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秦皇岛华电测控设备有限公司. 电 话 :13930327906,0335-5300122 传 真 :0335-5300199 E-mail:hdsc_kfb@126.com 网 址 :www.hdsc.net. 汽包水位测量和保护 新技术及应用. 于胜利 （高工）. 秦皇岛华电测控设备有限公司. 公司简介. 1999 年初，华电测控诞生于著名的旅游胜地 — 秦皇岛，它是专业从事热工测量和自动控制系统成套设备的集科、工、贸为一体的高新技术企业。. 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场.
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秦皇岛华电测控设备有限公司 电 话:13930327906,0335-5300122 传 真:0335-5300199 E-mail:hdsc_kfb@126.com 网 址:www.hdsc.net 汽包水位测量和保护 新技术及应用 于胜利 （高工）
秦皇岛华电测控设备有限公司 公司简介 1999年初，华电测控诞生于著名的旅游胜地—秦皇岛，它是专业从事热工测量和自动控制系统成套设备的集科、工、贸为一体的高新技术企业。 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场
秦皇岛华电测控设备有限公司 一、提高锅炉汽包水位测量的准确性 • 1.1 当前锅炉汽包水位测量的状况 • 1.1.1 汽包水位测量存在严重的事故隐患 • (1)各水位计间偏差大，人为修正 • (2)锅炉启动时汽包水位保护不能投运 • (3)控制和保护不独立 • (4)电接点水位计故障率高、维护量大 • 1.1.2 对汽包水位测量的认识有待提高 • (1)测量原理及其误差的认识不够 • (2)贯彻标准的必要性认识不够 • (3)对汽包水位测量技术最新进展缺乏了解 • (4)国家相关规定滞后于新技术的发展，阻碍了新技术的推广 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场
秦皇岛华电测控设备有限公司 1.2 汽包内部结构 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场
秦皇岛华电测控设备有限公司 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场
秦皇岛华电测控设备有限公司 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场
秦皇岛华电测控设备有限公司 华电测控坚持以坦诚交朋友、以创新谋发展、以质量求生存、以服务赢信誉、以改进拓市场
秦皇岛华电测控设备有限公司 1.3 原测量技术的测量误差分析 １、联通管式锅炉汽包水位计 (1)联通管式锅炉汽包水位计原理图
秦皇岛华电测控设备有限公司 ２、 差压式水位计的误差分析 (1) 差压式锅炉汽包水位计测量原理 △P＝P+-P-＝L(ρa－ρs)g-H(ρw－ρs)g………(3-3) 或改写成
