汽包水位是最令人難以捉摸的參數(shù)

1、汽包水位是最令人難以捉摸的參數(shù)淮安維信儀器儀表有限公司 高維信通常，人們憑感性知識認識汽包水位。運行人員看到汽包云母水位計顯示的清晰水位，就以為是汽包內(nèi)的真實水位。如果告訴他，這不是汽包內(nèi)的實際水位，他會立即反問：難道眼睛看到的還有假？清晰的水位隨著給水流量增加而上升，隨著給水流量減少而下降，為什么不是汽包內(nèi)的實際水位？在描述汽包水位時，教科書和一些文獻使用了諸如“虛假水位”、“膨脹水位”、“冷縮水位”、“實際水位”等概念，這在火電廠熱工測量參數(shù)中是絕無僅有的。使用這些概念無疑地加重了汽包水位神秘性，使那些和汽包水位打交道、又想了解它的人們望而卻步。以致很多人，其中包括一些熱工和鍋爐運行人員，

2、僅知道嚴重的汽包水位事故會損壞鍋爐或汽輪機，而對汽包水位參數(shù)缺乏進一步了解。盡管大型汽包鍋爐運行已有很多年歷史，但在汽包水位基本理論、測量監(jiān)控技術(shù)、水位運行研究等方面，“不清楚”之處甚多，仍然有很多問題有很好解決，這在火電廠熱工測量參數(shù)中也是絕無僅有的。對于鍋爐汽包水位計，我國相關(guān)規(guī)程、規(guī)定在近十年來屢屢進行修改，表明原有關(guān)條款確有“說不清道不明”、“難以執(zhí)行”的不切實際之處，甚至有明顯錯誤。國家級規(guī)定尚且如此，足見汽包水位的確是最令人難以捉摸的、甚至是令人煩惱的參數(shù)。實際水位是什么我們說云母水位計顯示的不是運行鍋爐汽包內(nèi)的真實水位，其原因之一是汽包內(nèi)根本不存在清晰的汽、水界面，假設(shè)汽包是透明

3、的，也看不到清晰的水位。這盡管令人不可思議，但的確如此。汽包作為水位測量的對象，流入介質(zhì)有來自鍋爐水冷壁的汽水混合物，來自省煤器的給水，還有來自化學系統(tǒng)的加藥水，流出介質(zhì)有飽和汽、流向下降管的爐水循環(huán)水、連續(xù)排污水和定期排污水，汽包內(nèi)的汽流、水流速度分布及汽水分離等工況極為復雜。由于汽水分離是在有一定高度的空間內(nèi)進行的，又由于鍋水中含有的有機化合物、懸浮物、油脂和堿性物質(zhì)在水面形成泡沫層，那么在汽室與水室之間就存在一個汽水混合層，也叫汽水模糊層，其厚度與上述因素有關(guān)，通常大約為100200mm。汽水混合層的邊緣高低不平，各處的厚度也不盡相同。在汽水模糊層斷面上，從下至上濕度分布不同，下部大，上

4、部小，濕度變化曲線的中間有拐點，拐點的濕度變化率最大，好象飽和水和飽和汽在拐點發(fā)生了形態(tài)突變。這是汽水模糊層突出的物理特征，也是汽包水位的基本特征。無數(shù)個拐點組成曲面。曲面上下的介質(zhì)濕度突變。曲面就類似于汽水界面，將汽包分為汽室和水室。因此，公認的汽包內(nèi)的實際水位定義是，汽、水混合層濕度沿高度分布曲線的拐點面。汽包的主要功能是汽水分離和貯水。研究鍋內(nèi)過程、設(shè)計汽包內(nèi)部裝置，需要能反映汽包內(nèi)實際工況的參數(shù)實際水位。實際水位就是汽水模糊層濕度沿高度變化曲線的拐點面。它是客觀存在的，不是假想的。飽和汽品質(zhì)與實際水位高低直接相關(guān)。為了確定水位運行最佳值，即0水位線，上海和哈爾濱鍋爐廠的1025t/h亞

5、臨界鍋爐汽包內(nèi)配置有“多點液面取樣器”，以便檢測化驗汽水混合層厚度上各點取樣水的電導值，電導變化最大的兩點區(qū)間為實際水位所在區(qū)間。電廠也可以利用“多點液面取樣器”確定水位運行最佳值，但由于試驗很費時間，且實際水位的檢測值的離散性很大，故目前尚不能用于汽包水位的實時監(jiān)控。利用水和水蒸氣對射線的吸收率不同可以尋找汽水混合層濕度變化率最大部位，也可以測量實際水位。不過，射線水位計會逸散射線，影響人體健康，人們對射線水位計有恐懼感，又因為必須在鍋爐壓力、負荷和水位穩(wěn)定時才能準確測量，一些電廠安裝這種水位計后只好拆掉。實際水位長期在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)運行，必然在汽包內(nèi)壁上形成高度為100200mm水跡帶，水跡

