摘要：某厂在#5机组锅炉启动过程中，发生DCS高压汽包水位与就地双色水位计偏差过大，导致高压汽包水位异常上升，主汽温度的下降，威胁汽机安全稳定运行的不安全事件。本文以这次事件为切入点，从技术角度对燃机电厂汽包水位偏差补偿问题进行了全面细致的分析。
关键词：燃机；汽包水位；补偿；测试；技术
引言
燃机电厂正常运行涉及到诸多指标，其中汽包水位关系到机组是否能够实现正常运行，由于该指标事关安全性和经济性而受到重视，如果出现水位过高或者过低的情况，必然会对正常运行造成不利影响，甚至可能导致严重事故的发生，由此可知汽包水位必然保持在一定的范围，是锅炉安全运行的基础。
1锅炉汽包水位补偿原理
汽包水位测量方法主要有连通式、差压式、电容式、超声波式等。连通式主要用于就地水位测量，如我厂双色水位计和电接点水位计；差压式有单、双室平衡容器两种，主要用于将信号传输到DCS控制系统，用于水位自动控制和保护。
2 DCS控制系统逻辑功能块算法解析
2.1公式推导
该厂DCS系统采用南自美卓的MAX DNA控制系统，其水位补偿模块为LVLCOMP，其补偿的运算公式为：
Lvl =（D*（dRefCol–dDrmStm）–TransDiffPress）/ D*（dDrmWtr dDrmStm）
这里：TransDiffPress 变送器差压 = LvlIn * D *dTransWtr （对应于ΔP1）
D = 水位测量的上下测点距离 （对应于L）
Lvl = 水位线到水位低测点的距离除以上下测点的距离 得到的百
分数，以 0 – 1.0 表示。 （对应于H/L的百分数）
dRefCol 是参照水柱的密度 （对应于ρa）
dDrmWtr 汽包内饱和水的密度 （对应于ρW）
dDrmStm 汽包内饱和汽的密度 （对应于ρS）
将上述对应关系代入，
即H/L=[ L*（ρa-ρs）-ΔP1 ] / L（ρw-ρs），L约分
最终水位补偿公式：H=[ L*（ρa-ρs）-ΔP1 ] /（ρw-ρs），与差压法计算出的公式相同。
可见，DCS内的流量计算模块LVLCOMP的算法是正确的。
2.2 参数分析
该算法块有两个最主要的参数，即压力系数（PressMult）和参考水柱（levelType），两个参数共同作用于水位补偿计算，如果设置错误，将会对水位补偿的结果产生较大的影响，下面一一进行分析。
2.2.1 压力系数（PressMult）
压力系数（PressMult）提供单位转换应用。由于模块内部运算中，压力采用最的是国际单位制Kpa，如果外部输入的压力测量值单位是 MPa时，需要将该参数输入 1000，将单位转换为Kpa。系统单位协调一致时输入 1即可。
下面计算一下，该参数输入错误时，对汽包水位补偿的影响。
问题发生前，该厂的参数设置为：压力系数PressMult=1，参照水柱（levelType）选为了“Sat Ref Colm”，即饱和温度参照。
选取7：36：30工况，汽包压力为10.4MPa时，L=1050mm=1.05m，假设差压变送器差压值ΔP1 =400mmH2O（对应的补偿前的水位=L-ΔP1=650）.由于压力系数填写错误，对于模块而言，汽包压力相当于10.4KPa。查表得：
饱和水密度：ρW=989.9kg/m3，
饱和蒸汽密度：ρS=0.0681kg/m3
参照水柱密度=饱和水密度：ρa=989.9kg/m3
将上述数据代入公式H=[ L*（ρa-ρs）-ΔP1 ] /（ρw-ρs）
得H=[1.05（989.9-0.0681）-400]/（989.9-0.0681）=0.646m=646mm.
补偿量646-650=-4mm
由此可见，问题发生前，汽包水位的补偿量很小。
2.2.2参考水柱（levelType）
汽包内水位的测量比较参照水柱与汽包内饱和水、汽的重度，可以选择两种参照水柱类型：
（1）饱和的参照水柱“Sat Ref Colm”，温度接近汽包内的水温。
（2）环境温度的参照水柱“Amb Ref Colm”，没有保温。
下面，我们来分析一下压力参数（PressMult）正确填写1000，而参考水柱（levelType）选择错误的情况下，会产生什么情况。
同样选取当天7：36：30工况，汽包压力为10.4MPa，L=1050mm=1.05m，假设差压变送器差压值ΔP1 =400mmH2O（对应的补偿前的水位=L-ΔP1=650）.由于压力系数填写正确，对于模块而言，汽包压力相当于10.4MPa。查表得：
饱和水密度：ρW=681.76kg/m3，
饱和蒸汽密度：ρS=58.4kg/m3
参照水柱密度=饱和水密度：ρa=681.76kg/m3
将上述数据代入公式H=[ L*（ρa-ρs）-ΔP1 ] /（ρw-ρs）
得H=[1.05（681.76-58.4）-400]/（681.76-58.4）=0.408m=408mm.
