摘要：该文重点描述了现有的高加运行中水位的普遍问题以及较为准确的修正方法。在生产实际中，运用压力、温度和负荷对高加水位进行动态修正，使得差压水位计显示的更为精准。

关键词：高压加热器 Foxboro 水位测量 热态修正

1、序言

1.1 高加水位的重要性

高压加热器属于热力发电厂给水回热系统的一部分，利用汽轮机各级抽汽直接加热锅炉给水，在电站运行中至关重要。高加一方面起提高热力循环效率，降低煤耗的经济性作用，另一方面安全问题也不容忽视，由于各级抽汽系统直通汽轮机，大幅度工况的扰动情况下，如果阀门异常，水位突升甚至有可能造成汽轮机大轴弯曲的恶劣事故[1]。高压加热器日常监视参数最为常见和重要的就是水位。虽然，当今三段式高加大大提高了经济性和安全性，但是由于负荷变化等影响因素，非饱和工作状态依然使水位扰动不可避免。

1.2 印尼电站给水回热系统的情况

印尼中爪哇Cilacap电站#1、2机组，汽轮机为东方汽轮机厂生产的型号为N300-16.7/537/537-8，亚临界中间再热双缸双排汽凝汽式型汽轮机，有八段非调整抽汽，一、二、三段抽汽分别供三个高压加热器，三台高压加热器采用大旁路。三台高加为东方锅炉厂生产的卧式、U型管、单列大旁路室内布置，含有蒸汽冷却段，凝结段和疏水冷却段三段式高压给水加热器。正常运行时，高加疏水逐级回流至除氧器，低加疏水逐级回流至凝汽器，加热器事故疏水至凝汽器。设计工况如表1，表2：

该电厂日常运行中，各台高加水位波动大，上下端差经常发生异常。有水位大幅度波动，造成高加解列的情况发生。差压式水位计显示值与液位开关动作值偏差大。从大部分电厂运行经验看，最主要的问题是差压变送器测量出的差压，在DCS系统中未进行热态修正，直接作为模拟量输出，水位自动跟踪程序，按照未修正值进行跟踪，会导致上述情况的发生。

2、高温高压容器的差压液位计修正原理

2.1 差压水位计形式引起的测量偏差

印尼Cilacap电站使用的差压水位计为单平衡容器式，测量原理如图1：

通用[2][3]的修正公式为：h=（H*（ρa-ρs）-Δp）*（ρw-ρs）

ρw为饱和水密度，ρs为饱和蒸汽密度，ρa为差压水位计筒体内的正压侧过冷凝结水恒定水头密度，H为差压容器相对水侧引出管恒定水头的高度840mm，Δp为差压变送器测量的正负侧压力差，h为高加内实际水位。

高加水位可以近似为凝结段饱和水与饱和蒸汽形成的液面。所以已知饱和水或者饱和蒸汽的温度Tw和Ts就可通过饱和水蒸气表[4]查得对应密度。

另一方面，由于水位取样的上下接口处在不同位置，在不同流速的作用下，会产生不同的附加静压，这样在上下取样口之间会产生一个由流速引起的附加静压差Δp’，使差压水位计显示水位与内部实际水位有偏差。对于这一偏差，一般可用同一位置，同样上下接管管径就地水位计的校对，进行消除。

2.2 压力测点的不准确性

从理论上讲，高加水位线上部的压力Ps与饱和抽汽压力有一定关系，但也并非完全一致。主要有以下几点原因：

（1）多数电厂高压加热器汽测压力测点并不在高加附近，而是取自抽汽压力测点，这样就有高度差和取样管冷凝水水头压力差，需要进行细致的修正。例如，Cilacap电站，#3高加位于22米处，三抽压力测点位于6.3米处，这之间的汽水高度差就需要先进行修正计算。

（2）当代新型高压加热器大都为三段式，抽汽先进入蒸汽冷却段，由过热蒸汽冷却为亚饱和蒸汽，蒸汽压力自然将有所下降，具体下降值不易确定。

所以通过以上两点就可以看出，完全依赖汽测压力修正高加水位，将存在一定程度的误差，需要进一步向下修正才能得到饱和蒸汽温度Ts以及饱和蒸汽密度ρs。

2.3 温度测点的不准确性

高加疏水温度Tw，也不能够完全反应高加内部液位线下的饱和水温度，主要有以下原因：

（1）一般情况下高加疏水温度测点距离高加本体有一段距离，有管路散热损失。

（2）由于三段式高加容器内的凝结饱和水还需要经过疏水冷却段，将被给水进一步冷却，从而使疏水温度不能准确反映饱和水温度。

（3）在高加水侧泄漏的情况下，低温的给水将直接漏入汽侧疏水内，使得疏水温度低于饱和水温度。

所以高加疏水温度需要进一步向上修正才能得到饱和水温度Tw以及饱和水密度ρw。

2.4 疏水和抽汽函数的加权

由于通过抽汽压力计算需要向下修正，而通过疏水温度计算需要向上修正，所以通过现场实际测量水表柱发现，将两者综合考虑，可以得到比较理想的修正密度。经过实测，可以将两者取权重系数c1，c2。修正后的饱和水与饱和蒸汽温度，接近水表柱实测饱和蒸汽与饱和水温度。

