（贵州华电塘寨发电有限公司 贵州清镇 551400）
摘要：电站锅炉运行过程中汽包压力变化引起汽包水位迅速变化的“虚假”水位问题应该得到足够重视。该现象如果处理不当就会造成停炉或引发其他事故。“虚假”水位是不是锅炉汽包内的实际水位状态？“虚假”水位发生时仪表测量与实际水位是否一致？本文通过对锅炉运行过程中发生“虚假”水位的一些案例进行深入的分析研究，阐述了“虚假”水位的产生原因和表现形式，明确了“虚假”水位现象是锅炉汽包内的实际水位变化，而不是仪表测量错误，仪表监测的就是汽包内水位的真实变化，对锅炉安全、可靠运行有一定的指导意义。
关键词：“虚假”水位，汽包水位，汽包压力，锅炉给水调节，安全隐患
引言
汽包水位是反映锅炉能量–工质平衡的一个重要参数，受给水流量、蒸汽流量、锅炉燃烧、汽包压力、给水温度等多项参数变化的影响。对于汽包锅炉，在运行工况发生剧烈改变时，往往产生“虚假”水位现象，给系统的调节和保护带来很大困难，严重威胁锅炉及汽轮机的安全运行。
“虚假”水位是锅炉的真实运行工况，还是测量仪表测量错误？“虚假”水位现象发生过程是怎样的，其发生机制是什么？“虚假”水位发生时，汽包水位测量仪表测量本身是否存在故障？“虚假”水位会给锅炉运行带来哪些影响？正确认识这一问题，防止误操作和误动作的发生，是需要引起运行人员高度注意的问题。通常认为影响汽包水位变化的三个主要因素是：蒸发区输入与输出质量的不平衡、汽包压力的变化、工质内的蒸汽容积的变化。汽包和循环回路（下降管、下降管联箱和水冷壁）是一个相连通的整体。锅炉给水经省煤器进入汽包、下降管、下降管联箱和水冷壁完成一个循环。在循环过程中，其中的部分炉水被加热，变为饱和蒸汽和饱和水的混合物。当锅炉运行工况变化时，特别是压力发生变化时，工质的饱和温度发生变化，循环回路中饱和蒸汽和饱和水的混合物中的蒸汽容积将迅速发生变化，而此时工质的质量不变，汽包内的水位势必要迅速增高或降低，这是产生“虚假”水位的主要原因。“虚假”水位发生时，汽包水位变化与锅炉工质质量变化不一致，但“虚假”水位现象是汽包内的实际水位的真实存在的水位的变化，与测量仪表无关。当这种特殊工况发生时更加需要准确的测量仪表来真实反映锅炉汽包内的实际水位变化，也就是说对仪表的准确性提出了更高的要求。这些仪表并不受“虚假”水位的影响，能够反映这一特殊工况下汽包内的真实水位变化。由于“虚假”水位是一个短暂的水位变化，在该特殊工况下的操作与常规操作不同。例如，常规的水位升高，我们应减少给水量，但在“虚假”水位状态下的短暂的水位升高，我们不应该减少给水量，以维持给水流量与蒸汽流量平衡。为了提醒运行人员，我们把这种锅炉压力迅速变化引起的短暂的真实水位的迅速上升或迅速下降叫做“虚假”水位。在机组启停炉过程中、变负荷过程中、发电机与电网解列时、锅炉压火时、锅炉安全门动作、汽包对空放汽门动作、机组事故状态时，均会发生“虚假”水位的发生。“虚假”水位给机组运行调节带来困难，容易导致误操作事故。正确认识“虚假”水位产生的机理、现象，“虚假”水位发生时如何正确处置，对机组的安全、稳定运行有着重要的意义。
1 部分“虚假”水位的典型案例
四川某电厂2010年10月13日停炉过程中，由于空排汽门动作和运行人员误操作，锅炉先后发生了两次“虚假”水位现象。水位发生过程中的锅炉工况参数、相关设备动作情况、汽包内水位测量情况如下图1所示。
图1所中蓝色曲线是三台汽包内装平衡容器水位测量信号的三选中值，白色曲线是汽包水位高精度取样电极传感器的水位测量信号，红色曲线是汽包压力，紫色曲线是给水调节门后压力，黄色曲线是向空排汽二次门开到位信号，橘黄曲线是汽包事故放水一次门开到位信号，亮蓝色曲线是汽包事故放水二次门开到位信号。整个事件过程中，两种不同原理的五台水位测量仪表全工况、全量程范围内测量结果一致，通常我们认为仪表的测量结果是准确可靠的。