补偿量=408-650=-242mm
2.2.3 正确补偿运算
如果进行正确补偿，即压力系数（PressMult）设为“1000”，参照水柱（levelType）设为“Amb Ref Colm”，既环境温度，参考温度（RefColumnTemp）设为25度。
查表得：
饱和水密度：ρW=681.76kg/m3，
饱和蒸汽密度：ρS=58.4kg/m3
参比水柱压力=10.4MPa，温度=25℃=273+25=298K，代入运算软件
得出参照水柱密度ρa=1001.68kg/m3
将测得数据代入公式H=[ L*（ρa-ρs）-ΔP1 ] /（ρw-ρs）
得H=[1.05（1001.68-58.4）-400]/（681.76-58.4）=0.867m=867mm.
补偿量=867-650=+217mm。
2.3 结论：正确进行参数设置的前提下，该厂DCS中的水位补偿模块“LVLCOMP”功能正常，满足现场实际需要
3就地双色水位计测量分析
3.1双色水位计测量原理
连通式液位计包括云母水位计和电接点水位计，这类液位计直观，便于读数，但它们共同的缺点是：当液位计与被测汽包中的液温有差别时，其显示的液位低于汽包中的液位，温度偏差越大，水位低的越多。而且此误差还会随汽包压力的改变而改变。
为了减小因温度差异而引起的误差，常将液位计保温，而筒壳顶部不保温，增加凝结水量。但因散热，水位计中的水温总比汽包中饱和水的温度低，因为不饱和水的密度大于饱和水的密度。
假设液位计中水的密度为ρ，汽包中饱和水密度为ρˊ，液位计中水位为Hˊ，汽包实际水位为H，饱和蒸汽密度为ρ″，液位计高度为L，则：
Hρˊ+（L-H）ρ″= Hˊρ+（L- Hˊ）ρ″
H= Hˊ（ρ-ρ″）/（ρˊ-ρ″）
3.2 双色水位计分析
下图是该厂#5机组高、低包双色水位计安装情况，其连通管及水位计均未进行保温，根据前面的分析可以判断，双色水位计显示的水位比汽包实际的水位低。
3.3 双色水位计偏差计算
以该厂#5机组当天工况为例进行计算：即汽包压力10.31MPa，变送器水位测量值为-101mm，经过补偿后水位值为+193mm，双色水位计测量值为-60mm左右。
（1）汽包压力10.31MPa，查表得知对应的饱和水密度为313℃，转换为开式温度为313+273=586K。代入计算软件，汽包中饱和水密度为ρˊ=684.34kg/m3
（2）现场用点温枪测量连通管温度，底部温度最高，为234℃；中间最低，为166℃.取中间值200℃，即473K，代入计算软件，算出液位计中水的密度为ρ=871.34kg/m3
（3）查表得知，10.31MPa时，饱和蒸汽密度为ρ″=55.43kg/m3.
（4）汽包液位量程为-745-305mm，双色水位计测量值为-60mm，液位计中水位为Hˊ=745-60=685mm.
（5）将以上4个数据带入公式，计算出汽包实际水位为H：
H= Hˊ（ρ-ρ″）/（ρˊ-ρ″）
=685×（871.34-55.43）/（684.34-55.43）=888mm，
零点迁移后，汽包实际水位=888-745=+143mm
与DCS补偿后的水位+193mm进行比较，仅相差50mm，已十分接近；（由于算法（2）存在大量估算因素，否则可能结果还要接近）
（6）就地水位计水位偏差=143-（-60）=203mm，即在当时的工况下，就地水位计比实际汽包水位偏低约200 mm
由此，可以得出结论：汽包就地双色水位计测量不准。
4结论
以上的分析论证，从技术角度全面分析了该异常事件，并得出如下的结论：（1）在正确进行参数设置的前提下，DCS中的水位补偿模块“LVLCOMP”功能正常，满足现场实际需要。（2）该厂问题发生时，由于“levelType”设置错误，参比水柱密度ρa与汽包饱和水密度ρw相同，导致补偿后的水位大大低于汽包实际水位。（3）汽包就地双色水位计基建期安装不规范，其连通管及水位计均未进行保温，导致测量结果偏差较大。
参考文献：
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[2]任龙飞，范高峰.一种锅炉汽包液位控制的方法介绍[J].工程技术：引文版，2016（9）.
[3]刘艳荣，王俊娜.锅炉汽包水位的自动控制应用研究[J].企业技术开发月刊，2016，35（16）.
论文作者:李光,陈怡宁,张千里
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/5
标签：汽包论文; 水位论文; 水位计论文; 密度论文; 水柱论文; 压力论文; 双色论文; 《电力设备》2018年第7期论文;