yàn)分析，在鍋爐正常運(yùn)行中雙室平衡容器凝氣筒內(nèi)一直要充滿(mǎn)液態(tài)水才能保證水位測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定，鍋爐在長(zhǎng)時(shí)間停爐后重新點(diǎn)爐運(yùn)行前必須檢查雙室平衡容器凝氣筒內(nèi)是否為滿(mǎn)水位，否則要通過(guò)注水孔加滿(mǎn)水；鍋爐水位計(jì)取壓口一定要選擇汽包內(nèi)環(huán)境相對(duì)比較平穩(wěn)的地方(如汽包兩端)。

3.4 整改方案

對(duì)4#、5#鍋爐汽包雙室平衡容器正負(fù)壓室排污閥方案重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，排污閥只保留一個(gè)，進(jìn)行直排，不與鍋爐其他排水系統(tǒng)相連。當(dāng)排污閥泄漏時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免雙室平衡容器凝氣筒內(nèi)液體外漏，優(yōu)化排污管線(xiàn)與排污閥。差壓液位計(jì)應(yīng)增加取壓手閥，以方便后期的維護(hù)，取壓管配置應(yīng)盡可能短。選擇合適的汽包水位計(jì)取壓點(diǎn)，這在鍋爐建成汽包安裝完畢后實(shí)現(xiàn)比較困難，因此最好在汽包加工制作前選擇好水位計(jì)的取壓點(diǎn)。鍋爐高溫、高壓處所使用的閥門(mén)按規(guī)定應(yīng)選擇高溫、高壓閥門(mén)，以防泄漏。改造后汽包水位測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

按照整改方案改造后的汽包水位測(cè)量系統(tǒng)，兩臺(tái)差壓液位計(jì)運(yùn)行平穩(wěn)，水位讀數(shù)準(zhǔn)確一致；兩臺(tái)差壓液位計(jì)與兩臺(tái)玻璃板水位計(jì)讀數(shù)一致，且能實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制聯(lián)鎖。

4 結(jié)束語(yǔ)

循環(huán)流化床鍋爐汽包水位測(cè)量由于其測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性與不確定性，水位測(cè)量技術(shù)有待于進(jìn)一步改進(jìn)與完善，對(duì)鍋爐汽包水位測(cè)量的認(rèn)識(shí)需進(jìn)一步提高。鍋爐汽包水位作為鍋爐運(yùn)行的一個(gè)

圖4 改造后汽包水位測(cè)量系統(tǒng)

重要參數(shù)，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行起著非常重要的作用，在實(shí)際鍋爐運(yùn)行操作中要引起足夠的重視，保證汽包水位測(cè)量系統(tǒng)正常運(yùn)行，測(cè)量準(zhǔn)確、可靠，并嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行操作。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)盤(pán)面操作人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員和工程技術(shù)人員對(duì)循環(huán)流化床鍋爐原理結(jié)構(gòu)和使用維護(hù)保養(yǎng)運(yùn)行的學(xué)習(xí)，保證鍋爐安全運(yùn)行，并在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮循環(huán)流化床鍋爐的更大效率。

[1] 張力.鍋爐原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 路春美,程世慶,王永征,等.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備與運(yùn)行[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[3] 張東風(fēng).電廠(chǎng)熱力過(guò)程自動(dòng)化[M].北京:中國(guó)電力出版社,2011.