（1.神华国华（北京）燃气热电有限公司 北京 100025； 2.神华国华余姚燃气发电有限责任公司 宁波 315400）
摘要：通过分析三压余热锅炉水位启动期间水位测量问题及水位控制的难点，提出全过程水位自动控制策略，实现了机组水位全过程进行自动控制的目的，保证APS的顺利实施。
关键词：三压；余热锅炉；水位；APS
0引言
目前由于天然气量制约和电网调峰所需，国内大多数联合循环机组采用频繁启停运行方式，使得运行人员的操作强度巨大；随着国内越来越多的“二拖一”联合循环电站陆续开工和建成，“二拖一”联合循环机组实现一键启停的要求也就变得越来越迫切。而APS系统能否实现一键启停主要在于底层策略是否完善，尤其是全程水位的自动控制。
差压水位变送器因其工作原理问题，在锅炉冷态未起压时，测量值不准，无法用于正确的控制及保护，通常情况下采取手动控制汽包水位并将保护退出，这样无法实施冷态启动时全过程的汽包水位自动控制，严重影响APS的实施；同时由于燃机具备启动快及中压汽包容积小，导致中压汽包水位波动大和解并汽汽过程中水位波动大等问题；因此有必要研究合理的启动全过程自动水位控制策略，为机组的安全运行和APS的实施提供保障。
1机组概况
神华国华（北京）燃气热电设计为1 套“二拖一”燃气蒸汽联合循环发电供热机组。“二拖一”机组包括2 台东方电气/日本三菱公司的M701F4 重型燃气轮发电机组、2 台东方电气集团东方日立锅炉股份有限公司生产的BHDB-M701F4-Q1 型余热锅炉和1 台东方电气集团生产的大蒸汽轮发电机，整套“二拖一”联合循环机组在全年平均气温纯凝工况下（保证出力）的发电出力为950.98MW。
余热锅炉具有三个不同压力等级的相对独立的汽水系统：
低压系统：凝结水（给水）进入凝结水加热器，凝结水加热器出口的水经调节阀后进入除氧头。除氧后的水直接进入低压锅筒。低压锅筒内的饱和水由下降管引入低压蒸发器，蒸发器出口的汽水混合物回到低压锅筒形成自然循环；低压锅筒的饱和蒸汽，一部分用于除氧器除氧，另一部分进入低压过热器，然后进入汽轮机低压缸。
中压系统：来自中压给水泵的水流经中压省煤器、调节阀进入中压锅筒,中压省煤器出口留有去FGH接口，中压锅筒内的饱和水由下降管引入中压蒸发器，蒸发器出口的汽水混合物回到中压锅筒形成自然循环；中压锅筒内的饱和蒸汽进入中压过热器，然后进入冷再管路与高压缸排汽混合后进入再热器，最后进入汽轮机中压缸。
高压系统：来自高压给水泵的水经高压给水调节阀、高压一、二、三省煤器进入高压锅筒；高压锅筒内的饱和水由下降管引入高压蒸发器，蒸发器出口的汽水混合物回到高压锅筒形成自然循环；高压锅筒内的饱和蒸汽进入高压一、二级过热器，然后进入汽轮机高压缸。
2三压汽包水位控制原理
汽包水位控制通常采用三冲量控制系统，给水流量、蒸汽流量以及汽包水位综合成为一个水位设定信号，用来控制给水调节阀的开度。与常规锅炉不同的是适应燃气轮机机组的快速启动，在蒸发量小的部分负荷运行时，汽包水位控制采用单冲量控制。在启动时，将水位控制的设定值切换为低的设定值，达到某蒸汽流量以上时，再切换到正常设定值。另外启动水位也不是常数，而是汽包压力的函数。 在达到特高水位时，通过排污调节阀来调整水位，作为水位控制的辅助手段。
3实现启停全过程水位自动控制存在的主要问题
3.1冷态下差压水位变送器测量不准确问题