秦皇岛华电测控设备有限公司 （2）参比水柱平均温度造成的测量误差 根据某电厂(1024t/h亚临界锅炉)条件下的计算，结果如表3-1。 从表3-1可知，如果参比水柱的设定温度为40℃，当其达到80℃时，测量附加正误差33.2mm，当参比水柱温度达到130℃，测量附加误差高达108mm。 “根据对1#炉4台汽包水位变送器在各种工况下的测试数据和计算表明，如果不进行温度压力补偿计算，将产生过大的示值误差，尤其是在锅炉启动过程中。因此必须对水位示值进行在线温度压力补偿。1#炉4台水位计已有在线压力补偿，补偿误差基本可以忽略不计；但无温度补偿，仅设置正压信号管水温tM=60℃，这与现场测试结果（90-110℃左右）相差太大，所产生的示值误差在50mm-120mm之间，因此不容忽视。”（摘自《扬州第二发电厂汽包差压式水位变送器测量精度校核计算方法研究》）
秦皇岛华电测控设备有限公司 1.4 锅炉汽包水位测量系统误差的评定 1 存在问题 （1）人们在研究汽包水位计时，均认为汽包里的水为饱和水，而 实际上汽包里的水为欠饱和水。 （2）“假水位”的真实水位无法测量 （3）没有基准水位计 2 目前常用的校验参考基准 （1）结垢水迹线法 （2）零位附近放汽(水)化验法 3 基准水位攻关情况 直接测量汽包水位的内置式电极式水位计(已获国家发明专利)并在通辽发电总厂安装获得了成功(已通过专家鉴定可作为基准仪表使用)。
秦皇岛华电测控设备有限公司 （1）结垢水迹线法 2004年3月30日利用朝阳电厂#2锅炉大修的机会，对汽包水位运行痕迹线进行实际检测:实际汽包水位经常工作于设计汽包零水位上方140mm处，即汽包水位经常工作在设计零水位的正140毫米左右。
秦皇岛华电测控设备有限公司 （2）零位附近放汽(水)化验法
秦皇岛华电测控设备有限公司 1.6 新技术介绍 1 汽包内置式电极传感器 该装置是基于汽包内汽、水的电导率不同，通过安装在汽包内多个电极传感器，并采用二次仪表识别其电导率，而成功测量出此时的水位值。电极传感器直接感应汽包内的水界面，所以取样误差很小，测量很准确，可作为汽包水位测量的基准仪表和试验仪表。 该装置成功的安装在通辽电厂的一台670t/h汽包炉上并获得了成功。他的成功应用结束了汽包水位测量没有基准表不能实时标定其它水位计的历史，解决了汽包水位测量中关键性的技术问题。 1-固定支架；2-电极传感器；3-传感器的延长电缆； 4-水侧取样管；5-汽侧取样管；6-显示仪表； 7-电缆；8-引出箱；9-固定座；10-密封垫或密封环；11-压盖 汽包水位内置式电极测量装置示意
秦皇岛华电测控设备有限公司 汽包水位内置电极传感器现场照片(专利号：ZL 2004 2 0073417.2)
秦皇岛华电测控设备有限公司 2 无盲区低偏差双色水位计
秦皇岛华电测控设备有限公司 低偏差云母水位计现场照片（专利号：ZL 2003 2 0127482.4）
巴陵石化的使用情况 #8炉运行8个月现场效果照片（未做维护，现场清晰可见，工业电视稍有模糊）
齐鲁石化的使用情况 • 运行近两年后的效果 • （未作冲洗和维护）
大同600MW的使用情况 • 运行近一年后的效果（未作冲洗和维护）
云母水位计已运行了两个月，未做任何维护，犹如新装表计，深受运行和检修人员喜欢云母水位计已运行了两个月，未做任何维护，犹如新装表计，深受运行和检修人员喜欢
秦皇岛华电测控设备有限公司 3 汽包水位高精度取样电极传感器
秦皇岛华电测控设备有限公司 特点： 测量筒水柱温度接近汽包内水温，水位测量精度高。 采用柔性自密封电极组件和水质自优化措施提高电极的可靠性。
秦皇岛华电测控设备有限公司 1）免排污。水质好，减轻了对电极的污染。初装彻底冲洗后，在3～4a大修周期内免排污，既减少了维护量，又可避免热态排污损坏电极。 2）可增大水样电阻率，利于减小工作电流，减缓电极的电腐蚀而延长寿命。 3）水质稳定，水样上下水阻率分布较均匀，利于提高二次仪表测量的稳定性，不必经常调整仪表临界水阻。 4）水侧取样管中有连续流向汽包的高温水流，当汽包水位大幅度升降时，电极承受的热冲击较小。
