火电厂高压加热器水位测量优化

火电厂高压加热器水位测量优化

赵辉宋宝龙党鹏飞

河北西柏坡发电有限责任公司河北省石家庄市050400

【摘要】火力发电机组均设计有高压加热器，对给水进行预加热来提高机组的热效率。此类加热器均设计有水位自调系统和水位保护系统，以保证汽轮机安全经济运行。本文对某发电企业高压加热器使用的多种测量方式进行比较、分析其存在的优缺点，阐述了相应的优化方案以及优化后设备的安装方式和控制策略。本文所提到观点及改造经验供同行参考与探讨，在设计相应系统时做出更好的选择。

【主题词】高压加热器DCS水位自调水位保护冗余配置

某大型发电企业共有4台330MW和2台600MW燃煤发电机组，每台机组配置3台高压加热器。因不同时期投产，6台机组的高压加热器的水位测量设备类型繁多：水位保护系统采用磁翻板液位计、进口耐高温液位浮筒开关、电接点水位计；水位自调系统测量普遍采用差压变送器。液位开关、浮筒开关经常出现误动和拒动，严重威胁机组安全；水位自动调节系统在机组大修后，由于参比水柱建立不及时，导致高加投运初期水位自调不能及时投入。企业技术人员针对当前的水位测量方式上存在的问题，采取改变水位保护信号的测量方式及优化保护控制策略，提高水位保护的动作正确率。同时对差压变送器测量管路进行优化，快速方便的建立参比水柱，及时投入水位自调。

1.高压加热器水位测量

1.1水位测量的作用和方式

加热器水位测量的目的是提供就地显示信号，同时提供DCS系统保护、自调系统的控制及远程显示信号。当加热器水位高时保护动作，及时切断进入加热器的汽源，防止水流进入汽轮机，造成汽轮机水冲击。水位测量方式多种多样，如：差压法、连通器测量法、电容法、超声波法、浮力法等。某企业原设计在高压加热器上主要采取单室平衡容器-差压测量、连通器测量法。通常远程DCS模拟量监视及自动控制系统水位测量采用差压方式：差压变送器输出标准4～20mA信号，与水位差成反比线性关系，计算得出水位高度。水位高低报警及加热器保护系统信号采用连通器原理测量方式：采用浮球耐高温液位开关设备或电接点水位计来测出水位是否超过了设定点，超限后触发相应联锁和保护逻辑。本文只针对单室平衡容器差压测量、连通器测量法进行探讨分析。

1.2单室平衡容器差压水位测量

差压水位测量工作原理是把液位的高度变化转换为差压变化。高压加热器水位差压测量一般是将高加正压侧取样管连至一个平衡容器后连入变送器正压侧，高加负压侧取样管直接连接至变送器负压侧。当蒸汽在平衡容器中凝结，在平衡容器和正压侧仪表管中就形成了一段参比水柱。当参比水柱注满时，多余的水会从正压侧取样管溢流到高加内，从而保持参比水柱水位恒定。液位差只和高加内的疏水液位有关，取样管路差压只和疏水液位有关。变送器通过测量此差压就很容易求得高加内的疏水水位。

（图一）差压式测量水位原理图

1.3连通器水位测量方式

火电厂采用连通器原理测量水位时，一般采用浮球液位开关或电接点液位计。都不能测量实时的水位值，只是测量水位高过或低于某一点的水位值。此类信号往往作为保护动作信号、联锁信号触发使用，从设计角度上仅是考虑到开关量信号的抗干扰能力强。浮球式示意图如下：h1=h2。

（图二）连通浮球式测量原理图

2.两种测量方式的优劣分析

2.1误差分析

2.1.1对于两种测量方式，其测量上各有侧重点,开关量仪表主要是其动作点的准确及可靠，信号不易受到干扰；模拟量仪表测量参数反应监视量的实际值及实时趋势变化情况，指标主要反应在测量准确度、变差、重复性、不灵敏区、漂移等，须采取良好的保护措施避免信号受到干扰。

2.1.2水位差压测量产生误差的主要原因：①密度差变化；②参比水柱未建立好；③管路泄漏；④平衡门排污门泄漏。当测量要求更准时需增加温度及压力补偿，但对于高压加热器来说，仅用差压方式测量其水位足够满足精度及安全生产要求，因此不考虑压力及温度补偿。确保参比水柱建立好要求冷态启动前须对其进行注水，否则无法准确测量。在机组运行中蒸汽侧的不断凝结，不需再进行注水操作。管路及阀门泄漏可在就地检查很容易发现，也很容易消除。以上四点误差在实际生产中较容易减小及管理可控，因此信号的可靠及准确性得到保证。