差压水位计工作原理：差压式水位表是利用比较水柱高度差值的原理来测量汽包水位的。测量时，使用差压计将汽包水位对应的水柱所产生的压强与作为参比的水柱所产生的压强进行比较，根据测得的差压值转换为汽包的水位。参比水柱由平衡容器中高度恒定的水柱形成，比较的基准点是水位表水侧取样孔的中心线，由于参比水柱的高度是保持不变的，测得的压差就可以直接转换为汽包水位。参比水柱的高度就是平衡容器内的水平面到水位表水侧取样孔的中心线，在平衡容器安装完成后，参比水柱的高度就是一个定值，而用来测量差压的差压变送器的最大量程就应该等于参比水柱高度所对应的压强。在冷态启动初期由于无汽水凝结，差压水位变送器平衡容器内无水时导致测量不准；
3.2锅炉汽水膨胀速度快导致汽包水位高问题
3.3蒸汽压力变化对汽包水位的影响
中压汽包设计容积偏小，水容积和热容量偏小，汽包压力的变化在启停阶段容易造成“虚假水位”的出现，极易导致水位波动大并接近跳闸水位，使水位控制难度增大[1]；
3.4并解炉过程中水位波动大
二拖一联合循环机组启停机时涉及到解并炉，如解并炉控制策略不完善往往会导致汽包水位大幅度波动。
4启动全过程水位控制策略研究
解决上述四个问题，即可实现余热锅炉启动全过程汽包水位自动控制；
4.1冷态下差压水位变送器测量不准问题解决方案
4.1.1三种解决方案
方案一：启动前锅炉上水时，对差压水位变送器平衡容器进行人工灌水；但部分电厂差压水位变送器不具备人工灌水接口，只能采取锅炉汽包预先上满水再放水的方法来使差压水位变送器平衡容器灌满水；
方案二：在燃煤锅炉，启动初期退出水位保护，人工手动根据就地水位计指示控制水位，待锅炉有一定压力后，平衡容器内蒸汽冷凝成水，水位计即能恢复正常工作，再投回水位保护，并可投入自动调节；
方案三：增加内置式全量程水位计，如磁致伸缩式水位计；在启动初期用磁致伸缩水位计代替差压水位计实现自动控制，待锅炉具备一定压力后，判断差压水位计工作正常后无扰切换到差压水位变送器控制，并投入汽包水位保护；某燃气电厂高中低压汽包各配有一套磁致伸缩式水位计（4号水位计），具体方案如下：
（1） 高压汽包升压过程中，压力在1.5MPa以下，以4号水位计的输出值作为水位测量输出值，汽包水位控制根据该值进行，水位保护自动解除，水位保护投入根据差压水位计投入而自动同步投入；
（2） 高压汽包压力升至1.5MPa时，差压水位变送器三取中输出值和4号水位计输出值偏差在±50mm内，水位测量输出值自动切换至差压水位变送器，水位保护自动投入；
（3） 高压汽包压力升至1.5MPa时，差压水位变送器三取中输出值和4号水位计输出值偏差在±50mm以外，发4号水位计测量偏差大报警，不进行水位计自动切换，但可由运行人员进行手动切换；或等到水位测量偏差正常后进行自动切换并投入水位保护；
（4） 高压汽包在降压过程中，压力降低至1.5MPa时，差压水位变送器三取中输出值和4号水位计输出值偏差在±50mm内，自动切换到4号水位计输出，水位保护同时自动退出；
（5） 高压汽包在降压过程中，压力降低至1.5MPa时，差压水位变送器三取中输出值和4号水位计输出值偏差在±50mm外，发4号水位计偏差大报警，不进行水位计自动切换，但可由运行人员手动进行切换，或到偏差符合要求后自动切换，水位保护跟随差压水位计自动同步退出；当压力降到1.5MPa以下，同时对应燃机已熄火时，自动切换到4号水位计；
