姜晓光
高级工程师，（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)就职于中煤西安设计工程有限责任公司电力所，现从事火力发电厂热工自动化设计工作。

摘要：本文对热电厂液位测量几种方式进行介绍，并对各自存在问题进行分析，可供类似工程应用参考。

关键词：液位测量；应用

Abstract: The article introduces several liquid level measurement methods of the Heat and Power Plant, and analysis of corresponding problems, and applies to the similar projects.

Key words:  liquid level measurement; Application

1    引言

    1.1  主要压力容器液位测量点

    热电厂压力容器液位测量点主要有：汽包、除氧器、疏水箱、高低加等。其中汽包液位测量是最重要也是最关键的测量点，在启动调试过程中如果不能全工况测量，水位保护不能投入，会增加事故的几率并扩大事故的危险性。供热期间如果出现问题会导致锅炉不能正常工作，无法确保机组的持续稳定运行。

    1.2   测量主要方式

    目前电厂对压力容器液位测量（模拟量输出）方式主要有：差压变送器、导波雷达、电容探头式等。其中差压变送器是比较传统的测量方式，最近几年随着液位计技术的发展，尤其是电容探头、导波雷达等对介质工艺条件承受能力提高，测量筒技术的改进，使其越来越多地得以在高压和高温条件下应用。

2     汽包液位测量

    2.1   差压变送器测量方式

    2.1.1锅炉汽包的液位测量采用差压变送器方式，其取样如图1、图2所示（单室和双室）。

图1


图2

    2.1.2存在主要问题

    （1）由于水侧绝温，不能保证测量筒与锅炉本体的温压一致性，造成取样水位与锅炉本体水位存在极大的负差。

    （2）取样容积大，测量迟滞较大，不能即时反映水位变化，导致测量信号调节质量较差。

    （3）取样管材数量多，冬季保温和露天拌热比较复杂，施工量大，安装周期长。

    （4）由差压、压力、温度、流量、系统演算等多部分组成，集成可靠性低，维护量大。

    （5）受汽包温压变化及环境温度变化的影响很大，不能完美解决因水侧绝温造成的系统测量误差的密度补偿问题。

    （6）平衡容器类汽包液位计直接使用成本（冷凝筒散热）和维护成本（每年的校验、施工）高，其综合使用成本远远不是表面采购成本反应的数值。

    （7）锅炉启炉时，参比水柱（P+）取样管无水，需时间等待凝结水注满，这段时间平衡容器类液位计无法正常工作（无法建立正常差压条件），锅炉启动前的水位无法集中监视，保护也不能投入。

    （8）锅炉降压运行时，参比水柱（P+）汽化，导致平衡容器类液位计“假水位” 测量，给锅炉生产造成巨大的安全隐患。例如：因设备原因（如汽侧阀门泄露）造成汽包压力急剧下降，参比水柱汽化导致平衡容器类液位计处于“假水位” 测量，液位计读数为中高值（正差大），不能及时引导设备大量补水，无法启动保护连锁装置，操作工能不能及时判断事故真相、断然采取手动保护，是能否减少损失（本体过热、大面积爆破）的关键。

    2.1.3典型事故案例

    据统计,我国锅炉缺、满水事故已占锅炉生产事故的12％以上，其中启炉过程中出现的事故占锅炉缺、满水事故80％左右。

    这些事故的发生是多方面的，但有许多电厂没有真正理解各种汽包水位测量技术的原理和误差有一定关系，当各水位计示值不一致时，人为的通过调整差压水位计零位、修改补偿公式等方法，使差压水位计与云母水位计保持一致，这样有可能把很多潜在的导致测量误差的安装因素掩盖了。

案例一：

    河北一热电厂高压加热器保护动作，由于高压加热器旁路电动门连接键脱落，导致出口水门关闭，而旁路门未开，致使锅炉给水中断，汽包严重缺水，实际水位降至-400mm以下。此时，就地双色水位计（量程+200~-200mm）见不到水位，电极式水位计（量程+300~-300mm）最后一个灯显示绿色，三台差压水位计显示（量程+400~-400mm）停留在-320~320 mm之间，因差压水位计输出达不道保护定值（-384 mm），故低水位保护信号一直未发，保护拒动。经过分析，水位计量程小和测量误差大是事故扩大主要原因，差压水位计量程虽然可以达到-400 mm，低保护定值也在其量程范围内，但由于参比水柱温度变化造成的误差而使实际水位低于-400 mm后，水位计仍停留在-328 mm左右波动，根据DCS组态，差压式水位计压力补偿计算是在平衡下参比水柱温度为50℃的情况下进行的。但是，由于该厂不恰当地对参比水柱管采取了保温拌热措施，致使温度远高于设定值，经测试约升至130℃，可使水位虚高108mm。因此，当汽包水位降到差压水位计量程下限及以下的严重缺水情况下，水位计就始终停留在上述范围内不变化了，从而导致保护拒动。

案例二：

    安徽省某电厂电极点水位计一次门泄露，使临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。导致差压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变送器，因此，低水位保护也拒动。辛亏运行人员发现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。

案例三：

    山西某电厂启动过程中，负荷60t/h，压力1.2~1.8Mpa，差压水位计不能正常投入，电极式水位计测量筒水脏显示不正常，与司水联系，因未能准确报告水位，导致锅炉长时间缺水，烧坏246根水冷壁管，构成重大事故。

    除了以上因素外，传统差压测量由于受排污、压力参数补偿错误等原因造成事故的例子还很多，由于测量环节增多，必然形成隐患几率就加大，如何采用直接测量方式，取消不必要的中间环节是解决问题的主要途径。