2.1.3采用连通器测量原理的开关量仪表，当液位升高时，与加热器连通的测量筒中的水位也相应升高。同时推动浮球向上运动。触发安装在加热器上的浮筒开关或者安装在磁翻板上的液位开关，使其所带的触点发生动作传递出水位高的液位信号；当液位低时，浮球本身重力作用向下使其所带的触点发生动作传递出水位低的液位信号。从其运行情况及动作原理，产生误差主要有5个方面：①液位开关动作点安装位置与加热器报警点定值是否一致性；②液位开关安装的垂直度；③外夹磁力开关安装误差；④浮筒式机械焊接间隙产生的误差；⑤触点动作及回复误差及设备间磨擦阻力产生的一些误差。从以上5种情况均可造成动作点拒动，而不可控因素过多且不易消除，造成该设备安全生产的不可控，因此其动作准确性存在不确定性。

2.2现场设备使用环境及优化分析

2.2.1现场液位开关离加热器较近，且因连通器原理浮筒内浮球所处水温较高。整个开关设备长期工作在高温环境下，浮筒和开关的接线易烤裂，浮球经常泄漏。导致开关信号极度不可靠，经常发生水位误动或拒动。两种现场浮球液位计，如图：

（图三）耐高温浮筒开关（图四）磁翻板液位计外夹磁力开关

（图三）这种耐高温浮筒开关，其主要缺点有如下方面：①平时无法判断浮球位置，只有到高加水位保护该动作时，才知道开关是否动作正常。运行期间也无法通过试验判断好坏。②浮筒开关因安装需要的空间大，无法在一个测量筒上完成安装，只有配置更多的筒体来扩展安装位置；③尽管选取了耐高温的液位开关，但工质的温度已接近设备工作的上限，机械传动机构处在高温状态且开关触点位置仍处于65℃高温，造成设备寿命大大减少；④在如此小的环境中安装了这些测量的液位开关，导致此处环境温度增高，设备间相互影响。⑤如果需要修改保护定值，必须重新焊接浮筒位置，且焊接过程存在安装误差，定值设定灵活性差。

（图四）磁翻板液位计，主要缺点有如下方面：①磁力开关使用卡子外夹固定，轻微松动就会导致开关误动或拒动。②如果保护定值太接近时，两个磁力开关就无法固定，且相互影响，需增设磁翻板来扩展开关安装位置。③磁翻板浮筒内浮球经常泄漏，有些环境磁翻板安装离地面太近，拆除法兰后无法取出浮球。需拆除翻板才能更换，费时费力。④磁翻板翻转时常卡涩，造成就地刻度指示不准，开关量信号动作异常。

2.2.2因开关型测量设备的安装方式及处于高温工作环境影响了设备可靠性，导致频发故障，严重影响加热器保护的可靠投入。通过分析，可改变测量方式用模拟量替代，使测量设备远离热源。通过3台变送器同时测量1台高加水位。DCS中采用3取中模块，水位取中值后参与水位自调，保证自调系统被调量的准确稳定。改变了测量方式后的模拟量信号通过DCS高低限值块生成开关量点，替代液位开关产生的开关量点。DCS产生的开关量点采用3取2参与保护联锁，减小了保护的拒动率和误动率。经过以上优化，保护系统、自调系统可靠投入将得到保证。

3.优化方案

3.1保留电接点测量方式

将电接点二次仪表（开关量或模拟量）信号远传到DCS显示，作为辅助观测参数确保高加安全稳定运行。同时采用新型的导波雷达、磁致伸缩等测量方式丰富就地显示及远程DCS显示。

3.2优化高加水侧取样点

将取样管插入加热器底部一小截后再焊接，防止污物进入造成管路堵塞。

3.3优化DCS报警逻辑

采用3台差压变送器对1台高压加热器进行水位冗余测量。对3台水位变送器信号进行滤波处理、消除短时间内信号跳变。同时对3组水位信号进行两两偏差判断，当偏差大于某定值时及时报警，提醒运行人员注意并通知检修人员及时查找偏差原因，消除偏差，将缺陷消除在萌芽状态。

（图五）水位模拟量信号3取中

Ovation系统的MEDIANSELECT功能块，功能强大、参数组态灵活多变。可在画面手动选择（取中值、取平均、取A、取B、取C）或者逻辑自动选择类型输出。且当选择的类型信号有问题（坏点、偏差大）时，自动切换到正常的信号上。如果当全部信号都有问题时，可根据定义的参数输出最大值或最小值。以上各类故障都输出报警信号。