6、中心線可近似代表實際水位運行線。水跡中心線大體上是水平的，盡管局部有高有低。以假控真的戲劇性手段上面講清了什么是實際水位，以及沒有實用的測量裝置，算是回答了運行人員關(guān)于云母水位計清晰顯示的反問，那么云母水位計顯示的水位又是什么？云母水位計顯示的是假想的、根本不存在的質(zhì)量水位。所謂質(zhì)量水位就是，就是假設(shè)汽包內(nèi)汽、水完全分離而形成的汽水界面。按此概念，界面以下的飽和水中沒有飽和汽泡，界面以上的飽和汽中沒有水滴，則可以用云母水位計、電接點水位計和差壓水位計測量之。以假想的、實際上不存在的質(zhì)量水位測量，控制汽包內(nèi)確實存在實際水位的實時運行。這種頗具戲劇性手段在熱控中極不多見。這種戲劇性手段的使用與效果

7、必須滿足兩個條件：一是，實測的質(zhì)量水位和實際水位相高差較小。由于汽水混合層以下的水中也含有少量汽泡，實際水位總是高于質(zhì)量水位的。因為鍋爐廠的0水位線是按實際水位標定的，如果相差很大，則不能保證汽水分離效果最好，使飽和汽品質(zhì)最佳。現(xiàn)有的教科書和文獻認為，質(zhì)量水位比實際水位偏低很多，可達100甚至數(shù)百mm。但試驗證明并非如此。例如，河北馬頭發(fā)電總廠8號爐和江蘇華能淮陰電廠2號爐都以電接點水位計（配套淮安維信儀器儀表有限公司的獨家專利產(chǎn)品GJT-2000電接點測量筒）為監(jiān)視主表控制水位運行三四年后，實際測量汽包水跡中心線與鍋爐廠規(guī)定的0水線的偏差，分別偏低23 mm、10 mm。表明質(zhì)量水位已接近實

8、際水位，用質(zhì)量水位控制實際水位運行完全能達到鍋爐廠的要求。二是，應(yīng)能保證安全運行。質(zhì)量水位很接近實際水位，理論上，質(zhì)量水位的變化能反映鍋爐給水流量與蒸汽流量之間的質(zhì)量平衡，又可反映實際水變化趨勢，顯然可以用于實際水位運行監(jiān)視、自動調(diào)節(jié)與保護，運行當然是安全的。因此，在后面的文獻中出現(xiàn)的“汽包水位”一詞，如無特指，就是汽包質(zhì)量水位。質(zhì)量水位測量的復雜性與困難性長期使用的云母、電接點和差壓水位計測量質(zhì)量水位，其原理是基于重量水位的測量，極易受汽包內(nèi)的汽水流的干擾。其干擾因素多，又極為復雜：汽水流速分布不均，各處流速分布的變化具有隨機性，汽包內(nèi)部設(shè)備異常、燃燒中心偏移、負荷變化等，都會引起汽包內(nèi)的汽

9、水流的變化，導致水位計測量準確性差，穩(wěn)定性差。這就決定了測量的復雜性與困難性。汽包內(nèi)各點水位不盡相同，測量易受干擾，準確穩(wěn)定測量難度大。這些特點決定了必須實行多點測量。正因為如此，至今尚未研制出一種汽包水位計能很好滿足監(jiān)視、自動調(diào)節(jié)、保護（包括水位高低停爐、聯(lián)鎖及熱工信號報警）三個功能子系統(tǒng)的性能要求。為了提高汽包水位監(jiān)控保護系統(tǒng)準確性和可靠性，采取“化難為易”的策略，針對每個子系統(tǒng)對測量儀表性能的不同需求，研制出不同種類的水位計，形成在用儀表的多樣性，多種水位計長期共存的現(xiàn)象。每一種類水位計又是“五花八門”。例如：就地水位計就有玻璃板式、云母板式、牛眼式；電接點水位測量筒有單筒測量筒、熱套式

10、測量筒、最新的GJT2000高精度取樣高可靠性傳感測量筒；單室平衡容器有傳統(tǒng)式、最新的參比水柱內(nèi)置式、最新的GJTD參比水柱雙恒式；雙室平衡容器有熱套式、熱套中間抽頭式、最新的GJTD雙恒式。還有一些已經(jīng)淘汰的水位計這在此就不一一列舉了。應(yīng)用“五花八門”的水位計測量一種參數(shù)，在電廠熱工測量中是沒有的。汽包水位運行的奇特性汽包水位有其固有特性。質(zhì)量水位測量極易受一些莫名其妙的干擾。水位運行工況又由水位計測量表述。因此，汽包水位運行中的一些奇特現(xiàn)象既是質(zhì)量水位固有特性的反映，又是水位測量特征的反映。當燃燒突然變化時，在給水流量與蒸汽流量沒有變化時，即二者之間的質(zhì)量平衡未破壞的情況下，水位會有較大變