秦皇岛华电测控设备有限公司 汽包水位高精度取样电极传感器现场照片(淘汰进口电接点)
秦皇岛华电测控设备有限公司 4 汽包内置式平衡容器 变送器所测得的差压值为: 由公式得：
秦皇岛华电测控设备有限公司 采用汽包内装平衡容器具有以下特点： 1、精确度高，不受汽包内水欠饱和以及外置平衡容器参比水柱温度变化的影响，从公式中可以看出变送器所测得的差压值为汽段参比水柱（饱和水）和相同高度的饱和汽静压之差，这一点与以往的任何一种外置式平衡容器不同，而采用外置式平衡容器测量汽包水位不仅受平衡容器下参比水柱温度变化的影响，而且由于补偿公式是假定汽包内水是饱和状态下推算出来，而实际上汽包内的水是欠饱和的，而且随着负荷变化欠饱和度也是变化的，由此可见，采用内装平衡容器的测量精确度远比外置式平衡容器要高。 2、由于汽包的汽侧取样管上焊接有冷凝罐，可以及时向平衡容器中补充冷凝后的饱和水，因而可以保证锅炉点火不久就可投入汽包水位测量。 3、具有防止内装平衡容器故障的后备措施，当内装平衡容器出现意外时，可将正压表管与冷凝罐的备用正压取样管相连，这样可以方便转换到改进型外置式单室平衡容器继续工作。
秦皇岛华电测控设备有限公司 汽包水位内装平衡容器现场照片
秦皇岛华电测控设备有限公司 二、控制与保护独立性安全原则 2.1 锅炉汽包水位测量系统配置原则 锅炉汽包水位测量、控制和保护系统是属于IEC 61508和IEC 61511安全标准中指出的安全仪表系统(Safe Instrumentation System,简称SIS)，它的应用不当造成的事故危害性极大，根据当前技术发展水平，它的配置设计至少应遵循下列原则： （1）锅炉汽包水位测量系统的配置必须采用两种或以上工作原理共存的配置组合，以防止系统性故障。 （2）配置的汽包水位测量系统应是经充分的实践证明是安全可靠，能消除汽包压力影响，全程测量水位精确度高，可确保锅炉点火后就能投入正常工作(包括保护)的产品，不允许将达不到上述要求或没有成功应用业绩的不成熟产品在锅炉上应用。 （3）严格遵循锅炉汽包水位控制和保护独立性的原则，最大限度的减少故障风险，并降低故障停炉机率。 （4）汽包水位至少应配置两种互相独立的监视仪表。 （5）汽包水位保护和控制的测量系统至少应按三重冗余的原则设计。 （6）汽包水位测量信号应采取完善的坏信号检查手段，以便及早发现异常。
秦皇岛华电测控设备有限公司 • 2.2 事故案例 • 2.2.1 案例一：一台变送器泄漏，影响另外两台变送器指示偏高，导致低水位保护拒动 • 2002年12月×日，河南省×电厂一台1025 t/h锅炉，因一台变送器损坏泄漏，喷射到相邻的两台汽包水位变送器上，使这两台汽包水位变送器的指示偏高，引起给水自动减少，汽包严重缺水。由于汽包水位保护信号也取自这几台变送器，因此，低水位保护也拒动。幸亏运行人员分析判断正确，手动MFT停炉，虽未酿成重大爆管事故，但已造成炉水循环水泵严重汽蚀。 • 2.2.2 案例二：电极式水位计一次门泄漏，导致邻近差压水位计平衡容器压力下降以及参比水柱温度升高而引发缺水事故 • 2002年11月×日，安徽省某电厂3号炉(1025t/h)电极点水位计一次门泄漏，使邻近两个差压水位计的平衡容器压力下降以及参比水柱温度升高。导致水位指示不正常升高，控制系统接受错误信号，不断减少给水流量，造成严重缺水。由于汽包水位保护信号也取自这两个差压变送器，因此，低水位保护也拒动。幸亏运行人员发现2个电极点水位计均显示无水，经多方面判别后，确认已缺水，及时手动MFT，才避免一起重大事故，事后检查发现，炉水循环水泵已经汽蚀(炉水循环水泵差压低停炉保护也未动作)。
