鍋爐等離子水箱水位抗干擾動態報警方法

各種磁翻板液位計的液位報警一般都是采用高低限報警方法，當液位變化達到設定的高值或低值時發出報警信號。這種報警方法報警設定值一般都與正常運行值距離較大，系統發生泄漏時，需要經過較長時間才達到報警值。如果正常運行時液位存在較大波動，就更無法及時判斷出系統泄漏。因此，有必要開發一種抗干擾能力強、反應靈敏的液位報警方法，在泄漏初期能快速判斷出液位變化，發出報警信號，提醒運行人員及時處理。

1 設備概況

海口電廠 #8、#9機組鍋爐型號為 HG1018/18.6－YM23型，亞臨界、一次中間再熱、自然循環汽包爐、單爐膛、平衡通風、四角切圓燃燒器，冷一次風正壓直吹式制粉系統，設計燃料為煙煤。底層四個燃燒器安裝了等離子點火裝置 , 實現鍋爐的無油點火啟動 , 在低負荷和事故情況下也可進行鍋爐助燃。由于等離子點火裝置工作在極高溫度環境中，因此配套有一個閉式循環冷卻水系統。等離子循環冷卻水本身在冷卻水泵出口設有一個使用機組閉式水的冷卻器。磁翻板液位計為翻板式，遠傳磁翻板液位計為超聲波式。機組 DCS 控制系統設置了等離子水箱水位高低限報警，高限報警值1500mm，低限報警值1000mm。

2 現狀調查

2.1 等離子冷卻水泄漏工況

等離子冷卻水泄漏過程。2016年9月22日 #8爐#1角等離子裝置內部發生泄漏（表1）。泄漏第一個小時水箱水位下降只有6 mm，從水位曲線幾乎看不出水位變化，兩個小時左右一次風管阻力開始明顯上升，3小時后泄漏擴大，水位快速下降，200分鐘后水位才達到1000 mm 低限報警值。由于報警較慢，運行人員未能及時處理，造成了一次風管的嚴重堵塞，需要停運磨煤機進行處理，對機組的安全運行影響很大。

泄漏工況分析。由于泄漏發生在等離子裝置內部，初期泄漏量小時沒有往外冒水，水箱水位下降又緩慢，運行人員就地檢查和表盤監視都很難發現，必須靠水箱水位及時發出報警提示運行人員。發生泄漏后水位報警反應慢，主要原因是運行水位控制過高，距低限報警值有150mm，需要很長時間才能降至報警值。水箱運行水位與報警值的差距大是影響報警反應速度的關鍵因素。要提高水位報警的反應速度，必須減小正常運行水位和報警值的差值。根據冷卻水泄漏對設備的影響情況，為了防止泄漏造成一次風管堵塞和等離子燃燒器燒損，必須在一小時內發現冷卻水泄漏，即要求正常運行水位與報警值的差值控制在6mm 以內。

2.2 等離子冷卻水正常運行工況

正常運行水箱水位瞬時波動情況。等離子水箱水位正常運行中一直處于高頻率的大幅波動狀態，瞬時波動zui大幅度有30mm。檢查發現，水位瞬時波動大的主因是水箱頂部回水對水面有較大沖擊，其他信號干擾對水位瞬時波動影響很少發生。正常運行水箱水位長周期波動情況。正常運行中水箱水位除了高頻率的波動，還存在長周期波動，水位平均值長周期波幅約12mm。水位的長周期波動主要是運行工況變化引起冷卻水溫度升降造成。由于等離子冷卻水本身有一個使用機組閉式水的冷卻器，機組閉式水溫度一天的變化只有3℃左右，因此，除等離子投運時冷卻水溫度急劇上升外，其他工況對冷卻水溫度影響較小，對水位影響正常都不超過1mm，可以忽略。等離子投運是影響水箱水位長周期波動zui大因素，四個等離子全部投運水位上升約9mm。

正常運行水箱水位波動總結。正常運行中，由于水箱回水沖擊和等離子投運等多種因素影響，等離子水箱水位一直處于大幅波動狀態，瞬時波動和長周期波動疊加，總波動幅度zui大有42mm。因此，水位下降42mm 可能是正常波動，不能確定是否發生了泄漏，這嚴重影響對發生泄漏的及時判斷。在這樣的條件下，為防止頻繁的誤發報警，運行水位與報警值的差值不能設置小于42mm。因此，要達到一小時內判斷出冷卻水泄漏而發出報警的目標，必須設法去除正常運行中非泄漏因素引起的水位波動干擾，把水位波動幅度控制在6mm 以內。

