发表于《中国电力》2004第4期，本文由热工自动化标准化委员会主任侯子良教授审稿
汽包水位测量系统的合理配置1
高维信 ，荆予华
12
(1. 淮安维信仪器仪表有限公司，江苏 淮安 223001； 2. 焦
作电厂，河南 焦作 454001)
摘 要：分析汽包水位监控保护测量系统按2套就地水位表、3套差压水位计配置（简称“5套配置”）的缺陷及采用“5套配置”的客观原因。介绍“多测孔接管”技术不需在汽包上开孔而增加独立取样测孔，解决了汽包原有水位测孔过少影响合理配置的难题，以及新型电接点水位测量筒高精度取样、高可靠性传感，使电接点水位计可靠地用于监视主表和保护。简介汽包水位测量系统优化配置原则与效果，建议尽早修订有关“5套配置”的规定。
关键词：电厂锅炉；汽包水位；监控保护；测量系统 ；优化配置
中图分类号：TK316 文献标识码：B 文章编号：1004-9649（2004）04-0000-00
0 引言
大型锅炉汽包内各局部汽流、水流及汽水混合物的流速分布往往不均匀，导致水位高低不平，水位测量易受各种干扰。这是准确、稳定测量水位的困难之处及要实施多点测量的原因所在。
汽包水位监控的任务是：将水位准确控制在0线附近，使饱和蒸汽品质最佳；事故水位时手动或自动停炉；特殊操作监控，如停炉后汽包满水快冷的上水操作和满水状态的监视，缺水停炉后及时判断可否补水，尽快恢复运行等。
满足汽包水位安全监控和事故处理的需求是水位测量技术进步的动力。仪表行业采取化难为易的策略，针对监视、自动调节、保护的不同功能系统要求，研制了各种水位计，其性能又各有长短，形成在用水位计多样化。显然，监控保护系统设计应针对水位计的现状，扬长避短，按不同功能需求优选、冗余配置水位计［1］。
长期以来，水位计测量与配置问题导致运行人员误判断、误操作，水位预警失灵，停炉保护拒动，造成锅炉多起重大水位事故，而保护误动事故更多。因此要求尽快解决水位测量问题的呼声很高。借助于分散控制系统（DCS）技术，差压水位计在一定程度上提高了性能，所以2001年《国家电力公司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）》正式出台。尽管这一规定中的“安装和使用”等条款对防止重大水位事故有重要作用，但由于受到汽包水位测孔少、普通电接点水位计不足以用于监视主表（基准表）和保护仪表等客观技术条件的限制，对于至关重要的测量系统配置问题，采取了简化处理（按“5套配置”），遗留问题较多，难以收到预期效果。
汽包水位测量技术的进步必然促进监控保护测量系统配置的更新。先进的测量技术与装置如多测孔接管技术和新一代电接点水位计的成功应用，使得原本认为相对合理的配置有了新的认识。目前来看，“5套配置”及相应的原则性条款已限制了汽包水位测量系统更合理的配置改进，影响监控保护系统设计进一步满足运行需求，这一问题已引起电厂和热控专家的密切关注。
收稿日期：2003-09-19；修回日期：2004-02-05 作者简介：高维信（1942－），男，江苏睢宁人，高级工程师（教授级），从事火电厂热工自动化工作。
E-mail:webmaster@hawx.com
1
1 “5套配置”的缺陷
“5套配置”的主要内容是：监视辅表有2套(老式)就地水位表，其中1套可用电极式水位测量装置替代；3套差压水位计用于监视主表（基准表）、“三取二”保护（含报警）、“三选中”自动调节。
1. 1 监视系统缺陷 1.1.1 指示偏差大
与经过压力温度理想化修正的差压水位计相比，电接点水位计、云母水位计在超高压、亚临界压力下0水位显示分别偏低80、140 mm。使各水位计0位一致的2种做法：（1）进行电接点、云母水位计0位定点修正，则低压运行时或满水、缺水时仍会有较大的显示偏差。（2）2套就地水位计不进行定点修正，下调差压水位计实测值，将使汽包严重高水位运行。
2 监视基准问题
“5套配置” “以差压水位计为准”的规定依据不充分，可操作性较差，有风险：（1）参比水柱温度准确修正难度大，不易消除正负压管传输附加差压，使实测值易随机性大幅度漂移，误差模糊、可信度低，在点火升负荷阶段尤为明显［2］。这些缺陷降低了基准认定的合理性。（2）规定中的“应定期根据环境温度变化对修正回路进行设定”，“以（老式）就地水位表为准，每班校正0水位”，是对基准认定的自行否定。（3）运行人员难以掌握就地式和差压式2个“基准”的应用尺度，易导致事故判断犹豫和处理混乱。（4）低负荷运行时须升压至额定压力才能校正，故0位监督易流于形式。不能有效核对全量程线性误差。
