（神华国华九江发电有限责任公司 江西九江 332504）
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，提出启动全过程水位自动控制策略，实现了在机组水位启动期间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
1引言
余热锅炉汽包水位常用的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，严重影响机组一键启停（APS）的实施；同时由于燃机启动速度快及中压汽包容积小的特点，导致中压汽包水位波动大；因此有必要研究合理的启动全过程自动水位控制策略，为机组一键启停程序的顺利执行提供保障。
2三压余热锅炉系统概述
2.1低压系统
凝结水（给水）进入凝结水加热器（低压省煤器），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。
2.2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燃气加热器接口，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。
2.3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。
3锅炉汽包水位的主要影响因素
3.1蒸汽流量对水位的影响
锅炉中燃料燃烧产生的蒸汽由过热器进入蒸汽母管，蒸汽量随负荷的增加而增大，当蒸汽量变化时会对汽包水位产生一个外部扰动，此扰动属于阶跃干扰，且锅炉汽包水位的变化与蒸汽流量干扰存在一定的函数关系。
根据物料守恒定律，当蒸汽流量增加而燃料量不变时，汽包水位应该会下降，但是蒸汽流量增加引起汽包内压力降低，使水的沸点降低而沸腾加剧，导致水位下的气泡体积增加，汽包水位反而上升，造成“虚假水位”现象。
3.2给水量对水位的影响
当锅炉内的蒸汽流量发生变化时，给水流量也随之发生变化，此时相当于对系统增加了一个阶跃干扰，给水量突然增大时，由于给水量较大且大于蒸汽流量，此时汽包内的水温高于给水管内的水温，增加的给水会吸收水中的热量使水位下的气泡容积减少，所以水位不会立即升高，当水位下的气泡容积变化达到平衡时，水位才会随给水量的增加而升高。
3.3燃料量对水位的影响
燃料量的增加会使锅炉吸收的热量也随之增加，而且水循环系统的蒸发速度加快，如果此时蒸汽阀门开度不变，会使锅炉内的蒸汽压力升高，蒸发量也会大于给水量，根据物料守恒规律，水位应该下降，但是由于水位下的气泡容积增大，导致产生“虚假水位”，水位会先升高，当蒸发量和燃烧量平衡时，水位才会迅速下降。
影响锅炉汽包水位的因素除了以上三种以外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调速气门开度等因素，这些因素对汽包水位的影响机理都是通过以上三种因素实现的，而且在实际的生产中，燃料量和蒸发量是一起变化的，可以视为一个影响因素。
4锅炉汽包水位控制方案
4.1单冲量水位控制方式
此控制系统的输入信号为给定水位，控制信号为给水流量，此系统是典型的单回路控制系统，其结构简单，比较适用于汽包容量较大、虚假水位现象不显著、负荷比较平稳的情况，而且可以设置水位报警和联锁控制系统以保证系统运行的安全性。
对于应用此方式进行水位控制的系统，锅炉水位会随着蒸汽流量的增加而突然升高，此时系统中的控制器会发出误动作，将给水阀门的开度关小，当“虚假水位”现象消失后，锅炉水位会急剧下降，甚至会超出水位的最低限位，所以此系统不适用于蒸汽流量较大且水位变化较大的场合。而对于负荷较小，水位变化较小的小型锅炉，虚假水位现象不严重，应用此系统并配合水位联锁报警装置会起到较好的水位控制效果。
4.2双冲量水位控制方式
此控制系统就是针对单冲量水位控制系统对虚假水位发出误动作的问题而出现的，其在单冲量水位控制方式的基础上，将蒸汽流量信号作为前馈信号，从而形成前馈与反馈相结合的双冲量控制系统。此系统可以有效抑制蒸汽流量扰动引起的虚假水位，但是对于锅炉水位变化较大时引起的给水流量侧的内扰动仍然没有办法解决，所以此系统适用于给水流量变化较小的场合。
4.3三冲量水位控制方式
此系统是针对双冲量水位控制方式无法适应锅炉给水流量波动较大场合的问题而研发的，就是又增加给水流量作为一路信号，由主调节器对水位进行调节，副调节器对给水流量进行调节，仍然以蒸汽流量作为前馈信号，构成三冲量前馈-反馈串级控制系统。
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，为适应燃气轮机机组的快速启动，在蒸发量较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，转入三冲量控制，切换到正常设定值。在达到特高水位时，通过事故放水来调整水位，作为水位高控制的保护手段。
5实现启停全过程水位自动控制存在的主要问题
5.1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：差压式水位变送器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。如下图所示，差压△P和汽包水位H之间的关系为：△P=g[（L-H）×（ρl-ρQ)]
其中参比水柱L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。
