《热工自动化信息》 2003 第1期 汽包水位监控保护测量系统配置优化
淮安维信仪器仪表有限公司 高维信
摘 要：简析汽包水位运行监控任务与需求、测量装置现状。重点分析在用监控保护一次测量系
统优化配置问题，优化配置思路。
关键词：汽包水位； 监控保护；一次测量；配置优化
在目前技术条件下，充分满足汽包水位运行监控需求，可靠防止大型锅炉汽包满缺水重大事故，难点在于汽包水位测量系统，更确切的说，在于一次测量系统。
汽包水位参数的特殊性决定了准确稳定测量的困难性。至今尚未研制出一种仪表能很好满足监视、自动调节、保护（包括水位高低停炉、联锁及热工信号报警）三个功能子系统的性能要求。为了提高汽包水位监控保护大系统准确性和可靠性，采取“化难为易”的策略，针对每个子系统对测量仪表性能的不同需求，研制出不同种类的汽包水位表，形成在用仪表的多样性。这就要求监控保护系统设计，根据现有仪表的性能状况优化配置子系统的一次测量系统。但是，优化配置问题未能很好解决，未能充分满足运行人员监控需求，以致近20年来严重满水和缺水事故仍时有发生，一般性事故、障碍、异常则更多。
1.优化设计应面向运行人员
运行人员安全监控任务是：了解水位大致分布，实时准确监控水位以保证饱和蒸汽品质最优；要经常进行仪表在线分析，诊断指示真假；要根据水位计异常现象诊断汽包内部设备是否异常、燃烧中心偏移等，为预防维修和运行优化提供依据；监视自动调节与保护系统工作状态，如失灵，应及时人工干预，例如，保护拒动时应果断手动停炉；还要完成某些特殊操作监控，例如，停炉后汽包上水操作和满水状态之监视，缺水停炉后及时判断可否补水，尽快恢复运行。
人工监视、手动停炉依然是防止严重满、缺水事故设备损坏的重要手段，应设计可靠的手动和自动停炉双重保安系统。要保证监视和手动停炉可靠，则需：主要仪表（基准表）测量准确、稳定、可靠，不需要经常核对与调整；常显示，并醒目直观；仪表彼此偏差小于30mm；仪表量程和分辨率搭配合理，辅助仪表中应有大量程水位表；仪表冗余度高，以保证了解水位大概分布，诊断内部设备运行情况，在线仪表对比快速分析何表准确、何表失常，按“三取二”判据快速确认事故水位而果断手动停炉。
应强调指出，期望靠运行人员现场能力发挥避免事故，无异于把运行人员推到“刀口”上。因此，水位停炉保护实际动作值误差小，保护与报警可靠性极接近于1，从锅炉点火时保护能可靠投入，保护与自调系统同时退出运行的概率极小。 2.“5套配置”问题
采用DCS后，汽包水位监控保护系统准确性、稳定性和可靠性，主要取决于各个子系统测量装置优化配置和足够的冗余度，冗余信号独立测量设计。
“5套配置”，即“2套就地水位表和3套差压式水位测量装置”，是以差压水位计实现三个功能子系统功能：监视仪表系统，以CRT差压水位计为监视系统基准表（主表），以1个云母（或牛眼）水位计（可带工业电视，即水位TV）、1个配套普通测量筒的电接点水位表为辅助仪表；“三选中”自动调节和 “三取二”保护系统信号取自3套差压水位计。不难发现该配置存在一系列问题，与运行人员需求、与一流监控保护系统差距较大。 2.1监视仪表系统问题 2.1.1水位计0位偏差大
假定差压水位计一次测量系统完全符合规定要求，压力和环境温度修正参数完全符合测量现场实际，则可在全量程内示值真实。配套的云母水位计（水位TV）和电接点水位计0水位负误差，在压力
［1］
为18.40—19.60Mpa时可大到150mm，其显示值比差压水位计低150mm。显然3种水位计0位偏差远超过30mm。
为了实现3种水位计0水位一致，降低云母水位计（水位TV）和电接点水位表安装0位，虽能实现其0位定点校正，但在汽包水位高至满水停炉值时读数依然偏低很多，接近缺水停炉值时反而偏高
