关于蒸汽锅炉汽包水位控制的建议.docx

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关于蒸汽锅炉汽包水位控制的建议

编号：

SM-ZD-59589

关于蒸汽锅炉汽包水位控制的建议

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关于蒸汽锅炉汽包水位控制的建议

简介：

该安全管理资料适用于安全管理工作中组织实施企业安全管理规划、指导、检查和决策等事项，保证生产中的人、物、环境因素处于最佳安全状态，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。

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　　1997-12-16，1台SG-1025/18.3锅炉发生了缺水干锅，汽包低水位保护拒动，导致水冷壁大面积变形、多处爆管的事故。

此后，国家电力公司颁布的《防止电力生产重大事故的25项重点要求》列出了防止锅炉缺、满水事故的要求，又编写了辅导教材。

《电力安全技术》杂志相继发表了一些与之相关的文章，其中《汽包全充水启动》一文提出全充水启动以解决启动中汽包温差控制的建议，部分内容涉及对《电站锅炉监察规程》的理解与执行。

笔者对锅炉汽包水位控制的建议如下。

　　 1 水位控制的意义

　　蒸汽锅炉水位是锅炉运行控制的重要参数之一，稳定工况下，撇开假水位因素，汽包水位的升降标志锅炉给水（包括减温水）流量与蒸汽流量的平衡状况，给水流量偏大则水位升高，反之亦然。

广义的水位控制可以包括直流炉中间点温度的控制以及超临界、超超临界锅炉相变点位置的控制，因为它们都标志着对给水与蒸汽流量平衡的控制，决定着省煤器、蒸发受热面（或高比热区）和过热器的分界线，只是直流炉不存在假水位问题，而以其界面的变动显示其动态不平衡。

　　从水转变为汽有一个过程，管内介质汽化的同时发生膨胀，贮水量减少，这种现象称为汽水膨胀，它表现为汽包水位波动，这也常常是亚临界直流炉产生脉动的重要原因之一。

大部分假水位问题与水冷壁管贮水量变化有关，在讨论水位控制时必须重视汽水膨胀问题。

　　汽包炉控制水位的目的主要是控制循环倍率，

　　以避免出现蒸干及高热负荷区域的膜态沸腾；亚临界参数直流炉在转入纯直流状态后，会有一部分受热面内的介质是质量含汽量在0.8以上的双相介质，如果它进入高热负荷区或需要控制管间温差的膜式壁部位，就可能导致受热面变形；对于超临界锅炉，控制高比热区的工作区域也是避免过高温差应力的关键。

汽水双相介质在集箱中有分配均匀性问题，没有适当的措施必然会扩大集箱下游管排的温度偏差，并由此产生管排变形。

　　一般情况下，正确处理缺、满水异常，包括实施紧急停用，并不构成对设备的损伤。

但在汽包炉严重缺水、干锅时，将使部分水冷壁管内工质的质量含汽量升高，出现蒸干现象并使管壁温度升高，而膜式壁的结构决定了其热膨胀互相牵制，从而导致水冷壁翘曲变形，炉壁密封破坏，如果此时炉膛温度足够高，甚至没有熄火，水冷壁可能发生爆管；而当汽包无水或无法判断汽包水位时，继续给水将有可能使厚壁汽包受到有害的热冲击。

汽包炉严重满水则汽包的汽水分离作用遭到破坏，大量湿蒸汽进入过热器，使管间温差增大，严重时导致管排变形，固结件损坏，但更主要的威胁是汽温骤降导致汽机通流部分损坏，同时对主蒸汽管道造成热冲击。

随着锅炉容量的增大，其相对贮能率下降，使参数变化的速率加快，必然要求提高参数控制的灵敏度，其中汽包水位的控制要求尤其严格。

　　 2 关于水位控制的相关规定

　　由于汽包水位对蒸汽锅炉安全的重要影响，世界各国的锅炉监察规程对于汽包水位控制都有相应规定，其中包括水位监视、水位控制和水位保护3个方面。

我国《电力工业锅炉压力容器监察规程》、《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《固定式锅炉建造规程》、电力行业标准《锅炉运行导则》和《防止电力生产重大事故的25项重点要求》等文件对这方面的规定主要有：