秦皇岛华电测控设备有限公司 • 2.2.3 案例三：差压水位计排污门检修后，无法立即投入，强制信号时有误，导致满水事故 • 2004年2月2日，河南省某电厂一台炉的两台测量汽包水位的差压变送器排污门泄漏，消缺处理后，因单室平衡容器参比水柱形成和正、负压管温度平衡需要一段时间，故将该两变送器至控制器的信号强制在一个确定值(8mm)，在此期间，由于运行人员误把自动调节信号切为该两信号的“平均”模式，因水位设定值为18mm，于是给水指令连续增加给水量，最终导致汽包满水，幸亏运行人员及时发现，手动MFT停炉，事故未进一步扩大。如果控制和保护独立设置，如控制失灵，保护可正确动作保护锅炉，反之，当保护不准时，控制系统仍能控制水位在正常值。
秦皇岛华电测控设备有限公司 • 2.2.4 案例四：汽包压力补偿参数设置有误，造成汽包满水、主汽带水 • 2004年6月1日，河南省某电厂根据国家电力公司发布的《电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)》要求，改进原有单室平衡容器，并取消连通管，参比水柱高度由原来的860mm扩大到1130mm，在修改DCS组态时，对水位测量和压力补偿参数修改有误，导致差压水位计的测量误差随汽包压力升高而加大，电极点水位计和云母水位计显示水位已达+300mm(实际还要高)，汽包已满水，但三个差压水位计显示分别为-99.5mm，-82.4mm，-166mm，满水保护不动作，控制系统不断增大给水流量，幸亏运行人员监盘发现给水流量比蒸汽流量大260t/h，并看到电极式水位计和云母水位计均显示满水，手动打闸停机，虽已造成汽包满水，主蒸汽带水和汽温急剧下降，但事故没有进一步扩大。
秦皇岛华电测控设备有限公司 • 2.2.5 案例五：一台汽包压力变送器故障和另一台水位计测量卡故障导致汽包水位低跳闸。 • 2006年1月19日，浙江省某电厂汽包水位保护和控制共用三台差压式水位计，由于一台水位计的补偿压力变送器故障，而另一台水位计的测量卡故障，导致二个信号反映水位低而引起跳闸。 • 2.2.6 案例六：汽包水位差压变送器仪表管冻，导致汽包水位保护高保护误动。 • 2006年2月1日，山东省某电厂汽包水位保护和控制共用三台差压式水位计，由于汽包水位差压变送器仪表管冻，导致汽包水位保护高保护误动。 • 2.2.7 案例七：因汽包水位变送器24V电源失去，导致“汽包水位高”保护误动 • 2005年7月7日，安徽某电厂＃2机组因汽包水位变送器24V电源失去，导致“汽包水位高”保护误动引发机组跳闸。
秦皇岛华电测控设备有限公司 • 2.2.8 案例八：因汽包水位表发生“飞升”导致汽包水位高保护误动 • 2005年11月8日，安徽某电厂＃2机小修启动过程中90MW负荷时，给水泵切换，使给水流量波动较大，引起汽包水位波动，当时汽包水位C因故未投入运行，汽包水位保护由汽包水位A和B二选一控制，因汽包水位A发生仪表“飞升”现象导致汽包水位高保护误动。 • 2.2.9 案例九：2004年3月6日因DPU138/139故障“汽包水位高”误动机组跳闸 • 2004年3月6日，上海某厂2004年3月6日9时54分，＃2机组光字牌“汽包水位高”报警，运行检查汽包水位突升至8000mm左右，电接点汽包水位正常，9时54分30秒，汽包水位高跳闸信号出现，9时54分36秒,炉MFT动作，检查发现DPU138故障，备用DPU139在投用时亦发生故障。 • 2.2.10 案例十：2004年3月17日因汽包水位变送器水管接头漏锅炉MFT动作 • 上海某厂2004年3月17日9时36分，锅炉燃烧、水位正常情况下，MFT动作，第一原因为汽包水位高。现场检查10HAD10FL901、10HAD10FL903正压侧管子接头有泄漏现象，造成两只变送器汽包水位值均大于500mm保护动作。
