汽包液位設計選型及控制的探討

 

鍋爐汽包液位的準確測量、穩定控制和可靠運行是鍋爐安全運行的重要保證。液位計選型、安裝不當，容易發生液位計炸裂、高溫水汽外漏、液位測量不準甚至失靈。汽包液位過高或急劇波動會引起蒸汽品質惡化和帶水，造成受熱面結鹽，嚴重時會導致汽輪機水沖擊振動、葉片損壞; 液位過低會引起排污失效，爐內加藥進入蒸汽，甚至引起下降管帶汽，影響爐水循環工況，造成爐管大面積爆破。因汽包液位引發的惡性事故至今仍時有發生，或者是險情不斷。

 

1 鍋爐汽包液位測量

1. 1 汽包液位計

汽包液位計的設計，一般選用石英玻璃管液位計和差壓遠傳液位計。但也有人認為: ①磁翻轉液位計盡管是間接觀察液位，但耐高溫高壓，全金屬結構，壽命長、密封性好、不易泄漏; ②高壓玻璃板式液位計因價格昂貴、泄漏點多、維修困難而應逐步退出中壓鍋爐液位計領域; ③電接點液位計在長期使用中易受腐蝕和結垢而不可靠; ④差壓變送器特別容易受鍋爐汽包內壓力和蒸汽量變化影響，須經常校正零點和量程，維護工作量多，甚至認為此種測量方式的不確定因素和工作量都不能滿足生產和安全需求; ⑤電容式液位計在使用過程中，電容測量極板容易受水質結垢影響，且鍋爐在運行過程中，蒸汽量、溫度及壓力隨工況變化而快速變化，水和汽混合體的介電常數也是時刻變化，采用人工補償的方式不能從根本上消除，容易造成虛假水位現象［1］。

 

有人建議: 以現場玻璃管液位計為基準，增加視頻監控和遠傳顯示功能，滿足在主控室監視鍋爐汽包水位的真實情況; 取消電接點液位計改成磁質伸縮鍋爐汽包液位計; 取消差壓鍋爐汽包液位計，改成智能導波雷達液位計; 使用智能電容式液位計，能夠對液相介質介電常數變化、汽相介質介電常數變化和溫度變化同時進行精確補償，具有全工況條件( 鍋爐啟、停、排污、事故工況等) 下液位準確連續測控功能，耐高溫、高壓、長壽命，不存在“假水位”測量。

 

1. 2 汽包液位測量及控制論文

有關汽包液位測量及控制的論文至今都有在發表。比如《淺析鍋爐汽包液位模糊 PID 控制的應用》指出模糊 PID 控制響應速度迅速、超調量更小、跟蹤精度更高［2］; 《化工裝置鍋爐汽包液位儀表選型與計算》提供了結構補償和軟件補償兩種液位補償方式［3］; 《基于單神經元自適應 PSD 的汽包液位控制》能根據汽包的工況動態整定控制參數、改善汽包液位的動態和靜態特性［4］。對汽包液位的控制，zui為常見的說法是采用三沖量控制，也有采用xianjin控制系統控制的。

 

1. 3 相關規程規定

《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》要求每臺鍋爐至少應安裝 2 個彼此獨立的水位表。規程沒有對鍋爐汽包使用什么樣的現場液位計做出規定，也沒有對控制策略做出硬性說明。但每臺蒸汽鍋爐鍋筒( 殼) 至少應當裝設兩個彼此獨立的直讀式水位表，符合一定條件時鍋爐也可以只裝一個直讀式水位表。規程對汽水連接管內徑、長度、坡度等作了相應規定，對亞臨界鍋爐水位表要求對液體密度差引起的測量誤差進行修正。

 

《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定》是汽包液位計的專項規定，雖然是針對高壓以上的鍋爐，但其內容具體、詳細，操作性強，重視安全，完全可作為中壓及以下鍋爐參考。規定明確說明，汽包須配置就地水位計、差壓式水位測量裝置、電極式水位測量裝置，對差壓式水位計還有偏愛之詞。規定編制的說明部分進一步指出: 電極式水位測量裝置技術已有較大突破，大量長期的應用已經證明其安全可靠、能消除汽包壓力影響、水位全程高精度的測量; 平衡容器技術的進步已經保證差壓式水位計測量精確、穩定，并確保啟動時投入水位保護。規定對安全給予了充分重視和具體的闡述，比如汽包水位保護和控制功能分開、通道獨立、電源獨立等。對控制策略則沒有敘述。