（1）运行中锅炉至少配置2台彼此独立的就地水位表和2台远传水位计，当就地水位表故障退出，有2台远传水位计可靠工作时，锅炉可允许短时间继续运行；

（2）远传水位表显示必须定期以直读式水位表的显示为准加以比较，以便及时发现问题，但玻璃、云母、牛眼、电极、磁性翻板等就地水位表的水柱，因其温度低于饱和温度，不能完全代表汽包真实重力水位，差值是水柱温度、水柱高度与汽包压力的函数，因此需要先明确校验点，确定修正值后才能指导常规的水位计校对工作；

　　（3）锅炉点火前汽包水位宜控制在最低水位，以备汽水膨胀时水位上升，减少蒸汽带水并减少热损失；

　　（4）锅炉低水位保护装置的投入是锅炉启动的必备条件，对直流炉则是中间点温度高和断水保护；

　　（5）水位保护动作值由制造商提供，但必须在可测量、可监视范围之内，汽包水位低于水位表可见水位时，最安全的方法是熄火处理；

　　（6）为确保保护装置正确动作，锅炉点火前必须进行试验；

　　（7）为保证水位指示正确，不出现虚假水位，水位表计汽水连接管的走向及管径须符合要求，并确保在水位表计进行冲洗时不互相干扰。

　　现在的问题是：

（1）汽包水位测量问题。

水位测量的基础是连通管原理，测量结果与汽包压力、水柱（表管）温度有关，必须通过压力、温度修正后才能得到汽包的真实重力水位。

现有的各种水位计，有的不能连续测量因而不能用于自动调节，有的比较难以实施压力修正，有的又因表管温度的实际情况不清，无法进行正确的温度修正。

虽然差压水位计接入DCS控制系统较易实现压力、温度的自动修正，但修正方法不当以及冷凝罐内水面未能控制也影响其测量准确性，反映出的现象是各表计的指示偏差大，使运行人员无所适从；

（2）《防止电力生产重大事故的25项重点要求》及其辅导材料的某些提法没有得到理解与贯彻。

　　3 几点建议

　　根据以上情况，参照国内外规程的规定，提出以下几点建议并作相应说明。

　　3.1 蒸汽锅炉必须执行低水位启动原则

　　全充水启动失去了水位监视手段，并意味着过热器进水。

水冷壁加汽包水位以下容积按140m3计，水温从20℃升至100～150℃，汽包水位要上升200～450mm，如果计及要建立起正常水循环，上升管内锅水必须汽化并引起汽水膨胀的因素，水位上升值还要多，因此200MW级锅炉运行导则规定点火前锅炉上水至-100mm，以减少满水风险。

全充水启动延长了开启省煤器再循环阀的时间，增加了过热器管特别是包覆管弯曲变形的风险，而解决启动时汽包上下温差与内外温差的有效办法则是锅炉底部蒸汽加热。

　　3.2 适当控制低水位保护动作值的降低

　　理论上讲，低水位保护装置动作值取决于避免下降管抽空所必须的水头以及水位测量装置的下限。

近年来，由于下降管入口加装消旋装置，水位表计可视范围也不断扩大，保护动作值有不断下降的趋势，有的锅炉保护动作值已在汽包中心线以下600mm多，离汽包干锅仅剩200mm，而且还有随意增加延迟时间的现象。

降低汽包水位控制下限，其实是减少其安全裕度，增加失去水位保护的风险，因此，对低水位保护动作值的降低应作适当控制。

　　原来意义上最低安全水位的确定是基于就地直读式水位表（包括通过工业电视远传的信号），低水位报警值高于可见边缘25～60mm，保护动作值为最低可见值。

当采用远传水位计进行水位控制时，必须在每个远传水位计上明显标出此最低安全水位。

由于水位表柱温度低于饱和温度而需要对直读式水位表的显示进行修正，允许有条件地应用就地水位计的规定以及使用差压式水位计进行水位控制的事实，使有些人误认为动作值的标准也发生转移，似乎是差压式水位计的量程确定水位保护动作值。