3、过冷水的非恒温影响

3.1 恒定水头的密度特性

由于差压式水位计的结构特点，正压侧恒定水头由过冷凝结水形成，上部与汽侧接管有热交换，内侧与负压侧水柱有热交换，另外对外部环境有散热。所以，考虑正压侧恒定水头50-80℃度恒定不够准确，根据实际测量情况，正压侧水头温度与负荷基本成正相关，所以可以认为恒定水头密度ρa=f（load）。

3.2 差压水位计的安装情况

除了上述原因为，一般现场差压水位计安装时，还容易出现以下干扰测量的情况：

（1）汽测连通管，是否按照1：100以上的倾斜度要求，向高加测倾斜，以保证充足的蒸汽流通量，避免热凝结水对汽测测量筒的干扰。

（2）水侧联通管是否存在圆弧型低点，是否在最低点安装排污管路。

（3）差压水位计距离高加本体距离很近，若无隔离热源的挡板，容易受到高加温度干扰，无法保证汽测水柱50-80℃恒温要求。

（4）差压水位计的汽测和水侧连通管未安装保温，容易造成外界环境的干扰。并且散热引起的温差大将导致水侧接管内的水流速度加快，增加了附加静压差。

4、分段函数发生器

4.1 分段函数的选取原则

Foxboro公司的I’A series DCS系统，内置有分段函数模块charc，可以生成单条最多20段的分段函数（加首尾点共21点）。考虑到水蒸气和饱和水的温度、压力与密度的对应曲线为曲线，如果按照输入压力或者温度值等分取点，可能会造成密度输出值不够均匀。所以，可以按照密度输出值均分20段取点。

4.2 分段函数的实际选点

实际饱和水密度ρw与饱和蒸汽密度ρs，按照疏水温度Tw和抽汽压力Ps共需要四个分段函数。

ρw=f1（Tw），ρw=f2（Ps），ρs=f3（Tw），ρs=f4（Ps）。

根据饱和水蒸气表[4]，得到如下函数值表。

5、修正后的结论

5.1 实际修正后的结果

经过一系列修正，最终得到的水位修正公式为：

h=（H*（ρa（load）-ρs（Ps，Tw））-Δp）*（ρw（Ps，Tw）-ρs（Ps，Tw））-Δp’（Tw）

ρa（load）为过冷水压头密度与负荷的函数，ρs（Ps，Tw）为饱和蒸汽与抽汽压力和疏水温度的函数，ρw（Ps，Tw）为饱和水与抽汽压力和疏水温度的函数，Δp’（Tw）为流速附加静差压与疏水温度的函数（与就地水位计比对，该电站高加差压水位计的流速附加静偏差较小，可以忽略不计）。

通过上述修正，Cilacap电站高加的差压水位计显示准确度大为提高，与就地水位计密度修正后的显示值偏差小于30mm，与液位开关动作值热态校验值偏差也小于30mm。水位大幅度波动的情况明显好转。

5.2 结论

高加作为热力发电厂重要的辅助设备，对机组的经济性和安全性至关重要。经过压力、温度和负荷多函数修正计算的方法，可以较为准确的反应高加内实际的工作水位，对各种类型的热力发电机组，有很好的借鉴作用。

参考文献

[1]刘庭范.125汽机大轴弯曲分析与处理[J].华东电力，1989.3，43-44.

[2]董慧，张志鹏.高压加热器水位控制与保护系统介绍[J].电站辅机，2013.3（33-1），14-17.

[3]王刚毅.电厂高加水位控制的现状及改进[J].机电信息，2010（18），102-119.

[4]Release on the IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use， Fredericia， Denmark， 1996. This release is reproduced as Appendix A of this report； copies of this and other IAPWS releases may be obtained from the IAPWS Executive Secretary： Dr. R.B. Dooley， Electric Power Research Institute，3412 Hillview Avenue， Palo Alto， CA， 94304，USA.