 

2 汽包液位計的應用實踐

威頓公司有 2 套 400 kt /a 硫磺制酸裝置。其中HRS 1. 0 MPa 汽包 2 個，各配置玻璃板液位計 1 臺、液位高高觸點報警 1 臺、差壓液位計 1 臺。余熱鍋爐 4. 0 MPa 汽包 2 個，各配置石英管雙色液位計 2臺、雙室平衡容器差壓液位計 2 臺。汽包液位計運行及改造情況如表 1 所示。

圖 1 是同一個 4. 0 MPa 汽包的兩個差壓液位計的對比，一臺改造一臺未改造。通過趨勢的追蹤分析，表明傳統差壓法液位可能會因設計、安裝等方面的不足，出現鍋爐啟動期液位測量失靈的現象( 圖 1 中 100%液位實為虛假液位) ，這個現象往往又因汽包壓力的上升而自動消失。實例中兩液位測量的重合點起始于 “A 點”，對應的壓力值約為0. 135 MPa。由于該現象具有迷惑性，導致汽包升壓過程中液位測量問題長期得不到應有的重視和解決，特別是相關設計規范的應有調整。

蒸汽壓力波動對汽包液位的影響如表 1 和圖 2所示。測試方法: 將汽包壓力先提高，然后突然全開主蒸汽管調節閥( 并汽母管本身帶壓) ，液位控制從自動轉為手動，然后觀察相關參數的變化。測試結果表明，蒸汽流量在一定范圍內波動，并不會對液位測量立即產生嚴重的影響，實例中的液位變化在 38 mm 以內。液位測量也沒有出現明顯的時滯，這或許是得益于液位計的整改。

3 問題探討

1) 玻璃板液位計壽命長、免維護，遠比石英管液位計安全可靠。雖然其價格貴，但從安全角度考慮，還是盡量選用。

2) 差壓液位計也是壽命長、免維護、安全可靠的汽包液位測量儀表。因其涉及面廣，容易受設計、安裝的影響而讓人誤解。導壓管建議能設計成無須伴熱的zui好。如果采用蒸汽伴熱、電伴熱，伴熱管與導壓管之間宜先采用石棉繩等保溫材料預先隔離一層。如果采用蒸汽伴熱，zui好同時施工四氟電伴熱以備不時之需。由于排污閥使用幾次后可能會出現關閉不嚴，建議終端配備容易拆裝的堵頭。

3) 對汽包液位計，建議優先選擇玻璃板液位計、差壓法液位計、電接點液位計。這些都是經過大量用戶、長期實踐運行驗證過的、性價比高的液位測量方式。從測量原理上講，磁翻板液位計、電容液位計、浮筒液位計和雷達液位計相比更不容易實現長期、穩定、可靠、免維護運行，如果已經配備了，建議先作為備用。《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定》中說，選用的液位計“應是xianjin的且有成功應用業績和成熟的”，再換用對電極式

液位計的要求來說，“zui好是經過大量用戶長期的實踐證明安全可靠、能消除汽包壓力影響、全程測量精確度高、能確保從鍋爐點火起就能正常投入保護的產品”。

 

石英管液位計雖然不是太可靠，但便宜。也有公司對其做了大量的研究和優化，比如采用厚壁特級石英管，表體內增加了減少石英管氣蝕的裝置等。

 

4) 差壓法測液位所用的管閥件很容易出現內徑小于 8 mm 的情況，不一定都會影響正常測量，但有風險。行業設計及產品供給上應及時響應這一要求。

 

5) 汽包液位是否需要補償，以及是否采用復雜的補償，要視現場具體情況而定。往往一些補償的假設條件在現場并不成立。只要汽包冷熱態下的液位誤差值在規定范圍內，能不補償就不補償。變送器遷移量宜參照直讀式液位計進行適當調整。

 

6) 汽包液位是否需要采用三沖量等復雜的方式去控制，也要視現場具體情況而定。參變量越多，控制受到的干擾因素就越復雜，控制的穩定性和可靠性也可能反而下降。再如，因汽包失壓導致虛假液位等一系列不良的影響，zui穩妥的解決辦法可能是在汽包出口增加壓力調節閥。