（6） 中压汽包水位计切换方式和高压汽包类同，切换时的压力定值为0.5MPa，水位偏差仍为±50mm，但切换时差压水位变松器输出值应在报警值范围内,即在±250mm范围内；
（7） 低压汽包水位计切换方式和高压汽包类同，切换时的压力定值为0.1MPa，水位偏差仍为±50mm；
4.1.2三种方案比较
方案一是目前在余热锅炉上已经有应用的控制策略，但该方案增加了人工工作量，若采取上满水再放水的方法，还增加了除盐水损失；
方案二是启动初期全靠人工控制，不能实现全过程自动控制，且无远方水位指示，可能导致锅炉缺水或满水事故，同时也难实现机组的一键启动；
方案三采取了新型的水位计，避免了其他两种方案存在的问题，但增加了设备投资；目前一套可应用于高温高压的磁致伸缩式水位计价值近二十万，若余热锅炉每个汽包均采取该水位计代替差压水位变送器则需要9套水位计，因此可在每个汽包上各装设一套应用于启动初期；
上述方案一和二是目前余热锅炉常用的两种控制策略，方案三在神华国华（北京）燃气热电工程上已开始应用，并得到有效验证。
4.1.3特殊问题及优化
（1）在实际应用中发现，停炉后由于汽水系统内漏严重，导致差压水位计平衡容器内缺水，这样在温热态启机上水时，压力达到液位计切换条件，而液位偏差却比较大，或是发生液位计的突然切换；
（2）机组启动上水有时差压液位计测量比较准有时不准，这样停机后一律切为4号水位计就不合理了，在差压液位计准确的情况下还是优先使用差压液位计；
（3）为了适应各种工况，将控制策略做了如下修改：启动上水程序时自动选择为4号液位计，但可人工进行切换，如选择的为4号水位计，则启动过程中切换条件改为燃机点火后延时1800s且液位偏差<50mm， 停机后不进行液位计的切换，保持为差压液位计。
4.2启动初期汽水膨胀快问题
针对启动初期汽水膨胀快问题，余热锅炉厂家一般均提供启动水位，该水位低于常规的正常运行水位，并根据燃机状态进行水位定值的切换；其控制策略仅仅考虑到燃机状态，而实际上锅炉启动时水位的膨胀情况主要由其压力变化决定的，因此采取跟随压力变化而变化的单冲量水位自动控制更加合理，启动过程中，随着汽包压力的升高，水位自动控制值也逐渐升高，最终无扰切入正常三冲量水位控制；同时采取根据水位设定值变化而变化的水位高自动放水控制，自动放水一般采用锅炉定排调节阀或电动阀来实现，可在水位高事故放水动作前提前放水；
4.3蒸汽压力对水位的影响问题
高压及低压汽包压力由相应的高低压蒸汽旁路控制，旁路控制压力自动平稳变化可保证高低压汽包水位的稳定；但中压汽包水容积小，压力变化稍大即导致水位难以控制；中压汽包压力由中压过热器出口压力控制，但在较多余热锅炉上，中压过热器出口并无压力调节，而是直接并入冷再后进到锅炉再热器，这样机组启动过程中，随着升温升压，高压主汽压力逐渐升高，高旁开启时导致冷再压力突增，使中过出口逆止门关闭，中压过热汽流量降低造成中压汽包液位波动，待中旁开启后冷再压力降低，中过出口逆止门又开启，中压过热蒸汽流量又突增，造成中压汽包液位波动，这样高压旁路或再热旁路调节过程中，均导致中压过热器出口压力波动，进而使中压汽包水位大幅度扰动；
因此，装设中压过热蒸汽压力调节阀来控制中压汽包压力稳定，可有效防止中压汽包水位的大幅度波动；在因旁路变化导致冷再压力变化时，中压过热器出口调阀动作，始终保持阀前压力稳定；中过出口压力控制方案一般根据负荷进行设定，160MW以下设定为2MPa，160MW以上设定为3Mpa。