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很多，显然会干扰运行人员的事故水位判断，影响手动停炉。
我国电力调度管理对发电机组非计划停运处罚严厉，人员在没有确认事故水位前绝不敢贸然手动停炉。例如，秦皇岛热电厂锅炉重大缺水事故，云母水位计量程小对事故水位判断作用不大，电接点水位表误指示为－300mm，尚未到停炉值，差压水位指示虚高108mm，亦未到停炉值，是未能及时手动
［2］
停炉的主要原因之一。
2.1.2 差压水位计作为基准表问题多
差压水位计主要缺陷是，测量不稳定，运行中0位易大幅度飘移（即“0飘”）。其原因是：影响单室平衡容器参比水柱平均温度的因素很多，压力与环境温度准确修正技术难度大，实际修正误差较大；正负压脉冲管路稍有温差即产生无法估算的附加差压；一次测量系统的轻微泄漏、管路滞留空气等亦会产生很大附加差压。应指出，热工人员很难诊断出“0飘”原因。运行人员对差压水位计信任度最低。差压水位计能够准确测量是以理想化和纯理论性的结论。在以哪个水位表为准监控水位运行管理上，将其人为“升格”监视基准表（主表），无疑未能面向热工人员，还会使运行人员陷入“差压水位计显示可靠”误区，不利于事故水位诊断。
差压水位计实际测量误差之所以被忽视，是因为没有配套更准的仪表与之比较，定量揭示“准确测量”的模糊性。
某电厂600MW机组亚临界锅炉，在汽包接近额定压力运行时，电接点水位表的负误差计算值约130mm，指示值为－60mm，推算汽包内水应为＋70mm。差压水位计应指示＋70mm，但实际指示为 0水位，表明实际误差为－70mm。
山西阳光发电有限公司（阳泉二电厂）2号炉（亚临界压力、1025t/h）电接点水位表改进配套GJT-2000型汽包水位高精度取样电极传感器（测量筒），为证实取样是否真实，以电极式热偶套代替电极安装在测量筒内，于2002年11月12日，以 K分度号Ⅰ级热电偶测量汽侧、水侧温度，水侧平均温度与汽侧温度偏差不大于2℃，证实电接点水位表测量准确，完全能在全量程范围内、不同压力下准确核对差压水位计。而该炉差压水位计配套单室平衡容器，修正软件为西门子专用软件，在280～300MW负荷时，差压水位计比电接点水位表偏低约15mm；在180MW负荷时，偏低约50mm；在120～130MW负荷时，偏低约100mm。表明汽包压力愈低，误差愈大。可推知，在点火至50MW负荷时，误差大到可使仪表完全失效的程度。
由于差压水位计易大幅度0飘，误差模糊，不得不规定每班要参照云母水位计显示核对0水位，热工人员定期进行环境温度再校正。显然在技术逻辑上与基准表概念矛盾。况且，以误差大的云母水位计为准校核，需按锅炉厂要求降低安装0位，并且只能在额定压力下核定0水位点。很不方便，也难于准确校核。一旦仪表监督失误，将影响安全运行。
显然，选择差压水位计为监视系统基准表(主表)并非最佳配置。 2.1.3未满足运行特殊监控需求
为保证停炉后汽包上下壁温差不超限，为缩短停炉待检工期，应采取汽包满水冷却措施。没有大量程水位计，单凭经验上水操作，往往上水过高，使较冷的水进入饱和汽联箱、过热器，形成局部热应力集中。有的锅炉在集汽导管与联箱接管座的多道焊缝出现裂纹，可能与此有关。缺水停炉后的事故水位通常在水位计下限以下。运行人员无法知道实际缺水事故值。为了保证锅炉安全和尽快补水恢复运行，一般要由总工程师到现场判断能否补水。办法也只能是足够的等待和凭经验判断，既拖延处理时间，又有一定的冒险性。
显然，运行需要量程大于汽包直径的远传水位表，而“5套配置”没有满足这一需求。