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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；
5.2启动初期锅炉汽水膨胀速度快导致汽包水位高问题
燃机启动速度较快，启动初期热负荷较大，即使在全速空载下运行，进入余热锅炉的热量就超过30%的额定负荷，因此启动初期余热锅炉各汽包的汽水受热膨胀速度较快，汽包水位快速上升；
5.3蒸汽压力变化对汽包水位的影响
余热锅炉中压汽包设计容积较小，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]；
6启动全过程水位控制策略研究
解决上述三个问题，即可实现余热锅炉启动全过程汽包水位自动控制；
6.1冷态下差压水位变送器测量不准问题解决方案
6.1.1三种解决方案
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；但有些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：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后，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，如最新式的磁致伸缩式水位计。磁致伸缩水位计由测量杆、磁致伸缩线（波导丝）、可移动浮子（内置永磁铁）等部分组成。
其原理为：顶部的线圈脉冲发生器产生波导脉冲，经电子部分处理后变换成沿波导线传播的电流脉冲即起始脉冲，其产生的磁场和浮子产生的磁环磁场叠加时，浮子周围磁场发生改变使波导丝在浮子位置产生扭转波脉冲，这个脉冲以固定速度沿波导丝传回，在线圈两端产生感应电流脉冲即终止脉冲，通过测量起始脉冲和终止脉冲之间的时差就可以精确地测量浮子所在位置，即液面位置。
磁致伸缩式液位计具有测量精度高、安全可靠性好、不受测量介质条件变化的影响等特点。在启动初期可用磁致伸缩水位计代替不能正常工作的差压水位计来实现自动控制，待锅炉具备一定压力后，判断差压水位计已工作正常后再无扰切换到差压水位变送器控制，并投入汽包水位保护；
某燃气机组余热锅炉高中低压汽包在差压水位变送器以外各配有一套磁致伸缩式水位计（4号水位计），启动过程切换方案如下：
（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送器输出值应在汽包水位高低报警值范围内,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；
6.1.2三种方案比较
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，不仅锅炉上水时间长，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，方案三在某些新建燃气机组上已开始应用，并得到有效验证，值得推荐。
6.2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；
该控制策略仅仅考虑到随燃机状态变化而进行水位控制值的调整，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，按此策略控制仍将导致启动过程因水位高而对汽包大量放水。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，在DCS水位自动控制逻辑中设置一个y=f（x）的变化函数，启动过程中，随着汽包压力f（x）的升高，水位自动控制值y也逐渐升高，最终无扰切入正常三冲量水位控制；另外再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，可在汽包事故放水动作前提前放水；
6.3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，旁路减压阀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，在串联旁路设计的系统中，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，装设中压过热蒸汽出口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；
7结语
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等三大问题，相应采取增加内置式水位计、增加中压过热蒸汽稳压阀、设计根据压力变化的启动水位控制策略等三大措施可有效解决这三个问题，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机组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.
作者简介：朱意兵（1976-），男，浙江安吉人，工程师，从事燃气蒸汽联合循环电厂集控运行技术管理工作多年。
论文作者:朱意兵
论文发表刊物:《防护工程》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/26
标签：水位论文; 汽包论文; 水位计论文; 锅炉论文; 蒸汽论文; 压力论文; 余热论文; 《防护工程》2017年第21期论文;