4.4并解炉过程中水位波动问题
4.4.1解并炉过程中水位波动的主要原因
（1）解并炉时或是先高压或是先中压，旁路控制策略及阀门特性差造成分流不合理，导致汽包水位波动大；
（2）解并炉通过并汽门进行，由于并汽门一般为非调门，靠并汽门解并汽线性差，往往造成流量压力突变，从而导致汽包水位波动大。
4.4.2解决方案
（1）解并汽的框架设计
A.高中压同时解并汽，解并汽通过旁路进行并汽和解汽；这样的策略可以保证高中压同时平稳的解汽，保证炉侧压力、流量稳定；
B.要实现旁路解并汽必要条件为高中蒸汽管道设置逆止门，否则会造成两台炉串汽；
C.解并汽过程中需要旁路与汽机DEH压控配合，完善的旁路控制策略是实现旁路解并汽的基础；
D.同时解并汽由解并汽程序完成；
（2）为保证解并汽过程中旁路平稳解并汽，旁路控制模式增加并汽模式和退汽模式、程序关模式，并汽模式下旁路控制定值为母管压力加一定值，退汽模式下旁路控制定值为母管压力减一定值；
（3）并汽方案：第二台机组并网后负荷升至并汽负荷，将运行机组负荷降至并汽负荷；此时旁路在并汽模式，控制定值比母管压力高，保证并汽过程中可以并进汽；待并汽条件满足后启动并汽程序，并汽程序将高中压并汽门开启，此时开并汽门并是不时间并汽，只是打开通道；并汽门开启后，旁路自动转入程序关模式，高中旁路开始按一定的速率关闭，汽机DEH压控保证母管压力为定值，随着旁路关闭，高中压调门同步开大，待解炉冷再调门的控制定值为运行炉冷再流量，保证两台炉不串汽；高压缸增加多少蒸汽，中压缸也增加多少蒸汽，此时才是实际的并汽，待高中旁全关闭后并汽完成。
（4）解汽方案：两台机组降至解汽负荷后，启动解汽程序，待解炉旁路控制模式转为退汽模式，其控制定值较母管压力低一定值，高中旁逐渐开大，由于汽机压控保证母管压力为定值，汽机高中调门会逐渐关小；冷再调门的设定值为运行炉冷再流量，冷再调门会逐渐关小，这个过程为避免运行炉冷再蒸汽进入待解炉；待高中旁阀位至40%时认为解汽基本完成，高中压并汽门同步关闭，全关后解汽程序完成。
4.5启动过程中水位控制效果
表2为某次燃机启动至并汽完成高中压汽包水位控制数据，可以看出在汽水膨胀期间控制与实际水位偏差较大，在其它阶段实际水位与控制偏差较小，可以达到全全过程水位自动控制的效
5结论
余热锅炉全过程水位自动控制的实施难点在于冷态下差压水位计测量不准、启动速度快导致汽水膨胀快、中压汽包容积小而压力容易波动、并解汽过程中水位波动等四大问题，采取上述方案可有效解决这四个问题，并已经在燃机电厂内进行验证，实现了全过程水位自动控制，有效解决了联合循环一键启停的关键问题，对于频繁启停的燃气机组有着重要意义。
参考文献：
[1] 邓小明.M701 联合循环发电机组余热锅炉中压汽包水位控制的分析和改进[J]. 自动化与仪器仪表，2011,(4)：120-121.
姓名：王亚平，1983年9月13日生，工程师
工作单位：神华国华（北京）燃气热电有限公司
通信地址：北京朝阳区金盏乡金榆路神华国华（北京）燃气热电有限公司
论文作者:王亚平1,王建伟2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
标签：水位论文; 汽包论文; 水位计论文; 压力论文; 中压论文; 旁路论文; 锅炉论文; 《电力设备》2017年第6期论文;