1 引言
火力发电厂机组可靠的系统保护是机组安全运行的必要保证。锅炉汽包满水和缺水事故是火力发电厂的重大恶性事故之一。满水将使锅炉蒸汽严重带水，使蒸汽温度急剧下降，蒸汽管道发生水冲击，甚至损害汽轮机机组。锅炉汽包缺水事故将不能维持锅炉的正常水循环，使蒸汽温度急剧上升，水冷壁过热，轻者造成机组被迫停运，严重时可造成锅炉设备的严重损坏。锅炉汽包水位保护系统是防止锅炉满水和缺水的必要和有效的措施，是锅炉启动及正常运行的必要条件。但目前锅炉水位保护系统存在较大的问题，最主要原因是锅炉汽包水位的测量不准确和保护的可靠性不够。
2 问题分析
目前现有机组的锅炉水位保护基本没有完全可靠投入，大多数投入的只是简单的事故放水，即使投入了停机、停炉保护也不够科学、不可靠。因此水位保护的不正常投入，严重威胁机组的安全运行。
2.1 水位测量存在的问题
现有锅炉汽包水位保护的水位测量大多都采用“电接点”的方式，此方式的水位测量原理与锅炉的水面计的测量原理是相同的，即“连通器”的原理，如图1所示。
图1 连通器原理图
根据“连通器”的原理，汽包内的压强与测量筒内的压强是相等的，但由于汽包内的温度(330℃)大于测量筒内的温度(250℃)，所以汽包内的饱和水的比重小于测量筒内的过冷水的比重，因此，测量筒(包括水面计)的水位指示值h1将小于实际汽包内的水位h随着测量筒(包括水面计)温度的升高，指示值h1将逼近汽包内的实际水位h，只有到测量筒(包括水面计)的温度与汽包内的温度相等时，指示值h1才等于实际水位h。但实际两者的温度是不能相等的，所以指示值h1与实际水位h总会存在偏差，而且此偏差随测量筒及以下管段温度的变化而变化。
2.2 单室热套式平衡容器存在的问题
为了让单室热套式平衡容器正压侧ρa和汽包中水的比重相接近，前人设计了单室热套式平衡容器。
通过计算得出：
l=(l- ho)×(ρs-ρse )/(ρw -ρwe)+ho=(l- ho)α+ho …… (1)
式中：
l——l管段叫补偿管
ρs——蒸汽密度
ρse——额定压力下的蒸汽密度
ρw——水密度
ρwe——额定压力下的水密度
α=(ρs-ρse )/(ρw -ρwe)
这里要指出，使输出压差不变，只有在压力补偿范围之内近似不变。这种平衡容器，通过应用的结论是：
(1) 只有在零水位时，对压力变化引起的误差才能较好的消除，但不能完全消除。误差在±20mm水柱和±30mm水柱之间。
(2) 压力补偿范围做不到全程补偿。
(3) 环境温度的变化使ρa的变化所造成的误差无法消除。
2.3 水位保护系统存在的问题
既然锅炉水位测量不准，那就更谈不上什么保护了。另外，电接点测量筒电极的漏泄和电极与测量筒接合面的漏泄在机组运行的过程中是经常发生的，一旦发生漏泄将直接造成保护的误动。电极的腐蚀和测量筒内水质的变化也会造成保护的误动或者拒动。
在传统的锅炉汽包水位保护回路里，采用水位“高三值”和“高二值”“与”的方式实现保护功能，或与其它指示表串联，这些都违反了现行的规程。
3 问题对策
按照国家电力公司有关的文件精神及《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》部分的有关要求，根据电力系统各电厂机组的实际情况，经过对锅炉汽包水位测量和保护系统实现方法的研究，确立了以下技术方案。
3.1 锅炉汽包水位的测量
根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中的相关规定和国电发[2001]795号文件精神，“关于印发《国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用的若干规定(试行)》的通知”文件要求，系统采用了单室平衡容器测量的方式，为了不受外界条件的影响，进行了压力和温度补偿，使该系统具有良好的水位测量准确性。
差压式水位表是利用比较水柱高度差值的原理来测量汽包水位的。测量时，使用差压计将汽包水位对应的水柱所产生的压强与作为参比的水柱所产生的压强进行比较，根据测得的差压值转换为汽包的水位。参比水柱由平衡容器中高度恒定的水柱形成，比较的基准点是水位表水侧取样孔的中心线，由于参比水柱的高度是保持不变的，测得的压差就可以直接转换为汽包水位。参比水柱的高度就是平衡容器内的水平面到水位表水侧取样孔的中心线，在平衡容器安装完成后，参比水柱的高度就是一个定值h，而用来测量差压的差压变送器的最大量程就应该等于参比水柱高度所对应的压强，见图2所示。
