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      導波雷達測量方式在9FA燃機余熱鍋爐上的應用與優化


      導波雷達測量方式在9FA燃機余熱鍋爐上的應用與優化,針對導波雷達液位計測量水位與汽包實際水位存在偏差這一現象,進行水位補償。通過計算汽包實際水位與導波雷達液位計測量水位之間的關系,結合壓力、溫度等條件運用MarkⅥe組態軟件進行補償計算,實現水位偏差補償計算方案。

      汽包水位是機組運行的一個重要參數,正確測量汽包水位是實現給水自動調節和汽包水位保護投入的前提,是保證機組安全運行的必要條件。汽包水位計算偏差使得汽包水位控制系統的穩定性、準確性降低,同時也影響汽包水位保護的正常投入,*終影響機組安全運行。
      某電廠共有6臺GE公司生產的9FA單軸燃氣蒸汽聯合循環機組,每套機組配置一臺燃氣輪機、一臺余熱鍋爐、一臺蒸汽輪機和一臺發電機,機組控制系統采用MarkⅥe一體化控制[1]。每臺余熱鍋爐設計的汽包液位測量方式采用差壓式汽包液位計、電接點液位計和雙色磁翻板式水位計。差壓式汽包液位計的液位值用于汽包的自動調節和邏輯保護,因此要確保差壓式汽包液位計數據的準確可靠。
      差壓式汽包液位計測量原理是通過取樣筒將汽包液位高低變化轉化為差壓變化的方式來進行測量。取樣筒內的參比水柱不準則直接影響變送器差壓測量,會造成水位數據不準確,同時取樣筒至變送器的管路中,如果有雜質、空氣或因天氣寒冷管道內介質凍住等原因都會造成差壓變送器指示不準確。汽包水位不準和存在偏差問題一直困擾熱控和運行人員,特別是在機組冷態啟動時,還需花費大量的人力、時間在取樣筒凝水,管路排氣排雜質的工作上。
      相對而言,導波雷達液位計的測量不受天氣、測量管路、機組狀態等因素影響,測量及響應精度較高,而且近幾年來在燃煤機組的中低壓高溫容器已經得到一定的應用。綜合以上各項情況,該電廠從2016年開始陸續在余熱鍋爐的低壓、中壓直至高壓汽包水位的測量中進行試用,效果良好。因此,在2018年3號機組大修中對其余熱鍋爐高、中、低壓汽包共9臺水位計進行導波雷達改造,以提升水位測量的可靠性。
      1 導波雷達液位計測量原理
      導波雷達液位計是依據時域反射原理(TDR)為基礎的雷達液位計。導波雷達液位計探頭發出的電磁脈沖沿纜繩、桿式探頭傳播,當脈沖遇到被測液位表面時,部分電磁脈沖被反射,沿相同路徑返回脈沖發射裝置。超高速計時電路計算脈沖從發射到接收到反射波的時間差?t,發射裝置與被測液體表面的距離同傳導時間成正比S=V×?t/2, V為電磁波傳播速度,如果測量容器高度為H,則液位高度L=H-S[2]。
      電磁波在不同介質中的傳輸速度是不同的,如在空氣中的傳輸速度比在蒸汽中大。因此,在蒸汽工況條件下,計算出來的液位值比實際值偏小。導波雷達液位計需要進行蒸汽補償,計算出實際蒸汽工況下的電磁波速度,從而得到實際液位。
      2 旁路管液位與汽包實際液位間的偏差及補償計算方案
      2.1 旁路管液位與汽包實際液位間的偏差
      導波雷達測量方式在汽包水位測量中的安裝方式見圖1。與差壓式水位計類似,也需要在水側和汽側引出至導波雷達液位計旁路管(可采用原有的差壓測量引出管)。飽和蒸汽通過汽側取樣孔進入旁路管,旁路管溫度低于飽和蒸汽溫度,使蒸汽不斷凝結成水,多余的水自汽包水側取樣管流回汽包。因水位計旁路管散熱的影響,汽包內的水、汽密度和旁路管內的水、汽密度不同,致使導波雷達水位計測得的水位和汽包內實際水位有偏差。
      圖1中H為旁路管高度;L為導波雷達液位計旁路管中的液位;h為汽包中的實際液位;ρs為汽包中飽和蒸汽的密度;ρw為汽包中飽和水的密度;ρs'為旁路管中飽和蒸汽的密度;ρa為旁路管中飽和水的密度;T為旁路管上部和下部溫度(測量元件PT100)的平均值,根據力平衡原理得:
       