3.4优化保护联锁逻辑

利用Ovation系统中的MEDIANSELECT功能块，对3台水位变送器信号进行质量判断及中选后。再进行定值判断，参与保护联锁。

（图六）高加水位保护信号

3.5优化平衡容器上水管路

如（图七）在取样管一次门后，增设一路正负压侧联络管及联络阀门。高加投入初期（需要建立参比水柱时），关闭正压侧一次门，打开联络门、缓慢打开一点正压侧变送器排污门。加热器中的疏水就可延（图五）桔色标识路线将平衡容器灌满。变送器排污门见水后，关闭排污门、联络门、打开正压侧一次门，参比水柱建立完毕。此方法方便易操作，运行期间如果需要对正压侧进行排污，排污后的平衡容器也能快速投运。

（图七）改进的差压式平衡容器灌水示意图

4.优化前后可维护性比较

4.1原设计维护性分析

从以上情况可知，采用液位开关作为加热器水位保护，设备存在很大的风险。并且在日常维护中，不具备实际传动或传动难度较大的，一般都采用从现场短接方式进行试验，而对于此类液位开关，由于故障发生情况过多，不进行实际传动无法确认其可靠性。做实际水位传动试验时，需要通过关小或开大加热器的疏水门，提高或降低加热器的水位来测试开关的动作情况。此时须退出抽汽阀门保护，影响机组的安全运行且给工作带来极大不便。机组运行期间也不太可能进行此类试验（尤其是高三值试验）；另一方面是无法安装更多的液位开关，无法实现三选二方式来提高保护的防拒动、防误动，保护可靠性大大降低，目前采用高二值与上高三值触发保护动作，防止误动，这样增加了保护拒动的可能性。更危急的是当某个液位开关焊点发生泄漏进行检修时，需长时间的退出保护来处理缺陷。因此目前采用此安装方式的现场存在着安全风险。

4.2优化设计维护性分析

4.2.1目前大型火电机组均采用DCS系统作为控制平台，同时压力变送器精度、稳定性大幅提高，采用差压测量方式成为更可靠的方式，主要有如下原因：①采用DCS控制系统的火电机组，模拟量均采用了计算机屏蔽电缆，严格的屏蔽接地及电缆的分层铺放后，模拟量的可靠性均达到了99%，可靠性极高；②高可靠性的模拟量信号加上DCS系统强大的功能模块，轻易实现信号的三选二或三选中逻辑，提高了保护的可靠性；同时水位自动调节因三取中后，信号更可靠，确保了水位自调长期的投入；③采用了模拟量实现保护后，设备的日常维护时，可以实现保护系统及自动系统不需退出运行，就可进行设备的维护工作，确保了机组的安全经济运行。

4.2.2当发现原设计的保护定值需要修改时，更彰显了采用模拟量的优点：①采用开关量装置须把现场的开关割除后重新定位焊接；②采用模拟量只须对保护模块的设定值进行更改，省时省力。

4.2.3从图3、图4中可知，因设备安装拥挤,环境温度相当高,日常的检修工作须做好防高温、防烫伤措施。涉及设备多，且有可能动火作业。正常的检修维护需进行大量的准备工作，对工作的快速开展带来了一定影响。

4.2.4采用差压测量，日常的维护只需对变送器进行校验，把需要检修的变送器做好相应隔离就可进行工作，通过模拟信号变化趋势可分析故障问题，省时省力，人员、设备安全得以保障。

5.结束语

某发电企业高压加热器水位通过测量管路改造，使变送器平衡容器能很快投入使用，无需长时间等待蒸汽冷凝，可及时投入高加水位联锁、水位自调；模拟量信号作为保护信号体现出设计策略上的优势：可靠、动作正确率高、易维护、经济性好。

高加水位测量系统的优化必须静心策划，认真组织，并加强过程中的施工安装精度和逻辑参数的比对，维护人员熟知差压变送器的投入方法，尽早的投入水位自调和水位保护，运行人员监控水位偏差、留意声光报警，就能保证高加系统安全经济稳定运行。

参考文献：

[1]国家电网公司安全生产规程统一书号：155083.941

[2]国家电网公司电力安全工作规程统一书号：155083.1165

[3]河北西柏坡发电有限责任公司运行规程Q/XBP307QJ004-2015

[4]火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程中华人民共和国电力工业部1998发布

[5]Ovation算法参考手册REF_1100

[6]《防止电力生产事故的二十五项重点要求》国家能源局2014-4-15文件

作者简介

赵辉，男，1976年出生，助理工程师，车间专责工程师，一直从事热控专业的技术管理和火电厂热控设备的检修维护工作。