事件发生过程：20点00分，汽包向空排汽二次阀门打开，汽包压力从8MPa迅速下降，汽包水位迅速上升至超出仪表量程，20点09分，汽包向空排汽二次阀门关闭，此时，汽包工作压力保持在4.5MPa，汽包水位迅速下降至低于水位计最低量程。20点16分，汽包事故放水门打开，汽包压力迅速下降，汽包水位迅速上升，20点19分，汽包事故放水门闭合，汽包工作压力保持在4.33MPa，汽包水位迅速下降至低于汽包水位测量仪表的最低量程。
事件过程分析：汽包向空排汽门打开后，大量蒸汽由汽包向外输出，导致汽包工作压力迅速下降，工质的饱和温度迅速下降。受到锅炉蓄热影响，汽包和与之相连的循环回路（下降管、联箱、水冷壁）内的工质中的饱和蒸汽容积迅速增大，导致汽包和循环回路中的工质的整体体积迅速上升；同时，由于循环回路的工质容积不可变，导致大量工质进入汽包，汽包内的水位迅速上升。在这一过程中，从汽包排出的饱和蒸汽输出量增大，锅炉内的整体工质质量是减小的，但汽包水位迅速升高了，与实际的工质质量变化方向不一致，因此我们称这一现象中的汽包水位是“虚假”的。
当汽包向空排汽门闭合后，汽包压力停止下降，锅炉蓄热停止释放后，汽包和循环回路中的工质内的蒸汽容积将迅速减小，同时，由于循环回路的容积不可变，大量的工质由汽包流向循环回路，导致汽包内的水位迅速大幅度下降。同样，在这一过程中，从汽包排出的饱和蒸汽输出量减小，锅炉内的整体工质质量是增加的，但汽包水位却迅速降低了，这与实际的工质变化方向不一致，因此我们称这一现象中的汽包水位也是“虚假”的。
向空排汽门闭合后，由于锅炉内的整体工质质量减小，正确的操作是增加汽包的给水量。但由于运行人员没有正确的认识“虚假”水位的现象，在向空排汽门闭合后，水位迅速下降至低于汽包水位计最低量程时，错误的认为是测量仪表本身出现了问题，汽包水位不应消失的这么快，误判断汽包内的水，还在满水状态，导致误操作，将汽包事故放水门打开。此时，由于其汽包内的实际水位在汽包事故放水管口以下，此时的事故放水管排出的是汽包内的饱和蒸汽，其实际效果与汽包向空排汽门打开后的实际效果是一样的。同样，将事故放水门关闭后，其实际效果也与汽包向空排汽门关闭的实际效果是一样的。这样事故放水门的打开与关闭和汽包向空排汽门的打开与关闭对汽包水位的影响是完全一样的，也产生同样的“虚假”水位现象。
2 “虚假”水位模型分析
我们通过对汽包、下降管、水冷壁内的汽水工质循环过程进行合理简化，依据物质及能量守恒定律，建立以微分方程形式描述的汽包水位动态模型，当锅炉稳态运行时，仅考虑给水流量与蒸汽流量平衡，该模型即能够反映汽包水位的变化，但当锅炉工况发生剧烈变化时，该模型引入锅炉热量信号和汽包压力信号修正后，能够正确反映汽包水位的变化。从模型分析中我们可以看出锅炉工况剧烈变化时的“虚假”水位主要是受到锅炉燃烧状态和汽包压力变化影响产生的。
我们将汽包、下降管、下降管联箱及水冷壁这一工质循环回路作为研究对象，并将工质回路进行简化，建立相应的动态模型。简化后的循环回路示意图如下图2所示：
图2中简化后的工质循环流程如下：给水（流量 比焓 ）进入汽包，被一部分饱和蒸汽（流量 比焓 ）加热，二者混合后成为饱和水（比焓 ）进入汽包水面以下部分，同汽包内一部分饱和水（流量 ）汇合后进入下降管和下降管联箱（流量 ），被水冷壁有效吸热（ ）加热后分为两部分，一部分仍以饱和水（流量 ）的形式循环，另一部分（流量 ）变为饱和蒸汽。饱和蒸汽（流量 ）在汽包内，一部分（流量 比焓 ）流出汽包，另一部分（流量 比焓 ）用来加热给水。
根据以上简化，利用物质和能量守恒定律可得出相应的虚假水位简化模型[1]。我们可以看出，锅炉热量和汽包压力变化引起的工质中蒸汽容积变化是“虚假”水位现象产生的主要原因。
3 仪表测量本身不存在“虚假”水位，不受汽包内“虚假”水位影响
“虚假”发生时，测量仪表是否发生故障，测量本身出现错误？有观点认为在“虚假”水位发生时，汽包压力迅速降低，差压式水位计的参比水柱内的水将会迅速蒸发，导致差压水位计仪表测量故障，仪表不能正常工作，测量出现错误。但通过对“虚假”水位发生时的具体现象和实际运行数据分析，这一观点是错误的。“虚假”水位对仪表测量并不存在明显的影响，或者说仪表本身并不存在“虚假”水位的问题。