其实在低水位情况下，水位表显示的水位与汽包重力水位差别并不大，从可见水位到汽包水连通管管座中心（也就是过去规定用“叫水法”判断汽包内有无水以确定熄火后能否上水的低限）之间是其安全裕度；差压式水位计的测量原理决定其测量范围是从冷凝罐水面到水连通（即负压取样管）管座，相对于直读式水位表扩大了测量范围，取消了上述裕度，而且其可信的测量范围与压力、冷凝罐下正压管的温度有关。

　　笔者认为，以下一些因素是需要此安全裕度的理由：

（1）熄火以后由于水冷壁的产汽量下降，水冷壁管汽水混合物中含汽率下降，表现为水位收缩，据估算，1台300MW自然循环汽包炉满负荷时水冷壁管内蒸汽所占体积达26m3，一旦负荷下降含汽量减少，水冷壁贮水量必然增加，导致水位大幅度下降；

（2）熄火后炉膛温度下降要有一段时间，水冷壁仍需靠炉水循环泵强制冷却或靠自然循环冷却，汽包内仍要有足够的水位；

　　（3）在不清楚汽包内有无水的情况下，如继续进水，就要冒汽包壁受热冲击的风险，如不进水，则要冒水冷壁变形的风险；

　　（4）缺水现象本来是由于给水泵故障引起的，推迟熄火必然冒扩大事态的风险。

　　目前，国内还没有此类安全裕度数值的规定，但一些成套引进锅炉的低水位保护动作值大致为-200～-280mm，而现在许多国产300MW汽包炉仍沿用-381mm的动作值，值得研究。