1.1.3 未满足特殊监控需求
为防止汽包壁上下温差超限，停炉后采用汽包满水快冷。在给水系统临时故障导致缺水保护停炉后，若汽包内还有水，可及时补水恢复运行。其安全措施要求有能监视满、缺水的水位计，而“5套配置”未能满足这一特殊监控需求。
1.2 危险集中
“三取二”保护和“三选中”自动调节合用3套差压水位计信号，形成信号“危险集中”。
文献［3］指出，“不应混淆DCS信息共享与合用信号概念，DCS对信息的处理与应用是分等级的，其精髓是危险分散”。保护和自调“合用”信号，不符合行业标准（DL／T5175－2003）关于“保护用的接点信号应取自专用的开关量仪表”，不符合《25项反措》中“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”的规定。也不符合许多国外权威标准关于“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”、“用
［4］
于基本控制系统的传感器不应用于安全系统”等规定的原则。
环境温度与附加差压变化、压力与温度修正参数设定不当等是同时影响3个差压信号测量的共同因素，可能使2个测量值大幅同向漂移，导致监视严重失准、自调失灵、保护误动或拒动事故同时发生。2002年11月，国电发电集团安徽某厂1025t/h锅炉缺水事故是最新案例：1个平衡容器管路泄漏,使邻近平衡容器参比水柱温度升高，形成2个差压水位计检测水位升高，自调缓慢减少给水，导致汽包缺水，保护拒动，CRT显示未见严重异常。因管路堵塞，水位TV指示下降缓慢，与CRT显示相差不大。幸亏后来发现2个
2
电接点水位计显示无水，及时手动停炉，才避免了一起重大水位事故。
1.3差压式保护问题
由于保护动作实测值接近差压式测量上下限，担心事故水位时实测值可能有大幅度偏差造成保护误动或拒动，因此规定了“升降水位进行保护实际传动校验”。在停炉前或正常运行中进行校验的风险大。例如，安徽某电厂1025t／h锅炉校验时险象环生，被迫终止试验。冷态与高压运行时的保护实测值差异可能很大，故冷态校验意义不大。因此，不少电厂仍以模拟电流和信号接点短接法为主试验保护传动。
因测量不稳定，很多300、600 MW机组在点火、升负荷（小于40%～50%额定负荷）阶段，不投水位停炉保护。这不符合“汽包锅炉水位保护是锅炉启动的必要条件之一”的规定。
1.4影响手动停炉可靠性
手、自动停炉是双重保护。我国历来视手动停炉为最后防线，其可靠性取决于主表准确性与配置冗余度、人员素质及临场发挥。事故水位时3种水位计偏差大，差压水位计可信度低，影响手动停炉的及时性与准确性。没有事故水位第一信息，期望运行人员超水平发挥、及时搜寻到主机后续事故信息而停炉，实属期望值过高，风险太大。
2 “5套配置”的技术背景
2.1 长期未解决测孔数量不足问题
汽包水位测孔接管属重要测量设备。测孔少和测点位置不佳，严重影响监控保护系统优化设计。因此从1985年起，锅炉监察规程就已规定“汽包上水位的汽、水连接管接出点的数量（测孔对数）应满足水位监视、给水自动控制的需要”。此项规定显然是针对锅炉厂的。
测孔状况：1985年前测孔在中段，多达6～8对；因中段取样易受干扰，1985年后测孔改在封头，多为4、5对，后有所增多，极少数有8对。满足运行需求的监控保护系统设计需要8个水位计。由于测孔少，多个测量装置只好“合用测孔”，形成取样“危险集中”。“5套配置”即是按测孔最低量（4、5对）配置水位计，允许保护与自调“合用信号”。如禁止“合用信号”，势必增加配置量而导致众多在役汽包开孔增加测孔，显然已考虑到开孔风险大、费用高、施工期长、管理难度大而予以否定。允许“合用信号”，等于电力行业已放弃对锅炉厂的测孔数量要求，使电厂失去要求锅炉厂增加测孔的法规依据，并影响电厂利用“多测孔接管”技术增加独立测孔，实行“危险分散”配置的积极性。
2.2 配置选型辩析