    2.2   导波雷达测量方式

    导波雷达传感器能够发射6GHZ~26GHZ持续时间大约1纳秒的很短的频率雷达脉冲，被介质反射回来的雷达脉冲被天线作为回波接收。雷达脉冲从发射到接受的运行时间与天线到被测介质表面的距离成正比。被计算出来液位高度被转换成输出信号。

    陕西一50MW热电厂锅炉汽包液位采用了导波雷达测量方式（为安全起见，还设有其它测量方式），具体连接方式为：取消平衡容器，采用连通管将测量筒与汽包直接连通（中间加设隔离阀门），导波雷达安装在测量筒顶部，因为该工程锅炉为室外紧身封闭，地处陕北高寒地区，为避免外界低温影响，测量筒采用电拌热，通过前段时间试运行来看，还存在以下问题：

    （1）无法消除液面波动影响，尤其是启动过程中液位变化比较频繁的情况下更严重。

    （2）压力和温度变化对测量实际值有干扰，精度保证不够。

    （3）测量筒与料位计匹配还存在偏差，无法作为保护取值点，达不到全工况准确测量。

    原因分析（如图3所示）。

图3  测量筒内介质实际分布图

    由于温差会造成蒸汽侧形成凝结雨区，一旦凝结雨区达到一定密度，会使导波雷达产生误测量，消除凝结雨区需要增大测量筒的直径，并且要消除温差。但这两点在实际工程应用中还有一定难度，一方面厂家目前还无法提供准确数值，另外过大直径测量筒对于安装和拌热都增加实施难度。

    导波雷达类液位测量技术在常温、常压下的应用瞬时功耗就达几百毫安。由于蒸汽、凝结水会造成微波的大幅衰减，导波雷达类液位计在压力容器下的应用功耗会成倍增加。仪表是常年累月的连续应用，功耗过高也会降低产品的使用寿命。凝结雨区给导波雷达类液位计带来的干扰通过增加功耗还无法从根本上消除，如果在测量筒与汽包蒸汽连通管之间加设平衡容器以消除蒸汽侧影响，这样又增加了检测环节和故障点。

    2.3   智能电容测量方式

    工作原理：利用液位变化与其对测量探极产生的电容变化之间的关系，通过专用模式系统软件将检测的电容变化经补偿计算后，输出与物位变化成正比的模拟信号。

    传统的电容液位计采用单探头测量方式，该方式仅适用介电常数e相对恒定，介质对探极的粘附率相对恒定，但有些液位测量环境变化非常复杂，存在同一被测介质的介电常数及粘附率等参数随温度、压力变化而变化，这些变化将导致实测的单位电容变化值对应的液位高度变化值与标定值产生差异，进而导致测量误差，单探头因自身没有补偿这种影响的能力，所以未能应用起来。

    目前，国内已有制造商依靠自身研究和专利，开发出具有实现液位测量自动补偿的三探头电容式液位计测量筒。该产品是在一同轴套筒式测量探极的高位端（高于被测介质液位变化最高点处）及低位端（低于被测介质液位变化最低点处）以联通管形式各并接一同轴套筒测量探极即由#1、#2、#3三个同轴套筒测量探极相连组成的三探头测量筒，其中#1为主测量，其探极测量制作高度一般以符合现场要求的有效测量量程为准。#2、#3探极的制作高度一般是#1高度的六分之一至三分之一。同时三个探极的参考地极金属管内径、金属棒探极外径、绝缘层厚度、材质等物理指标均一致，用于保证三个探极能同时测量同一种介质及保证探极在相同环境下测量同一单位高度被测介质液位变化时引起的测量电容变化值完全一致，#2探极实测时被置于空筒即高位端状态，用于对#1、#3测量筒空筒电容标定值进行修正，主要消除气或汽态介质介电常数的变化及被测介质对探极的粘附率的变化对测量带来的影响，#3探极在实测中被置于介质满筒即低位端状态，用于对#1测量筒满电容标定值进行修正，主要消除被测介质介电常数变化对测量的影响，三测量筒辅以三个电测指标一致且精度很好的电容测量探头和相关变送显示单元，就构成了一套具有液位测量自动补偿功能的液位计。经过多个项目的实际应用来看，基本实现全工况条件（锅炉启、停、排污、事故工况等）下液位准确连续测控功能，不存在“假水位”测量，配套提供接点信号输出后，完全满足监视和保护需要。

    从投资角度来看，该产品初期投入比前两种测量方式高，如果连续使用超过三年，和差压变送器方式比，其节约的燃料费和日常维护费用要低得多，应该说具有长期的经济和安全效益。

3    高加等液位测量

    高加、除氧器同汽包特性相似，传统差压变送器与平衡容器配合测量液位与汽包的应用存在同类问题。
导波雷达在除氧器、高低加、热水井水位应用成功的案例比较多，尤其是低加、热水井水位效果很好。除氧器、高加主要是其汽侧温度和压力都不高，测量精度要相对汽包偏低，虽然存在一定波动，但比传统差压变送器测量稳定、维护量要少。为减少凝结雨区的出现，测量筒的选取拌热保温也很重要。

4    结论

    如果投资允许，汽包液位测量从实现全工况监视和保护，消除安全隐患，促进热电厂持续稳定运行来看应该选用三探头电容式产品。高低加、除氧器、热水井等液位监测应用导波雷达和电容测量方式也是今后趋势。

其他作者：

    孟凡勇，就职于中煤西安设计工程有限责任公司电力所，现从事火力发电厂热工自动化设计工作，工程师。