当关于锅炉汽包水位监控保护安全问题及对策

关于锅炉汽包水位监控保护安全问题及对策

分析汽包水位测孔与一次测量装置问题对监控保安系统的影响，已成为系统完善与提高可靠性的主要障碍，在实施DCS改造时应同步解决之。提出针对性技改目标与要求。华能淮阴电厂应用‘水位多测孔接管’技术，解决了测孔过少、取位不当问题，以及使用‘电接点水位计高精度取样测量筒’解决汽包水位准确可靠测量的问题。

1、汽包水位监控保护系统的安全分析

汽包水位是锅炉最重要的安全参数。监控保安系统由水位仪表、自动调节、信号报警和停炉保护等几个子系统组成，保障锅炉设备及水位运行的安全。只要处于可靠的工作状态，汽包水位自动调节系统就可每分每秒、忠实地将水位准确地钳制在允许的范围内。水位参数正常就意味着安全。因此，水位自动调节也是一个安全系统。水位高2值联锁保护即：当水位升高至“高2值”时自动打开事故放水门，向排污扩容器放水，使水位降低至“高1值”以下时自动关闭事故放水门。水位低2值联锁保护即：当水位降低至“低2值”时自动关闭连续排污总门，当水位高于“低1值”时自动打开连续排污总门。这两种水位工况自动控制实际上是“二位式” 自动调节保安系统。

事故放水管口的口径较大，又是向排污扩容器放水，故放水流量很大。当水位升高至定值时，只要能可靠地自动打开事故放水门，就能使水位快速回降，避免汽包满水。由于放水管口位于“0水位”高度， 水位只能回降至“0水位”， 如放水门拒关，仅继续对排污扩容器放汽，不会造成缺水事故。因此该保护能较可靠地将水位钳制在“0水位”与“高2值”之间。可见，该保护的拒动概率应不大于误动概率，在系统可靠性设计时必须予以注意。

因为连续排污管口的口径较小、实际运行中的连续排污量与给水流量相比很小，所以低2值保护防止汽包缺水的能力有限。由于某种原因，水位高过“高2值”，且自动打开事故放水门保护拒动，水位将高至厂家认为可能危及锅炉安全的“高3值”时自动停炉，称“高

水位停炉保护”，又称“满水停炉保护”。 由于某种原因，水位降低至“低3值”时，为防止降水管严重带汽或水循环中断而锅炉烧坏时，自动停炉，称为“缺水停炉保护”。这两种保护属于“设备危机保护”，是电力锅炉最重要的主保护，运行中必不可少。其可靠性之高应居电站设备保护可靠性水平之最，既不能误动，更不能拒动。

在锅炉水位事故统计中，缺水事故比率远比满水事故率多。其原因是，导致缺水事故的因素比满水事故多得多，例如：由众多设备串联而成的给水系统中，任何一个故障都可能中断锅炉给水；锅炉水冷壁、省煤器等炉水系统设备大面积爆管泄漏而不能维持汽包水位；高低2值工况保护效力的差异大等等。因此预防缺水事故又是重中之重。

在锅炉运行中，运行人员看不见水位比看不见压力温度流量，危险得多。汽包水位表的安全地位不亚于安全门。它既是运行人员手动控制汽包水位的眼睛，又是赖以判断给水、自调与保护系统工作是否正常，不可缺少的最重要表计。在锅炉给水与炉水系统故障时，水位表是否正常，往往决定了运行人员紧急事故处理的正误。如果两个主要表计显示不一致，人员很难果断处理事故。

近些年来，由于水位测量变送单元准确性和可靠性的提高，特别是DCS系统控制的成功应用，人们认为，常规汽包水位表不那么重要了，似乎可以减少，例如在一些设计中，未按规程规定的数量设置水位表。加之，汽包水位表和满缺水停炉保护等系列问题长期未能解决，致使少数火电站付出了沉重的代价。

2、问题的提出

秦皇岛热电厂#4炉为1025t/h亚临界锅炉，采用现代化的DCS（MAX-1000）

控制系统。1997.12.16的给水断水事故，扩大为锅炉严重损坏重大事故，直接经济损失三百多万元。人们不禁要问，采用现代化先进控制系统，何以不能保证锅炉设备的安全？这个问题已引起了一些专家的关注，并进行更深层次的思考。

此次重大事故报告[注1]指出，事故的直接原因是，汽包水位计测量误差致使汽包低水位停炉保护拒动，水位表和给水流量表误显示误导了运行人员误判断、误处理。从事故报告中还可以看出，汽包水位监控保护系统设计不符合《蒸汽锅炉安全技术检察规程》、《电力工业锅炉压力容器检察规程DL612 1996》（简称《电锅规》）、《火力发电厂设计技术规程DL5000 94》（简称《设规》）、《火力发电厂热工自动化设计技术规程（简称《热自规》）DNGJ16 89》等有关规程要求，配套不完善、可靠性不足，是导致事故的根本原因。再细究其根源，并非设计考虑不周，亦不是不按规程办，而是汽包水位测孔和一次测量装置问题未能解决，限制了设计水平。这是系统完善与提高可靠性的主要障碍。采用DCS控制系统，

并不等于解决这两个问题。

现代控制系统（包括DCS）以冗余技术为主、辅之以各自诊断技术，以最大限度面向运行人员的各种窗口设计开发人的潜在能力，以求提高监控保安的可靠性。可以说，只要汽包上有足够的、独立的、合格的水位测孔，准确可靠的一次测量装置，就可以轻而易举地将原系统改造成高可靠性的、功能齐全、更完善的一流系统。