国外选用差压式主表与保护的原因，除未解决电接点水位计重大缺陷外，还考虑差压水位计性能缺陷与下述情况相关：（1）给水与锅水系统的水位超前停炉保护配置率高且完善、可靠，可适当降低水位停炉保护的可靠性。（2）电网备用容量大，允许以保护误动率较高为代价保护设备。（3）主表误显示而手动停炉时，不追究人员安全责任。而我国则不然：已有先进的电接点水位计能准确可靠地用于监视主表（基准表）与保护；水位超前停炉保护配置总体情况比国外差，不允许降低水位停炉保护的可靠性；电网备用容量小，尤其在当前电力紧缺情况下，防止保护误动停炉的意义不亚于防止保护拒动；重视手动停炉的重要性，要追究仪表误判断而手动停炉的责任，运行监控心理负担大。因此不宜参照配置，将差压水位计应用扩展到主表与保护。
3
未取消云母水位计的原因：（1）云母水位计优点是在锅炉低压运行和下限测量时误差较小，可直读水位。运行人员对水位计的信任以可靠性与稳定性为前提，眼见为实便有监视安全感，并形成监视习惯。（2）锅炉厂配置云母水位计已成惯例。（3）差压水位计必须以就地水位表为准校核调整。
“逐渐弃用电接点水位计”的理由：“5套配置”中“监视辅表有2套就地水位表，其中1套可用电极式水位测量装置替代”，表明电接点水位计是可有可无的“替代”仪表，应限制使用并逐渐淘汰。淘汰的理由也在于不可能消除其误差大与泄漏率高等缺陷及测孔少要减少配置量，应首先弃用电接点水位计。
电接点水位计未被禁用的原因：《25项反措》规定“应采取2种以上工作原理共存的配置方式”，“2种以上”的另一表述是“至少3种”，禁用则与之抵触；我国几乎所有锅炉已配备；运行和热工人员用万用表检测电极对地阻值可直接得知取样水位，由“实测为实”而信任之，加之常显示、醒目直观，普遍认为应用价值大于云母水位计。
最新型GJT-2000电接点测量筒成功用于主表和停炉保护，证实可消除电接点水位计误差大与泄漏率高等缺陷。
3.优化配置的新技术
3.1汽包水位多测孔接管技术
该专利技术利用汽包原有内孔直径较大的测孔接管（母管）通道，不需在汽包上开孔而增加独立取样测孔，一般可增加4对，亦可将测点移至最佳取样点。多测孔接管上的几个测孔所连接的测量装置排污或泄漏，不会影响另一个装置取样。母管取样测孔和增孔接管截面能满足取样动态特性要求。
在母管上开孔安装多测孔接管系统，按GB9222—88《水管锅炉受压元件强度计算》，不影响母管承压强度，施工不涉及在汽包壁开孔和焊接作业，故增加测孔是安全的。与在汽包上直接开孔增孔相比，该技术的优点是风险小、施工方便、易管理、工期短（4、5天）。现已有25台超高压、亚临界锅炉汽包增加83对测孔。
3.2 汽包水位高精度取样电极传感器
GJT-2000A汽包水位电接点测量筒系最新专利产品，设置有汽笼式加热器、强化冷凝器、水质自优化装置、采用RDJ-2000型柔性自密封电极组件及防水渍电极组件等构件，具有取样逼近真实水位、动态响应快、水质好、大修周期内免排污、电极寿命延长、机械密封不泄漏、电极不挂水等优点，实现了全量程、全工况真实取样，高可靠性传感测量［5］。目前已有近百台在多家电厂高压、超高压、亚临界锅炉上运行，用于主表、保护、校核差压水位计。GJT-2000Q汽包全程全工况电接点测量筒也已成功用于扬州二电厂600 MW机组锅炉。
3.3 双恒平衡容器
GJT－DⅡ双恒单室平衡容器的参比水柱温度恒等于饱和温度，避开温度修正难点，只需压力修正即可。在汽包压力变化时参比水柱高度恒定，启动速度快，综合性能优于传统单、双室平衡容器，已用于1025 t/h亚临界锅炉。该装置已由淮安维信仪器仪表有限公司申报发明专利，国家知识产权局已正式受理。
4 优化配置原则性考虑
按监视、保护、自调系统所需信号特点与要求，合理配置不同种类仪表。
4
监视系统应至少有1种测量准确、实测可信，无需经常核对校正，常显示、醒目直观的主表。新型电接点水位计综合性能优于差压水位计，可首选按3重冗余配置。
保护与调节系统间及系统内部的3个信号应从取样端彼此独立。
“三取二”保护需要的是定点测量的开关量。2个信号同时失灵的几率，电极式比差压式小得多。“危险分散”原则强调基本控制系统与安全系统分开，未强调监视与保护分开，故保护仪表可首选新型电接点水位计。
自动调节所需信号是小范围内水位相对变量，对水位计要求尽管相对较低，但为提高调节品质和手动停炉的准确性，可优选双恒单室平衡容器。
测孔少，应增加测孔。若取样点干扰大，应将取样点移至最佳点，或加装屏蔽装置。主表和保护仪表选用封头测孔，自动调节和监视辅表可使用中段测孔。保护与调节系统内部的3个信号取样点不应选在汽包同一端。