图3是通辽某电厂安全门动作时一台内装平衡容器和三台外装平衡容器的测量曲线。
从图4、5中可以看出，内装平衡容器的参比水柱在汽包内，外装平衡容器的参比水柱在汽包外，两种差压水位计的结构不同。安全门动作，“虚假”水位发生过程中，汽包内的水位出现了短暂的快速上升和下降（图3），内装平衡容器和外装平衡容器这两种差压水位计的曲线趋势和表现完全一致。结合图1中“虚假”水位发生时，连通器测量原理的电接点水位计和差压原理的内装平衡容器这两种不同原理的测量仪表的测量曲线完全一致这一现象，我们看出当“虚假”水位发生时，差压水位计的参比水柱内的水并没有大量蒸发。仪表本身不存在“虚假”水位引发的故障。“虚假”水位发生时，我们仍然能够通过汽包水位测量仪表，准确、可靠的监测汽包内的真实水位。
4 “虚假”水位的处置措施
根据“虚假”水位的产生机制、表现形式，并结合相应的实践经验，在“虚假”水位发生时，及时发现“虚假”水位，认清“虚假”水位的本质，根据“虚假”水位的特性采取正确的处置措施，防止误操作和保护误动作是十分必要的。部分易引发“虚假”水位的工况及相应的处置措施建议如下：
锅炉汽包安全门动作：安全门动作时汽包压力迅速下降、事故报警及声光报警灯发出安全门动作信号。此时应正确判断出“虚假”水位现象。汽包水位变化是一个先上升后下降的过程，安全门打开后，水位迅速上升，当锅炉蓄热释放结束后，水位会快速下降，这时应视蒸汽流量增加及时增大补水，维持蒸汽流量和给水流量平衡。在正常运行时应控制好锅炉燃烧，尽量不要让压力超出安全门打开压力整定值运行，当发现主蒸汽压力上涨过快时，可通过增加负荷或减少煤量，削弱燃烧来控制。
汽轮机冲转：汽轮机蒸汽流量增加，主蒸汽压力下降，易导致“虚假”水位的发生，此时的汽包水位变化时先上升后下降的一个过程，当蒸汽流量增加，主蒸汽压力下降后，汽包水位迅速升高，产生“虚假”水位，待冲转结束后，由于蒸汽流量增大导致汽包亏水，水位下降。在冲转过程中，应及时判断“虚假”水位，并根据经验，适当调整冲转前的汽包水位，并在冲转结束后，及时加大给水流量，保证蒸汽流量与给水流量匹配，汽包运行水位正常。
并网等负荷变化速度过快的工况：当升负荷或降负荷速度过快时，主蒸汽流量变化过快，将导致汽包压力发生相对快速的变化，循环工质中的饱和蒸汽容积将发生变化，导致“虚假”水位发生。当并网时，应合适选择机组带多少初负荷运行，因初负荷决定了主蒸汽流量的多少，并网后要控制升负荷的速度，防止升负荷速度过快，产生“虚假”水位，同时要防止给水量增加不及时，导致水位下降。监盘人员应全盘掌握给水流量、蒸汽流量、给水压力、汽包压力、旁路开度，并加强监视水位变化，发现问题及时调节干预。
锅炉压火恢复：压火时炉内还有很大的蓄热量，当引风机启动，炉内工质的体积迅速增大，水位快速上升。锅炉压火恢复时，应维持汽包水位在一个相对较低的水位运行，并合理强制事故放水门关联逻辑。
5 结束语
机组受“虚假”水位现象的影响，难以控制。本文结合实际经验和模型分析，通过对“虚假”水位现象、产生机制、处置方法进行分析研究，指出“虚假”水位这一短暂的水位变化是汽包内实际水位真实变化，与测量仪表无关；“虚假”水位发生时，测量仪表不会受到影响并发生故障，仪表本身不存在“虚假”水位。“虚假”水位的产生是一个复杂的物理过程，明确判断现象，并及时采取有效措施，防止误操作和误动作，才能实现汽包水位的正确监测与控制。
参考文献：
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[4]李拥军，贺莉岩，锅炉汽包虚假水位改进方案，化工设备与防腐，2004。
论文作者:丁念
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：汽包论文; 水位论文; 虚假论文; 工质论文; 锅炉论文; 蒸汽论文; 测量论文; 《电力设备》2017年第8期论文;