(华电湖北发电有限公司黄石热电分公司 湖北黄石 435000)
摘要：火力发电厂锅炉汽包水位的测量具有十分重要的意义，它关系到电厂的安全经济运行。文章主要介绍华电某电厂锅炉汽包云母式水位计测量方法及误差的产生，解释了汽包锅炉水位存在偏差较大的原因，以及高精度云母水位计的应用，对同类型锅炉解决此类问题有借鉴意义。
关键词： 汽包水位；连通管原理；高精度云母水位计
一、引言
保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性指标。由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化，汽包水位会经常变化。众所周知，水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成炉管大面积爆破。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故的情况时有发生，严重影响火电厂运行的安全性。
锅炉运行中，我们是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时，报警系统将发出报警信号，保护系统将立即采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。因此，锅炉汽包水位测量系统是机组安全运行的极端重要的系统。根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求：
1．准确性好：由于汽包水位运行工况十分复杂，而汽包水位测量采用的连通管式或差压式测量原理，使得汽包压力和测量参比条件变化时会造成较大误差，远远超出汽包水位测量标准示值偏差（标准误差为30mm以内的误差）。所以长期以来，保证汽包水位测量准确性一直是摆在我们面前的一个难点和关键问题。
2．可靠性高：汽包水位测量系统应从取样开始，到信号转换控制和保护回路，以及供电回路均应十分可靠。系统也应当保证可靠性，包括对汽包水位测量、控制和保护系统的配置应采取严格的冗余要求，应采用两种或以上工作原理共存的配置原则；锅炉汽包水位控制和保护用的水位测量信号应采取三重冗余等。
3．维护性好：锅炉汽包水位测量系统的维护应简单、维护工作量应尽可能少，而且应便于进行在线实际水位信号的保护联动试验等。
现在就云母式水位计作分析：
二、原云母水位计存在问题分析：
1）结构设计落后，存在较大负向误差；
2）窗口结垢严重，一段时间不更换云母组件会使观察窗口十分不清晰，失去了水位监视作用；
3）云母水位计结构不合理，导致水位计测量范围小，可监视区间范围小；
4）云母水位计云母片易老化，易泄露，维护量大，降低了汽包水位测量和保护系统的安全性和可靠性；
5）云母水位测量不准确，安装时机械零位下移；
6）观测读数时参考高精度取样电极传感器，失去就地水位计测量意义。
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图2-1 原云母水位计
三、云母水位计误差分析
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我厂的云母水位计属于连通管式水位计，连通管式水位计原理图所示：
连通管式水位计是利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在连通管处有相等的静压力，从而可以用水位计中的水柱高度来间接反映汽包中的水位，因此，也称为重力式水位计，其水位称为重力水位。
连通管式水位计的显示水柱高度 Hˊ可按(2-1)式计算:
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式中: H——汽包实际水位高度
Hˊ——水位计的显示值
ρs——汽包内饱和蒸汽密度
ρw——汽包内饱和水密度
ρa——水位计测量管内水柱的平均密度
由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内饱和水的温度，因此ρa总是大于ρw ，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度，它的示值偏差：
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由（2-2）式可以看出，水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以及汽包内的实际水位等多种因素有关。
a）影响汽包水位计管内水柱温度变化的因素
汽包水位计管内水柱平均温度与下列因素有关：
(1)汽包压力随着汽包压力的增加，相应饱和温度升高，冷却效应加剧，水柱平均温度与饱和温度的差值增大。汽包压力在额定工况下、汽包水位处于正常水位时，连通管式水位计的平均温度低于饱和温度的数值一般为：中压炉50～60℃，高压炉60～70℃，超高压及以上锅炉70～80℃以上。
(2)汽包水位高水位时，由于水位计中水柱高度增加，散热损失增加，同时汽柱高度减少，蒸汽凝结量减少，因此，水柱的平均温度较正常水位时低，与饱和温度的差值增大；反之，低水位时，差值减少。据有资料介绍，水位变化±50mm 时平均水温较正常水位时约有16～24℃的变化。