3 實施對策

3.1 去除水位波動干擾

去除水位瞬時波動干擾。水箱水位瞬時波動大主要是回水管回水對水面沖擊引起，可通過把回水管改至水面以下來消除影響。由于設備改造需要退出等離子系統，還需增加硬件成本，因此改在DCS 系統中通過軟件方法來實現。軟件方法方案簡單、容易實施，主要采用低通數字濾波和速率限制等 DPU 組態模塊功能。這樣的方法對所有因素引起的瞬時波動都有效果，是去除水位瞬時波動干擾的非常好的方案。在 DPU 組態中首先在水位信號輸入功能塊（XAI）上加上低通濾波，再采用速率限制器（RatLmt）進一步去除干擾信號。由于濾波和速率限制器設定的速率遠大于泄漏時水位下降速率，因此處理后的水位曲線能正確反應泄漏時水位的下降，對報警靈敏度沒有影響（圖1），經過濾波和限速處理后水位的波動幅度控制在 ±3mm 內，效果理想。

去除水位長周期波動干擾。對水位長周期波動影響zui大的是等離子投運。等離子投運后，冷卻水溫度上升較多，水箱水溫、等離子裝置進水溫度和回水溫度偏差很大，通過水溫變化計算冷卻水膨脹量難度較大，而且水箱位置還需加裝溫度計，不建議采用。等離子運行參數中與冷卻水溫度zui相關的是等離子電流，采用四個等離子裝置總電流進行計算修正能較好的匹配水位變化量。由于等離子投退時電流是瞬時變化到位，而冷卻水溫度升降較慢，水位變化有約40分鐘的慣性。因此，在 DCS 組態中利用電流進行水位修正時，采用了速率限制器來實現40分鐘的慣性（圖2）：等離子電流修正前等離子運行時水位明顯偏高約9mm，修正后的水位等離子投退對水位完全沒有影響，效果非常理想。

3.2 針對運行水位控制過高的對策

通過數字濾波和工況修正后，水位曲線已變得很平穩，總的波動幅度正常不超過 ±3mm。在此基礎上把運行水位與低限報警值的差值控制在5~6mm，就能達到發生泄漏時一小時內發出報警信號的目標。但原報警低限值是1000mm，運行中水箱水位要嚴格控制在1005~1006mm，操作難度較大，很不靈活。為此改用動態報警值的報警方法，報警值不再是固定的高低限值而是一個動態的幅度值，這里設定為 ±5mm，與正常運行水位比較，水位升降幅度達到5mm 就發出報警信號，這樣就避免了運行水位高低對報警反應速度的影響（圖3），報警反應時間可從原來的3個多小時縮短到約1小時。

4 集成的抗干擾動態報警方法

4.1 集成的抗干擾動態報警方法

綜合以上對策集成一個總抗干擾動態報警方案如圖4。

組態功能及參數說明 ：等離子水位信號輸入功能塊 XAI 加上低通濾波（系數 Flt=30s）；濾波后的水位信號再采用速率限制器 RatLmt（限速1/min），進一步去除信號干擾 ；四個等離子電流累加后（總電流約1280A），首先通過速率限制器RatLmt 實現40分鐘的慣性（限速32/min），使之與水位變化的慣性匹配，然后在功能塊 Add（系數K2＝-0.007）中對前面處理過的水位信號進行修正，zui大電流1280A 對應修正值-9mm，zui后得到了波動很小、變化平緩的基準水位曲線 ；為提高報警精度，后面的磁翻板液位計計算都使用移動平均值 ；“當前水位”通過 Delay 模塊取60s 移動平均值，可減小水位波動的影響 ；“正常運行水位”通過 TSum 模塊取一小時前的小時平均值，以避免泄漏對小時平均值的影響，同時通過時間循環模塊 CycTime 每小時對其進行更新 ；“當前水位”與“正常運行水位”通過功能塊 Add 計算差值，用 HLAlm 判斷偏差達到±5mm 時，發出水位上升 / 下降報警信號 ；“報警復位”按鈕 D/MA 通過置“正常運行水位”為當前統計值后，消除磁翻板液位計算偏差，實現報警復位。

4.2 抗干擾動態報警方法試驗效果

方案完成后進行了現場驗收試驗，微開水箱放水門放水，約一分鐘后水位均值下降超過5mm，報警信號發出，達到設計效果。

5 結語

鍋爐等離子水箱水位抗干擾動態報警方法，在DCS 系統中利用軟件方法，通過數字處理，去除非泄漏因素對水位波動的干擾，再采用動態報警方法，在系統發生微小泄漏的初期就能及時發出報警信號，既提高了報警反應速度又避免了頻繁發誤報警。此報警方法抗干擾能力強、反應靈敏，可廣泛應用于類似的磁翻板液位計，具體較高的推廣使用價值。