5 优化配置效果
焦作电厂、马头发电总厂、华能淮阴电厂［6］等电厂采用多测孔接管技术增加汽包封头测孔，阳泉二电厂、衡水电厂等电厂充分利用原有测孔，增加仪表冗余度，实现了汽包水位测量系统合理优化配置和保护与自动调节信号危险分散，解决了主表与保护仪表不能充分满足运行需求的矛盾，安全效果显著。
（1）GJT-2000型测量筒解决了实际水位监控不准的难题：焦作电厂、阳泉二电厂、衡水电厂测量水柱温度为饱和汽温度［5］，理论上间接证实了测量准确、可信。以新型电接点水位计为准监控水位三四年后，比较汽包水线与0线偏差：马头发电总厂8号炉2002年9月实测偏低23 mm；华能淮阴电厂2号炉2003年10月12日实测偏低10 mm。运行证实，测量已逼近汽包内实际水位。
（2）新型电接点水位计解决了差压水位计校核调整问题：电接点水位计除提供准确的监视手段外，还从点火起提供差压水位计全工况、全量程准确校核手段。4～20 mA阶梯模拟量引进DCS水位历史记录系统，不仅可准确了解水位事故过程，还可实时核对差压水位计测量误差，便于压力温度修正参数整定与调试。解决了最为关注的2种主要的远传水位计偏差问题。
（3）解决了汽包全程水位监视问题：GJT－2000Q全程电接点水位计在扬州二电厂600 MW机组锅炉的运行证实，锅炉运行中能全程全工况显示实际水位，能监视到主表量程外的事故水位值，停炉后能监视满水与缺水具体数值，指导满水安全快冷和缺水事故处理。
（4）手动停炉可靠性高：3个新型电接点水位计为主表、3个按电接点水位计准确调校的CRT水位计为辅表、2个云母水位计还有全程或大量程水位计，焦作电厂、马头电厂、华能淮阴电厂3个电厂按这种配置方式，可确保事故水位准确判断，果断手动停炉。
（5）“三取二” 保护动作测量值准确，保护可靠：GJT-2000型测量筒水柱温度等于饱和温度，使高低1、2、3信号电极如同在汽包内检测，保证6个“三取二”逻辑判断网络输出信号准确。几年来，近百台测量筒运行从未发生机械密封泄漏事故，没有发生过保护拒动、误动事故。较高的保护可靠性使得从点火起即可投入停炉保护、联锁与报警。采用新型测量筒后，水位实际传动校验不需升降汽包水位，易操作、无风险，校验准确、可信，可定期校验。且因测量故障使“三取二”保护和“三选中”自调系统同时瘫痪的几率极小。
6 结论
5
（1）新型电接点水位计可解决主表与保护仪表不能充分满足运行需求的矛盾，比差压水位计更适合用作监视主表(基准表)和保护仪表。
（2）多测孔技术能可靠解决水位测孔少问题，从而避免保护与自动调节系统合用测孔、合用信号的“危险集中”。
（3）愈来愈多的电厂在超高压、亚临界压力各种容量锅炉上突破“5套配置”框框，采用GJT-2000型汽包水位电接点测量筒和以多测孔接管为代表的关键性新技术，进行测量系统优化配置和选型，经几年的工业应用证明，安全效果显著。
（4）以上情况表明，已基本具备调整汽包水位测量系统配置技术政策的条件，建议尽早修订“5套配置”规定。
参考文献：
［1］ 高维信.汽包水位监控保护测量系统配置优化[J].热工自动化信息，2003 ，（1）：
页码7-12.
［2］ 高维信，董 强，荆予华，等.锅炉汽包水位监视基准表和保护仪表选型[J].中国电
力，2003，36（7）：51-55.
［3］ 高天云.上海电网火电机组2002年度热控保护概况及分析[J]. 中国电力，2003，
36（5）：56-59.
［4］ 张晋斌，张徐亮. 火电厂安全保护系统设计探讨[J].中国电力，1998，31（5）：
69－71[J].
［5］ 高 澎，滕会英，傅 刚， 等.汽包水位高精度取样电极传感器及其应用[J].中国
电力，2002，35（10）：65－69.
［6］ 李刘军，高维信，傅 刚，等. 汽包水位监控保护一次测量系统改进[J]. 电力安
全技术，2002，（4）:28-30.
（责任编辑 吕玲）
GAO Wei-xin1, JING Yu-hua 2
(1. Huaianweixin Instrument Gauge Co., Ltd., Huaian 223001, China; 2. Jiaozuo Power Plant, Jiaozuo 454001, China)
6