有的锅炉配套的大量程电接点水位计只能适用于停炉后，在锅炉运行时测量筒“满水”或“缺水”，必须退出运行，停炉后又须及时恢复测量，很不方便。 2.2保护信号不独立
由于一些锅炉汽包水位测点过少，被迫采用5套配置设计，必然导致保护与自动调节两系统合用同一变送器，如果信号取样测量系统有问题，将导致两个冗余系统同时“部分”或“全部”失效，形成危险集中，不符和现代控制设计有关规定。
重大反措[1]规定，“锅炉汽包水位高、低保护应采用独立测量的三取二的逻辑判断方式”。《火力发电厂热工自动化设计技术规程DNGJ16—89》6.1.4规定，“保护用的接点信号应取自专用的开关量仪表”。“当前，许多国际标准均要求控制系统与保安系统分开。AICHE指出，在基本控制系统和安全联锁系统之间应在地理上和功能上分开；IECTC65WG10标准规定，受控设备的控制系统应与安
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全相关系统及减小危险的外部设施相互分开和独立；ISASP84标准也指出，用于控制系统的传感器不应用于安全系统。美国核工业系统有关规定也指出，安全系统应考虑冗余，冗余系统应相互独立，并在地理上和功能上互相分开”［3］。 2.3差压式水位保护的问题
采用了DCS技术，水位停炉保护子系统准确性、可靠性取决于测量系统。差压式水位保护问题在于，测量值飘移可能引起保护动作超前（误动）或滞后（拒动）。这不能依靠频繁核对校验予以弥补。差压式保护的水位实际传动试验性能差，试验需在冷态或低压运行状态下进行，与高压运行状态差异较大，只能验证继电信号传动正确性和保护定值准确性，对高压运行时的保护测量值验证是模糊的。况且，在大修前在滑参数停机时，在大修后机组并网后滑参数运行时，升降汽包水位传动校验的风险较大，电厂领导不愿意冒险试验。因此，目前很多电厂没有进行此项试验。
锅炉在冷态点火升负荷阶段，差压水位计不稳定、易“0飘”尤为明显，很多有1025t/h锅炉的电厂不敢贸然投入水位停炉保护，一般要等待负荷升至额定负荷的40-50％ 时才投保护。不符合“锅炉水位保护未投入，严禁锅炉启动”规定。
显然，差压水位计并非是水位停炉保子系统最优配置。 3. 优化配置
3.1测量仪表的配置数量
汽包水位特点、运行需要、仪表性能现况、控制与保护信号独立测量原则规定，决定了监控保护系统应配置较多的测量装置。对于大型锅炉，尚不能像其它参数监控那样进行汽包水位测量装置简化配置。有资料认为，我国按“5套配置”，“运行10年来尚未发生过由于水位计问题引起的事故”，“数量过多，显示值存在较大偏差，容易给运行人员监视造成混乱”，意在从正反两方面说明“5套配置”最优。其实，未发生事故不等于没有隐患，例如秦皇岛热电厂事故前只是问题未充分暴露而已。“混乱”主因并非是配套多，而是水位计测量误差大和取样干扰不同。
大型汽包长度一般在20m左右，内部过程复杂，水位高低不平，汽、水流分布不均，且变化大，对准确测量干扰大。这就要求按冗余技术实施多点测量保证测量准确性与可靠性。需要较多的仪表才能满足运行要求：了解水位大致分布、内部设备异常诊断，在线仪表快速分析，水位事故时按“三取二”逻辑快速判断、果断手动停炉（与保护自动停炉构成人机双重保安系统），特殊操作与水位事故处理监控。就监视可靠性而言，按照我国运行传统习惯，云母水位计和电接点水位表是必须有的。
“三取二”保护和“三选中”自调系统信号应按“危险分散”原则设计，仅此就应有6个水位计。
考虑到保护或自调系统水位测量装置可兼用于监视，测量仪表最合宜的数量应是8、9个。
配置较多仪表需要较多的汽包水位测孔。淮安维信仪器仪表有限公司拥有的“汽包与测量装置之间多测孔接管”专利技术，可使在役汽包不必重新开孔而增加独立的水位测孔，一般来说可增加4个