       圖1 導波雷達液位計安裝示意圖
      如表1所示,在常溫常壓下,汽包和水位計旁路管中的水密度是相等的,水位計旁路管中的水位與汽包內的水位也是相同的。隨著壓力的升高,汽包中的水密度ρw變小,蒸汽密度ρs變大;而水位計旁路管因散熱的影響,水位計旁路管中的水密度ρa也變小,但變化幅度不如汽包內水的大;蒸汽密度ρsa'雖也有增大,但變化幅度沒汽包內的大,即ρs是不等于ρs'的,ρa是不等于ρw的,致使水位計旁路管中水位和汽包內水位有偏差,這一差值始終是水位計旁路管中水位低于汽包水位,并且當h值改變時,水位差值也會改變。
      由于飽和水的密度遠大于飽和蒸汽的密度,公式
      可近似為從而得到實際汽包水位。
      2.2 運用MarkⅥe組態軟件實現水位偏差補償計算方案
      因導波雷達水位計測得的水位和汽包內實際水位有偏差,可運用MarkⅥe組態軟件實現水位偏差補償計算,運用MarkⅥe控制器中模塊STEAMTABLE。
      STEAMTABLE模塊可以根據不同的狀態區域進行計算,提取得到水、蒸汽的各種熱力學參數。根據水汽不同狀態分為3種功能:
      一是Liquid Water,該功能模塊主要計算液態水的各熱力學參數之間的轉換。功能LIQ_WTR_PT是將液態水的溫度、表壓力、氣壓作為輸入量計算得到對應的焓、熵、比容。功能LIQ_WTR_PH將焓、表壓力、氣壓作為輸入量,計算得到對應的溫度值。
      二是Saturation Liquid Curve,該功能模塊主要計算飽和液體水的各熱力學參數之間的轉換。功能SAT_LIQ_T將飽和液體的溫度、氣壓作為輸入量,計算得到對應的焓、熵、比容和表壓。功能SAT_LIQ_P是將飽和液體的表壓、氣壓作為輸入量,計算得到對應的焓、熵、比容和溫度。功能SAT_LIQ_H是將焓、大氣壓作為輸入量,計算得到對應的溫度、熵、比容和表壓。
      三是Saturation Vapor Curve,該功能模塊主要計算液體-蒸汽和蒸汽混合區的各熱力學參數之間的轉換。功能SAT_VAP_T是將溫度和大氣壓作為輸入量,計算得到對應的焓、熵、比容和表壓。功能SAT_VAP_P是將氣壓和表壓作為輸入量,計算得到對應的焓、熵、比容和溫度。
      故汽包中飽和水的密度ρw用STEAMTABLE模塊功能SAT_LIQ_P,輸入汽包壓力值計算得到;旁路管中飽和水的密度ρa用STEAMTABLE模塊功能SAT_LIQ_T,輸入旁路管溫度T(由上下兩塊熱電阻PT100測量得到平均值)計算得到。
      考慮機組在啟停過程中的汽水為非飽和水、飽和蒸汽,此時不適合用該公式進行偏差補償。同時考慮當旁路管溫度點故障時,對應的旁路管中飽和水的密度ρa則不準確,會引起偏差補償值計算錯誤。因此,引入旁路管溫度值進行邏輯判斷,當溫度點是壞點或溫度低于100℃未達到飽和蒸汽、飽和水狀態這兩種情況出現其一,則不進行水位補償計算。
      以低壓汽包水位為例進行模擬,正常運行時汽包壓力為0.33 MPa,旁路管溫度140℃,低壓汽包實際水位-133mm。當溫度點故障,采集到的溫度數值為50℃時,通過邏輯判斷不進行水位補償計算,這時水位顯示為-140mm。但若在溫度點故障的情況下仍進行水位補償計算,則水位值為-52mm,與實際水位偏差較大。因此,進行是否補償的判斷是有必要的。
      根據上述情況,構建邏輯實現得到實際汽包水位值,消除偏差。
      圖2中T為旁路管上部和下部溫度(測量元件PT100) 的平均值;P為汽包壓力;L為導波雷達液位計旁路管中的液位;h為汽包中的實際液位;ρw為汽包中飽和水的密度;ρa為旁路管中飽和水的密度;T—BQ為旁路管溫度壞點。

       圖2 控制邏輯示意圖
      3結語
      高、中、低壓汽包水位是機組運行監控的一項重要指標。該電廠通過技術改造,率先在高溫高壓容器上使用了導波雷達測量方式,并針對因汽包與旁路管內的壓力溫度不同導致的水位偏差問題,在MarkⅥe軟件中通過邏輯優化針對性地對雷達水位計測得的水位進行補償計算,從而得到汽包真實準確的水位。目前應用情況良好,為同類型設備測量提供了新思路,具有很大的推廣意義。

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