11、化。其原因在于，爐膛熱負荷變化導致水冷壁管內(nèi)水沸騰的其始位置上下變化，使汽水混合物中的汽泡增多或減少，水所能占有的空間減少或增多，引起汽包蓄水量變化。正常運行時汽包水位本來是可以反映給水流量與蒸汽流量之間的質(zhì)量平衡情況的，但在給水流量與蒸汽流量未出現(xiàn)明顯變化時，汽包水位卻出現(xiàn)明顯變化，變化量俗稱為“假水位”。很多人認為汽包內(nèi)的水面應(yīng)該是水平的。當汽包兩端水位顯示偏差很大時，總把問題歸結(jié)于水位計。但檢查水位計又是正常的，很令人不解。對于汽包兩端水位偏差進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，同一鍋爐幾個運行班的偏差的差異很大，有的偏差很小。進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)各班的燃燒控制調(diào)整方式不同，那么就可以推斷爐膛火焰中心發(fā)生了偏移

12、，引起兩端水位偏差。分析如下：1. 例如燃燒中心偏向爐膛A側(cè)，該A側(cè)水冷壁管內(nèi)水沸騰的位置下移，汽水混合物流量加大，則由汽包A端、下降管、水冷壁組成循環(huán)回路中的循環(huán)流速增加，使汽包A端水位升高。這種情況與燒開水鍋中的中間水位高相類似，中間火大，中間水位高。2. 例如爐膛火焰中心偏向爐膛A側(cè)，與B端相比，涌向汽包A端的汽水混合物多，飽和汽流速大，則A端水位計汽側(cè)取樣口附近的汽流速度大，取樣口靜壓小。由于連通器取樣，A端水位計測量顯示高于B端。上述兩種因素的共同影響，汽包兩端水位計顯示出現(xiàn)偏差就不足為奇了。如果進行針對性處理可以減小甚至消除偏差。例如，河北馬頭發(fā)電總廠8號670t/h鍋爐汽包兩端的

13、水位偏差可達80 mm，精心調(diào)整燃燒，兩端的水位趨于一致。江蘇華能淮陰電廠兩臺670t/h鍋爐在機組200MW以下負荷時，汽包兩端的水位偏差很小，但200MW以上負荷時，汽包兩端的水位偏差可達100150 mm。經(jīng)分析，奇怪現(xiàn)象的原因在于，氣輪機增容到230MW，但鍋爐未作相應(yīng)改進，當負荷增加到200MW以上時，鍋爐已處于最大出力，已無手段調(diào)整爐膛火焰中心了，以致汽包兩端水位計顯示出現(xiàn)嚴重偏差。安全門動作時，水冷壁中的汽泡密度隨著汽包壓力降低而膨脹，汽泡膨脹導致大量的汽水混合物進入汽包，使汽包內(nèi)水位階躍升高，此時水位叫“膨脹水位”。這是由工質(zhì)特點決定的，不可避免。如果水位計性能較差，在測量中會

14、有奇異表現(xiàn)：在汽包壓力很高時，云母水位計和電接點水位測量取樣水柱冷縮，汽包水位愈高，冷縮愈大，文獻稱為“冷縮水位”，顯示嚴重偏低，已基本失去監(jiān)視使用價值；而在壓力很低時測量卻是準確的，運行人員在鍋爐點火升負荷階段又離不開它。無論汽包壓力多高，云母水位計和電接點水位在汽包水位很低時的測量卻又是準確的。不少電廠在發(fā)生嚴重缺水事故時以此而及時手動停爐，使鍋爐“幸免于難”。差壓水位計理論上能準確測量，但不爭的事實是，運行中會莫名其妙地發(fā)生大幅度測量漂移，又很難檢查出測量系統(tǒng)有什么問題。汽包內(nèi)各點水位不盡相同，某點水位可能會隨時發(fā)生異常變化，又由于水位計本身會隨時有這樣那樣問題，因此，水位計異常顯示著實令人“真假難分”。對汽包水位認識的飛躍汽包水位是最令人難以捉摸的參數(shù)長期以來，對汽包水位認識深化緩慢的重要原因之一在于，汽包水位測量問題屬于熱控與鍋爐兩專業(yè)之間的邊緣課題，理論深化研究與許多具體技術(shù)問題的解決必然涉及到兩專業(yè)，而兩專業(yè)相互合作較差，影響了科研部門和高等院校的課題研究攻關(guān)。電廠、基建、設(shè)計院的專業(yè)習慣分工尤為分明，熱控方提出需要解決的問題，由鍋爐方負責解決，雙方往往相互推委，以致有些問題長期不能 解決。1997年12月16日秦皇島熱電廠重大缺水事故徹底暴露了汽包水位測量監(jiān)控保護長期存在的一系列問題，促進了汽包水位理論研究不斷深