秦皇岛华电测控设备有限公司 • 2.2.11 案例十一：2004年8月15日因机组汽包水位数据采集卡故障“汽包水位低”保护误动停机 • 上海某厂2004年8月15日15时08分57秒，＃4机组光字牌：汽包水位低报警，运行检查CCS汽包水位突降至－381毫米以下（－381毫米是保护动作值），电接点汽包水位正常，汽包水位低跳闸信号出现，15时19分，炉MFT动作，声光报警、汽机跳闸、发电机解列、厂用电自切成功。运行、检修经检查后发现汽包水位数据采集卡故障，卡上带有汽包水位LT0904、LT0905两点信号。因采集卡故障，造成汽包水位三选二保护动作，故采集卡故障是此次MFT的主要原因。 • 2.2.12 案例十二：华能某厂#4机组汽包水位取样管路再次受冻结冰，机组跳闸 • 事情经过：2003年1月5日1时36分#4机负荷188MW，AB给水泵转速突降至3000rpm，紧急给水泵转速，手动启动电泵，仍无法维持汽包水位；于1时38分#4机组跳闸，首显“汽包水位低”。检查A，C点水位测量信号因取样管路结冰而故障，造成三个平衡容器水位计，一个跳变，两个无指示，从而引起给水自动在主站上跳到手动，而且输出给水
秦皇岛华电测控设备有限公司 控制指令始终跟踪零指令，因此运行人员无法干预，导致汽包水位低低MFT动作。检查电接点水位计指示正常，处理后于3时52分#4炉点火。5时08分机组并于阳220KVⅢ母。 暴露问题：①受常年生活习惯影响，电厂对设备防冻的重要性认识不足。防冻措施没有落到实处。对2002年12月31日#4 机组受冻跳机事件分析不认真，没有及时制定切实的防范措施，造成同类事件的重复发生。②未能及时发现图纸标注汽包水位的控制逻辑与实际逻辑不相符的问题，处理设备缺陷时实际没有采取有效措施。 2.2.1３ 案例十三：华能某厂——#3炉DCS中的#3、＃23DPU故障造成锅炉缺水爆管，#3机组停运。 事故经过：2003年3月23日20时10分监盘人员发现#3锅炉一些参数呈紫色（数值异常），各项操作均不能进行，同时炉侧CRT画面显示各自动已处于解除状态，调自检画面发现#3机#3DPU离线。20时15分左右热工人员赶到现场，检查发现#3DPU离线，#23DPU处于主控状态，但#23DPU主控线的I/O点（汽包水位、主气温、主气压、给水压力、主汽流量、减温水流量等）为坏点，自动控制手操作失灵。（约21时08分）监盘人员发现汽
秦皇岛华电测控设备有限公司 包水位急剧下降，水位由-50mm降至-100mm，就地检查发现旁边给水调节门在关闭状态，手动摇起三次均自动关闭，水位急剧下降，约21时09分#3炉正压并伴有声响，手动紧急停炉。DCS厂家判断#3DPU故障前，#23DPU因硬件故障或通讯阻塞，已经同时I/O总线失去了通讯。故当#3DPU离线后，#23DPU也无法读取I/O数据。结合27日上午#3DPU又一次出现离线情况，判定#3DPU主机卡故障。由于当时的制粉系统运行工况导致火焰中心偏左，锅炉缺水引起左侧水冷壁管爆破、受损。共更换水冷壁管43根共239米。从23日21时10分故障停机到29日20时30分投运报竣工，此次故障造成机组停运143小时。 暴露问题：①没有严格执行25项反措的有关条例，特别是对于承担主要监控功能的DPU故障时可能引起的设备主要参数失控引发或扩大故障的危险性认识不足；②设计中将同一子系统的调节、保护和数据采集功能放在同一对DPU中，使风险过度集中，给机组安全运行带来极大的隐患。没有针对性的制定确保重要保护可靠工作的措施； ③ 自动控制系统的重要调节门，没有自动脱扣功能，没有制定相应的操作措施，致使旁路给水门三次手动摇起又返回；