[4]
在封头的取样点，为各个子系统优化配置、增加测量装置提供了保证。 3.2监视仪表系统配置
监视仪表系统和保护系统是优化配置考虑重点，应在现有的仪表中应选择性能最适合的仪表。 不考虑CRT差压水位计为主表是因为：测量不稳定，易“0飘” ，在锅炉点火启动、升负荷至额定工况一段时间内测量不稳定尤为明显；不易诊断“0飘”的原因；需频繁核对0位；从人机工程学理论考虑，需要在CRT画面中翻页寻找水位画面，在紧急情况下CRT画面往往变换频繁，可能由于极紧张找不到画面而延误事故处理，因为“有关数据表明，面对危险情况需在60秒内做出正确响
［3］
应，而运行人员通常在99.9%时间内做出错误反应”。
电接点水位表，测量原理简单，量程内有水即可稳定测量，检测可信，即便某点显示有误，仍可根据其余点显示判断水位所处区间，常显示，直观醒目。配套最新一代的GJT-2000测量筒的电接点
［5］
水位计消除了负误差大、传感可靠性低的缺陷。其新颖的设计使水样温度为饱和水温度，水柱相对标高与汽包内饱和水一致，使电极如同在汽包内检测水位，实现高精度测量，动态响应快，附加误差小。因此，这种电接点水位表可作为监视仪表系统的理想主表，并可用来在较大量程范围内、不同压力下准确核对CRT差压水位计。
配置3套电接点水位表为主表，可充分满足运行人员事故水位判断和果断手动停炉的需求。监视辅助仪表有云母水位计（水位TV）、CRT差压水位计（信号来自调节系统）、大量程电接点水位表。配套GJT-2000B型测量筒的全工况大量程电接点水位表，量程覆盖汽包直径，在停炉后以及锅炉
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运行时都能和主表一样准确取样。在水位事故被迫停炉时，在主表量程之外可监测到具体事故值，以便事故分析与处理。 3.3自动调节系统配置
尽管差压水位计测量不稳定，但仍可满足水位自动调节系统功能需求，因为调节系统需要的是水位相对变量，系统有各种保护，一次测量出现大幅度“0飘”时可自动切换为手动调节，小范围的“0飘”引起自调失控的不安全后果较小，运行人员也易于处理。对于现用的单室平衡容器、热套式双室平衡容器（包括正压室带中间抽头的平衡容器），“从目前应用情况看，未出现大的测量问题，只要进
［6］
行了压力和温度补偿，仍可以继续使用。”但CRT水位计可显示3点水位，有利于运行监视及仪表诊断，所以也可考虑平衡容器的优化选型。 3.4保护系统仪表配置
国外汽包水位停炉保护，并非都是采用差压式保护。对保护而言，需要的是开关量信号，电接点水位表基于分段报警式测量原理，更容易满足保护的需求。配套GJT-2000测量筒的电接点水位计，测量筒内水柱平均温度为饱和水温度、水柱相对标高与汽包内饱和水一致，故报警电极如同在汽包内部定点检测一样。其水质自优化使水柱水质优于汽包内饱和水，免排污，电极承受热冲击小、不污染。RDJ-2000电极组件自紧机械密封、不泄漏。这些高可靠性传感性能，使其维护工作量小。故仪表全工况报警准确性、稳定性、可信度之高，是差压式水位报警无法达到的。配套DS－2000电测仪表进一步提高了测量准确性与传感器可靠性。
在锅炉运行中，GJT-2000测量筒不需升降汽包水位即可进行“满水和缺水实际传动校验”，校验快、准、易行，使保护在锅炉运行中定期校验成为可能。此独特性能也是差压式水位保护不具备的。
显然，配套GJT-2000测量筒的电接点水位表是停炉保护系统的最优化配置。
国内外标准强调保安和自调系统信号分开，没有强调保安和监视系统分开。故选用电接点水位表为主表和保护仪表，不属于违章设计。 3.5 汽包水位测孔使用分配