(3)汽包压力的变动速度由于水位计有热惯性，所以水位计水侧平均温度变化滞后于汽包压力变化，滞后于汽包内饱和水温的变化，造成动态过程中产生偏差，表现在锅炉启动升炉过程中，水位计水侧平均温度竟低于饱和温度达120℃。
(4)表体结构、环境温度、风向等这些因素影响水位计散热条件，从而影响到水位计的温度。
综上所述，由于水位计管内水柱平均温度受诸多因素影响而变化，致使水位测量产生较大的、且变化十分复杂的偏差。与饱和温度差愈大，则偏差愈大，水位计显示值愈低于实际水位值。
b）汽包工作压力对水位计显示值的影响
汽包工作压力变化时，除了导致水位计管内水柱温度变化，即ρa变化而影响水位计水位显示值外，还会引起ρw,ρs的变化而使测量产生偏差。当汽包内实际水位H值一定时，压力愈高，│ΔH│值愈大；压力愈低，│ΔH│值愈小。如果汽包正常水位设计在H0 =300mm，而且运行时实际水位恰好在正常水位线上，则水位计的示值偏差：在压力P=4.0Mpa 时，ΔH=-59.6mm；在压力P=10Mpa 时，ΔH=-97.0mm；在压力P=14Mpa 时，ΔH=-122.3mm；在压力P=16Mpa 时，ΔH=-136.9mm。可见每升高1Mpa 时，一般连通管式水位计的示值偏差的变化平均为-6.5mm 左右。
3）汽包内实际水位高度对水位计显示值的影响
当汽包工作压力为一定值时，汽包内的实际水位也会对水位测量产生偏差，由公式(2-4)不难看出，偏差ΔH 与实际水位H 成正比，H 值愈大，│ΔH│值愈大；H 值愈小，│ΔH│值也愈小。根据上海锅炉厂提供的资料，对于亚监界锅炉(18.4～19.6MPa)在额定压力下，汽包水位计的零水位要比汽包内实际正常水位低150mm，也就是说，当H＝300mm 时，ΔH＝-150mm；当H＝0mm 时，近似偏差ΔH＝0mm；但是,当H＝600mm 时，近似偏差高达ΔH＝-300mm。如果将水位计下移150mm，虽然在正常水位处偏差消除了，但当高水位和低水位时，误差仍将很大。
综上可见，上述的基于连通管式原理的汽包云母水位计显示的水柱值不仅低于锅炉汽包内的实际水位，而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响，水位计显示值和汽包内实际水位间不是一个确定的、一一对应的关系。因此，即使我们按额定工况将水位计下移而使汽包正常水位时，水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时，仍将产生不可忽略的偏差。
四、 高精度云母水位计原理
高精度云母水位计是连通管式原理水位计的一种，它在传统双色水位计的基础上对表体进行改装设计。该系列水位计主要由光源箱、水位计表体、平衡管、排污管、水连接管、汽侧取样管、水侧取样阀门、汽侧取样阀门、冷凝罐等组成。
该技术利用冷凝罐冷凝后的饱和水置换水连接管内的水，加速水循环，使水连接管内的水接近饱和水温度，从而一定程度上消除水位计测量管内水柱密度对水位测量造成的偏差，使得水连接管内的水位在任何时候、任何工况下都接近汽包内的真实水位，达到较准确监视汽包水位的目的。
利用冷凝罐冷凝后的饱和水置换表体内的水，加速了表体内的水循环，由于置换的新水为饱和蒸汽冷凝后的饱和水，含盐低，这样减少了云母片结垢，延长了表体的排污周期，同时减少了表体的热变形，也就减少了泄漏，延长了表体的检修周期，降低维护费用。
由于它的显示部分是由两侧水连接管的多窗云母组成，相邻云母窗口有一定重叠度，因而消除了显示盲区。
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云母水位计原理示意图
特点：
1）高精度。由于加入饱和水置换装置，减小了测量误差，能够真实反映汽包中的实际水位。
2）无盲区。在水位计表体上设置两排多个窗口，使得水位只要在多窗云母上下边界内，水位即可清晰可见。
3）高清晰。不论从现场还是工业电视上看，汽红水绿非常清晰。
4）窗口组件选用35CrMo、45锻Ⅱ材质，使用寿命长，泄漏率低，维护费低。
5）光源采用特制的二极管冷光源，只需把220V电源和二极管灯分别接到变压器即可。发光均匀，耐高温，寿命长，整体光源调整方便。
6）自冲洗效果好，窗口不易挂垢，水位计左右侧管内水位相差小。由于本系列水位计与冷凝水接触面积大，而且在上部加装了冷凝罐，所以当蒸汽流经表体时，一部分变为冷凝水后可顺窗口表面冲洗观察窗，使窗口不易挂垢；远离连通管一侧的冷凝罐壁厚小一些，冷凝速度快，向水位计内补充饱和水水量大，使得左右侧管内水位差非常小。
五、应用效果
5.1水位计显示清晰，汽红水绿，便于观测；
5.2日常维护量小，基本免维护。
5.3满足《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规程》、《防止电力生产重大事故的二十五项要求》和《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（试行）》的要求。
5.4提高汽包水位测量和保护系统的可靠运行，从而防止锅炉满、缺水重大设备损坏事故的发生，降低了生产运行风险和生产成本。
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云母水位计改造后效果
参考文献：
[1]600MW机组汽包水位偏差分析及整改措施 刘卫国 黄河 孙长生
[2]靳允立,於国良.燃气-蒸汽联合循环机组控制策略分析 [J].热力发电,2015(6):25-30.
[3]候子良，刘吉川，侯云浩，吕锡江.锅炉汽包水位测量系统。