图2 差压式水位测量示意图
平衡容器也称凝结容器，容器侧面水平引出一个管口接到汽包上的汽侧取样孔，容器底部垂直引出一个管口接到差压变送器的正压侧。进入平衡容器的饱和蒸汽不断凝结成水，多余的凝结水自取样管流回汽包使容器内的水位保持恒定。为了避免汽包水位变化时，平衡容器内水位变化影响测量水位的准确性，容器内的水面积原则上越大越好。由于现代化差压变送器测量元件的位移很小，不会引起容器内水位的明显变化，因此一般情况下平衡容器内的容积为300-800ml以内就能完全保证汽包水位测量的准确性。
由图2，差压式水位表差压和汽包水位之间的关系如下式所示：
△p×l03=h*ρa-(a-h)*ρs-[h-(a-h)]*ρw
=h(ρa-ρw)+(a-h)(ρw-ρs)…… (2)
式中：
h——汽水侧取样孔的距离，mm
a——汽侧取样孔与汽包正常水位的距离,mm
h——由于汽包压力和环境温度变化而产生的汽包水位的真实值与汽包中心线之间的差值，mm
△p——对应汽包水位的差压值，mm水柱
ρs——饱和蒸汽的密度，kg/m3
ρw——饱和水的密度，kg/m3
ρa——参比水柱在平均水温时的密度，kg/m3
上式中，h和a都是常数；ρs和ρw是汽压的函数，在特定汽压下均为定值；ρa除了受汽压的影响外，还和平衡容器的散热条件与环境温度有关，当汽压和环境温度不变时，其值也为定值。这时，差压值是汽包水位的函数。
图3 水位修正回路
饱和蒸汽进入平衡容器后不断凝结成水，多余的水通过取样管流回到汽包内。容器内表层的水温必然接近饱和温度，平衡容器及其下部管道由于受到环境的冷却，因此随着高度的下降，参比水柱的温度会递减地下降到接近环境温度。参比水柱的平均温度会高于环境温度，但远低于饱和温度。本方案用较先进的方法测量参比水柱的平均温度，同时根据压力、温度的变化对正压侧进行补偿计算，对汽包水位的测量进行自动修正。
由于汽水密度都是随压力改变的，因此在锅炉启动过程中或变压运行过程中，同一汽包水位所产生的压差是不同的。这里利用正常水位线、汽包几何中心线以及汽水侧的取样点位置等计算出压差值。然后利用压力修正，具体修正原理如下：
根据(2)式，得：
a-h=△p×103-h(ρa-ρw)/(ρw-ρs)
=[△p-h(ρa-ρw)/ 103]×103/(ρw-ρs)…… (3)
令fl(x)=(ρa-ρw)/103 …… (4)
f2(x)=103/(ρw-ρs)…… (5)
代入(3)式，得：
a-h=[△p-h·fl(x)] ×f2(x)
h=a-[△p-h·f1(x)]×f2(x)…… (6)
根据式(3)，可以采用图3的修正回路，修正汽包水位测量时受汽压影响造成的误差。
修正回路中两个函数发生器f1(x)和f2(x)的参数，可以根据水和水蒸汽性质参数手册进行计算。由于正压侧采用单室平衡容器测量，同时进行压力、温度补偿，在启、停炉各种工况下均能满足测量的要求，从而最大、最有效的提高了水位测量的准确性。
3.2 水位测量及保护功能的实现
随着计算机技术的不断发展，硬件设备的可靠性不断提高，应用高可靠性、具有较强计算能力的控制系统，使锅炉汽包水位测量及保护功能实现成为可能。因此，借鉴其他电厂应用的成功经验，采用可编程控制器(plc)，取三路锅炉汽包水位信号，分别进行温度和压力补偿，并经过“三取中”、“二取平均”和“一取一”等方式来实现此功能是可行的。
plc具有较强的计算能力和逻辑控制能力，有“浮点运算”功能，完全可以完成锅炉汽包水位测量的补偿计算，经编程可得到补偿后的水位；通过严密的逻辑设计，可靠完成锅炉汽包水位保护。
4 系统选型
系统以simatic s7-300 plc硬件为基础，实现锅炉汽包水位保护功能。系统采用信号处理数字化，控制逻辑数字化的全数字化结构，具有高速处理能力及保护系统的可靠性。可有效地解决锅炉汽包水位保护的误动及拒动问题。该系统具备在线检测、设备硬件故障检测等功能。