秦皇岛华电测控设备有限公司 2.2.14 案例十四：1997年12月16日秦皇岛热电厂因“汽包水位低”保护拒动,造成重大设备损坏事故。事故报告摘录如下： “2、汽包水位计测量误差致使汽包低水位保护拒动，造成事故扩大。该炉有3个水位计。就地水位计（水位TV）可视范围±200mm、电接点水位计±300mm、CRT带保护的差压式水位计量程为±400mm，保护定值为：+300mm、-384mm。所以当水位变化到-300mm以外时，就地水位计和电接点水位计就失去了监视作用，而CRT中差压式水位计虽可全量程显示，但由于厂家温度补偿设定值等原因造成偏差过大。后经分析、试验，该差压式水位计温度补偿，厂家给定值是50℃，由于加上保温投上伴热后，可使温度升至130℃（由1月13日#3炉汽包水位试验数据证明），受此温差影响，可使水位虚高108mm，而热工人员没有按规程规定，以就地水位计零水位进行校正。所以，在锅炉实际断水时，还显示-328mm（距保护定值尚差56mm），造成保护拒动。当锅炉水循环破坏后，B、C炉水循环泵相继因压差低跳泵，而A循环泵因测量系统故障后，没有采取有效的替代措施而失去了保护功能，只发压差低报警，未跳泵，导致了“MFT”未动作，使得事故闯过了后备保护的最后一道关口。为此，汽包低水位保护拒动、A炉
水循环泵未跳导致“MTF”未动作，是造成事故扩大的一个重要原因。水循环泵未跳导致“MTF”未动作，是造成事故扩大的一个重要原因。 3、运行人员判断失误，使事故没能有效制止，最终酿成大错。锅炉断水后，给水流量计始终有350t/h的流量显示，电接点水位计始终有-300的水位显示，差压水位计始终显示-328mm，并且保护未动，这些都给运行人员一个误导。”
秦皇岛华电测控设备有限公司 2.2.15 案例十五：#1炉汽包水位高致使过/再热汽温低 。 2007年1月26日10：50，#1机AGC方式，负荷从480MW加到560MW，汽包水位A/B/C点：78/330/58mm；汽包水位高报警未发，过热器温度最低降至440/430℃左右，当负荷由560MW降到520MW时，汽温再次降至480/470℃左右，检查云母水位计指示180mm，正常云母水位计应该偏低CRT显示。从DCS工程师站检查，发现固定端A、C两台汽包压力变送器（编号分别为PT01.2、PT01.5）显示近似为0MPa，完全打开该变送器二次阀汽包压力正常，汽包水位A、C显示恢复到正常。 本次满水事件的发生，反映出运行人员对汽包压力对水位修正影响如此之大认识不足，没有在第一时间内作出正确判断，而是片面认为本次减温水改造后汽温特性发生了不明变化，或是锅炉本体再次发生泄漏，延误了处理时间。
秦皇岛华电测控设备有限公司 2.3 锅炉汽包水位测量系统配置设计 2.3.1 汽包水位测量系统的配置组合 根据当前技术发展，推荐新建锅炉应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置和3套电极式水位测量装置，这个三种工作原理共存的配置方式较为理想。3套差压式水位测量装置用于汽包水位控制系统，3套电极式水位测量装置用于汽包水位保护系统，1套就地水位表因是无电源的，可以作为电源消失时的最后监视保证。此外，采用当今最新测量技术后，虽然无论是差压式测量装置和电极式测量装置均能做到准确、全程测量汽包水位，但是考虑到启动时差压式测量装置可能会受诸多因素的影响，例如差压取样管冲洗、泄漏、正负压取样管有温差等，因此，建议锅炉启动时应以电极式汽包水位测量装置为主要监视仪表，这种配置也能满足这种要求。