　　B&W公司在规定可见水位以上13mm实施低水位保护动作外，还规范了按远传水位计低水位保护动作值（延迟20s）如表1所示。

　　ASME锅炉规范第7卷C9.240规定：

应将汽包水位自动跳闸整定到水位表最低可见边缘时动作，切断锅炉燃料供应；有延迟调节的，允许延迟的最长时间为10s。

　　控制循环锅炉另设循环泵压差保护，在循环泵运行的情况下低水位保护其实是后备保护。

本文开始所提事故的原因之一是工作失误导致循环泵差压保护失效，其二是水位保护温度修正值失实。

　　3.3 关于水位测定的修正

　　目前水位测量的准确性问题，除了水、汽连通管（含差压式水位计的正、负压管）的走向布置会影响测量范围，并可能造成假水位外，主要是测量值的修正问题。

　　3.3.1 就地直读水位表的修正问题

　　图1所示为就地直读式水位表工作原理，设汽包重力水位高为HW，则由于水柱冷却造成的水位指示的误差△h为：

　　△h=HW（ρ1-ρ'）/（ρ1-ρ"）

（1）

　　式中：

ρ1——当水位表柱温度为t1时，其中水的密度，kg/m3，

　　ρ'——工作压力下饱和水的密度，kg/m3，

　　ρ"——工作压力下饱和蒸汽的密度，kg/m3，

　　HW和△h的单位为m。

　　若取HW=350mm，则根据不同的情况可求得△h值如表2所示。

　　从表1和公式

（1）可知，汽包压力愈高，汽包水位愈高，则△h愈大，低水位时汽包真实重力水位与就地水位表的指示差别不大，因此水位偏差不是低水位保护拒动的主要原因。

危险性在于对满水状态的确定与处理：

在某种情况下，虽然就地水位表仍有高水位显示，而汽包内重力水位已近汽包水位计汽侧连接管，当前满水事故处理通用方法的危险是事故放水时定排超压威胁。

　　要按就地直读式水位表的指示对其他水位计指示值进行核对，必须确定实际工作压力、水柱温度和水柱高度。

建议实行定点核对，即冷态、工作压力下的零水位校核，要在事前算出修正值，列入校对工作措施。

　　3.3.2 差压水位计的修正问题

　　我国规定就地直读式水位表是锅炉必备的安全附件，英国规定可用电极式水位计替代。

如果电源的可靠性及电极的可靠性得以保证，电极式及磁性翻板式水位计用于保护，原理上没有问题。

但差压水位计是目前唯一可用于自动调节，又易于进入CRT的水位计。

图2是差压水位计的测量原理。

　　若汽包重力水位为HW，冷凝罐水面到水连接管管座之间的高差为H，冷凝罐引出的正压管和汽包水侧引出的负压管间的差压为△p，则HW和△p的关系是：

　　HW=[H（ρ2-ρ"）-△p/g]/（ρ'-ρ"）

（2）

　　式中:

ρ2——正压管内介质温度t2下水的密度，kg/m3，

　　ρ'，ρ"——工作压力下饱和水和饱和蒸汽的密度，kg/m3，

　　g——重力加速度9.8m/s2，HW和H的单位为m，△p的单位为Pa。

　　图2表明，要按差压△p求汽包水位HW，必须确定高差H、正压管温度和工作压力。

即必须先进行温度、压力修正，才能在CRT上显示正确的水位。

差压水位计可能测得的最大及最小差压如下：

最大压差时，HW=0，△pmax=Hg（ρ2-ρ"），最小压差时，HW=H，△pmin=Hg（ρ2-ρ'）。

若取H=2×430mm，各种工况下其可能测得的最大及最小差压如表3所示。

　　表3说明差压式水位计可用以测量的范围也与工作压力、表管温度有关。

若表管温度是50℃，19MPa下的最大差压是7.19kPa，修正后的水位是-430mm，若实际表管温度是130℃，可信的最大差压是6.75kPa，如仍按50℃进行温度修正时，其水位指示应为-314mm，二者差值116mm。

　　本文提及的事故锅炉的低水位保护动作值为-381mm，当正压表管实际温度为50℃时，低水位保护动作值的相应压差为7.0kPa,大于表管温度130℃时可能出现的最大压差6.75kPa，因此当表管实际温度为130℃，而用50℃进行修正时，低水位保护必然拒动，此时不管水位有多低，差压水位计的显示将始终停留在-314mm，造成“汽包有水”的假象，说明没按实际温度进行修正是上述事故中低水位保护拒动的主要原因，也说明冷态实际保护动作试验由于不涉及表管温度修正问题，也可能发现不了此类修正不实的问题。

　　3.4 有关水位测量装置使用中的几点建议

（1）冷态低水位传动试验可以提前发现保护拒动的各种原因，但不一定能发现表管温度修正不实的问题。

建议正压表管外加温度计与表管一起保温，并将此温度信号引入水位修正系统，以求按实修正并确保温度相对稳定；当然冷态高低水位试验还是必要的；

（2）差压水位计的冷凝罐建议采用卧式带球形封头的形式，不保温，直径10cm，容积800cm3左右，以保持水面相对稳定。

平封头，特别是在其角部未焊透的情况下不能承受温度交变应力，比较危险；

　　（3）只有按实际工作压力和表管温度修正后的差压水位指示表才可以在表面上标明水位保护动作值，否则要将差压式水位计的可信测量范围通知运行人员，以免误导；

　　（4）各厂为取得可靠的汽包水位测量结果作了许多改进，建议从测量原理加以剖析和审视，务使汽包水位指示准确、可靠。

　　3.5 关于直流炉的缺水问题

　　要同样重视直流炉的缺水问题，不能因为其没有汽包而失去对汽水界面的控制。

一些直流炉在调试阶段发生的水冷壁变形翘曲就与此有关，留下了难以恢复的缺陷，增加了炉膛的漏风，影响炉内燃烧的优化，因此必须同样重视直流炉汽水流量平衡的控制。

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