硬件系统的优越性：simatic s7-300克服了系统间的许多障碍：计算机领域和dcs/plc之间的障碍，控制和监视之间的障碍，集中式和分布式自动化结构之间的障碍。该系统的应用，将会得到一个真正灵活、集成化系统所拥有的全部优点。
高程度的模块化和可扩展性，使系统达到最优，以适应所有的工艺流程，如有需要，今后还可以扩充。标准simatic元件使用保证了系统的长期可靠性。标准技术的应用和系统的开放性使之可与任意数量的第三方系统任意连接。
系统采用一台simatic操作员面板作为plc的上位机，控制和监视锅炉汽包水位保护系统。系统可与dcs系统通讯，或经过硬接线将需要传递的信号如：安全门动作接点、补偿后的水位信号、保护的投入信号等送到plc或dcs。具体方案见图4所示。
图4 锅炉汽包水位保护系统示意图
4.1 水位保护系统的功能
simatic操作员面板做为人机界面可以实现对各个输入信号和保护信号状况的监视和报警，主机和模板的故障监测报警。同时该系统对汽包水位从启炉到额定负荷的全过程进行温度、压力补偿，从而得到准确的汽包水位指示值，并对锅炉汽包水位进行全程保护。具体功能如下：
(1) 锅炉汽包水位高、低保护采用了独立的“三取中值”的逻辑判断方式，当有一点因某种原因须退出运行时，该系统能够自动转为“二取平均值”的逻辑判断方式，当某两点因某种原因退出运行时，该系统能够自动转为“一取一”的逻辑方式运行，当三路信号都发生故障时，水位置“零”，保护禁动。以上状态均在“水位补偿画面”进行显示。
(2) 当某一路的水位、温度、压力信号发生故障时，都进行报警，并切除此路信号。
(3) 显示安全门、事故放水门的动作指令，水位高低值的报警信号。
(4) 对安全门动作判断，安全门动作信号可用安全门动作回路的接点给出，也可采用汽包压力信号的微分给出。安全门动作后采用动作恢复的时间来投入保护。
(5) 常规保护功能。
4.2 工程的注意事项
(1) 水位变送器的选择。必须是高精度的智能变送器，其量程h应大于汽侧取样点与水侧取样点之间的距离加上二倍的取样管长的1/100。
(2) 综合平衡各类水位仪表的配置，利用现有的取样点位置进行冷凝罐安装。尽量保证每个水位测量装置都具有独立的取样孔。进行变送器的安装。必要时可取消保护用电接点水位表。
(3) 水位测量装置安装时，应保证汽包“零”水位线与参比水柱的1/2处在同一水平线上，并保证三个参比水柱的1/2处也在同一水平线上(采用水准仪精确确定各水位测量装置的安装位置，不应以锅炉平台等物作为参比标准)，如图5所示。
图5 平衡容器现场安装示意图
(4) 安装水位测量装置取样阀门时，应使阀门阀杆处于水平位置。
(5) 差压式水位测量装置的平衡容器为单室平衡容器，即直径约为100mm的球体或球头圆柱体(容积为300-800ml)，到现场后单室平衡容器必须进行金属试验和探伤。
(6) 安装汽水侧取样管时，应保证管道的倾斜度不小于100∶1，对于汽侧取样管应使取样孔侧低，对于水侧取样管应使取样孔侧高。
(7) 汽水侧取样管、取样阀门应良好保温，平衡容器不得保温。容器下部形成参比水柱的管道在绕完测温电阻后进行保温。引进差压变送器的两根管道应平行敷设。
4.3 如何判断保护指示的准确性
在前文中已经说明了就地水位计与实际水位之间存在的误差，那么误差究竟有多大，我们可结合图1通过以下计算得出：
锅炉在正常工况下，汽包压力为15mpa，水位计温度为260℃，指示为0时h1为209mm，查得ρw=0.0016579m3/kg ，ρa =0.0012553 m3/kg，h×ρw= h1×ρa，h=392.63mm
实际水位与水位计的差值应为 h-h1=102.63mm。
通过公式h×ρw=h1×ρa就可以计算出不同压力下，h1为290mm，水位计不同温度时与汽包实际水位的差值。如附表所示。
通过计算可以知道就地水位计与实际水位的差值，再与保护指示值相比较，就可以判断出保护仪表的准确性。
5 结束语
实践证明，应用基于plc的这套系统能够比较准确的测量汽包水位(误差在±20mm)，并具有系统保护功能，改善了现有汽包水位难控制的等问题，完全符合工程要求，有效地提高了控制和管理水平。
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