既有封头测孔又有中段测孔，应根据测量装置在系统中重要性分配使用测孔。电接点水位计为主表又用于保护，最重要，必须用封头测孔。平衡容器重要性低于电接点水位表，在封头测孔所剩不多情况下可不必强调全用封头测孔。鉴于电接点水位表性能以趋于完善，水位TV的重要性降低，甚至不如CRT水位计，可用中段测孔。大量程水位表亦然。 3.6典型优化配置
监视系统：配套GJT-2000A型测量筒的三个电接点水位表为主表，在封头取样测量；一个或二个云母水位计（水位TV），一个全工况大量程电接点水位表， CRT水位计为辅表。
“三取二” 水位停炉保护、联锁及热工信号报警仪表为三个主表电接点水位表。 自调“三选中”系统三个差压水位计，可配套新旧型双室平衡容器或单室平衡容器。 所有一次测量装置彼此独立取样。 4.实例
河北马头发电总厂、河南焦作电厂等电厂基本上按典型配置，以多测孔接管技术增加4个水位测点为优化配置前提，以GJT-2000A测量筒更换普通测量筒进行电接点水位表改进为中心，在DCS技术
［7］
支持下对汽包水位监控系统进行一体化技术改造。河北衡水电厂（亚临界锅炉）以GJT-2000A测
量筒和DS-2000型电测仪表更换了原测量装置。这样，就将陈旧的监控保护系统改进为一流系统。
电接点水位表测量准确，运行可靠，并以其为准核对校正CRT水位计。主、辅表（包括自调系统的三个变送器）数量冗余度高，可进一步保证运行人员可靠地完成监控任务，保证仪表诊断、事故水位判断的正确性，进一步了解水位分布。
优化配置消除了锅炉长期无水位保护运行风险。满、缺水停炉保护从点火起就可能可靠投入运行。
［7］
焦作发电厂、马头发电总厂的技术改造成果，分别通过了河南省、河北省电力公司正式技术鉴定。专家认为，设计新颖，测量准确度高，运行可靠，达到了国内领先水平。 5.结语
在役锅炉汽包水位一次测量系统配置优化是必要的。监控保护系统能否充分满足运行安全监控需求，取决于一次测量系统配置优化程度。以多测孔接管和GJT-2000A型测量筒核心技术进行优化配置，是可行的，可解决配置冗余度低、水位测量不准、不可靠等一些“老大难”问题，有利于实现可
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靠的人、机双重保安系统。
锅炉汽包水位安全监控有新的需求，则需要新的技术突破。随着汽包水位测量技术的不断进步，测量系统配置应不断优化，使监控保护系统不断完善，那么，“防止锅炉汽包满水和缺水事故”的基础将更加可靠。
作者简介：高维信（1942-），男，江苏睢宁人，高级工程师（教授级），从事火电热工自动化工作，致力于汽包水位测量监控保护研究。
参考文献
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司. 2000-9-28
［2］ 关于秦皇岛热电厂4号锅炉“12.16”重大事故的通报. 国家电力公司文件. 国电安运
[1998]60号
［3］ 张晋斌、张徐亮. 火电厂安全保护系统设计探讨. 中国电力，1998，（5）：69－71
［4］ 邹文华.锅炉汽包水位高精度及多测孔接管测量装置通过鉴定. 中国电力，2001，（4）：50
［5］ 高 澎、滕会英、傅 刚、荆予华.汽包水位高精度取样电极传感器及其应用.中国电力，
2002，（10）：65－69
［6］ 河北省电力公司部门文件生技［2002］12号 .河北省电力公司热工专业研讨会会议纪要 ［7］ 李刘军、高维信、傅刚、荆予华. 汽包水位监控保护一次测量系统改进. 电力安全技术，
2002，（4）:28-30
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