测孔是汽包水位监控保安设计的基础资源。现有锅炉的方可依照该标准方法实行投入检测使用汽包水位测孔问题是：一方面是数量过少，一般只有4~8对，不能满足一流水位监控保安系统及其可靠性改造设计的需求；另一方面是测孔选位不当，易受干扰，不符合水位测量技术要求。此问题对于具体锅炉而言，有的是以测孔过少为主，有的是以取样点不当为主。这两方面问题属于热控与锅炉两专业之间的边缘课题所以说大家看清楚操作。按电力企业内部习惯分工，由热控方向锅炉方提出测孔数量及测孔取位的技术要求，由锅炉方解决，但遗憾预计项目建设期为3年的是，锅炉方（包括锅炉制造厂）往往很难满足热控方的要求。

对汽包水位进行准确、稳定、可靠的一次测量，是监控保护系统安全可靠运行的最重要前提。一次测量问题较多，如就地水位表和电接点水位表存在严重的负误差，差压式水位计的温度压力校正不准且易漂移等。这些问题解决不好，必然对监视仪表、自调、信号报警和保护产生一系列影响。

3、一次测量问题对汽包水位监控保安的影响

水位仪表不准，影响人员正确判断处理水位事故

秦皇岛热电厂#4炉断水事故后至锅炉损坏前，汽包处于严重缺水状态，而电接点水位表和CRT中差压式水位计指示一直在缺水停炉定值以上，使运行人员犹豫不决，不能果断手动紧急停炉，导致锅炉设备严重损坏。可见，在水位事故状态下，水位表误显示使人员正确处理事故的能力大打折扣。很多案例证明了这一点。

电接点水位表和就地云母水位表的严重负误差，使汽包内实际运行水位长期偏高厂家设计值，影响锅炉安全经济运行

水位仪表正负偏差直接导致汽包长期低水位或高水位运行. 以运行人员这信赖的电接点水位表为例。理论计算和运行实验表明，用于400t/h、Fetscher补充说670t/h锅炉15.5 MPa 压力时0水位取样负误差为100 115mm，1025t/h 亚临界锅炉0水位负误差为140 155mm。那末，汽包内实际运行水位长期偏高厂家设计值分别为100 115mm，140 155mm。顺便指出，此项负误差不能靠改变测量筒、就地云母水位表的机械安装0位办法定点校正。若此，当水位低或压力低时，将出现严重的正误差，可能导致汽包缺水而损坏锅炉。理论分析，高水位运行增加旋风分离器阻力，降低水循环速度，增加饱和汽湿度，导致锅炉热效率下降明显[注2]。运行实践证明，有的锅炉以就地云母水位表为准控制水位，引起高水位运行，在大负荷时使饱和汽严重带水，既限制锅炉出力，又影响锅炉安全。

测量不准对保护的影响

秦皇岛热电厂#4炉满水停炉保护定值为：+300mm、-384mm，其开关量信号由差压式水位计给出。由于厂家温度补偿设定值不当等原因造成偏差过大，可使指示水位虚高108mm，在断水事故后,汽包内水位已低于厂家规定的停炉值，而水位计不发缺水停炉信号，使保护拒动。

配套普通测量筒的电接点水位表或液位报警器，高水位开关量定值误差太大。例如用于670t/h 15.5 MPa锅炉，则+300mm停炉定值取样负误差为195mm，即保护动作时汽包内运行水位已达到495mm，高于厂家规定值195mm，炉水已淹没给水清洗孔板，饱和汽已严重带水，实属满水停炉保护动作过于迟缓，亦可认为,汽包内水位已达到+300mm时保护拒动。

测量不准同样会导致高低2值保护、水位报警信号拒动或误动。

4、测点选位不当对水位监控保安系统的影响

《电锅规》）9.3.3指出，“汽包上水位表的汽、水连接管接出位置不应影响水位的正确指示，能正确反映汽包的真实水位”。对此，《电锅规说明》9.3.3解释是，“一些超高压、亚临界参数汽包水位表由于内部汽水工况的影响，同一汽包上的就地水位表指示就有相差，有的还很大，无法判断真实水位。现在很多大型锅炉的汽水连接管已改从汽包封头引出，以减少汽包汽水扰动对水位测量的影响”。显然，测点选位应在汽包封头。

目前，很多在役汽包的远传水位测点位于汽包中段，距旋风分离器、给水清洗孔板、下降管口很近，汽水流对取样精度影响较大，特别在旋风分离器倾倒与顶帽脱开（此类故障率较高）或给水清洗孔板倾斜时，汽水流冲向测孔，使取样误差大大增加，使同一汽包上的水位表、水位变送器、水位开关的取样相差很大，甚至达100~200mm。加之汽包中段各点实际水位随燃烧工况、锅炉负荷等因素变化，不同点的水位有时相差较多。这些取样干扰变化，不仅使运行难于判断真实水位，热工维护人员不易哪个装置准确，还会使水位自调稳定性差，甚至失控。正是由于这种“隐蔽的”取样干扰变化，大幅度降低保护定值精度，使一些电厂发生了满缺水停炉保护“不明不白”的误动，以致不顾增加拒动概率而采用三信号串联回路降低误动率，甚至不敢投入满缺水停炉保护。

5、测孔数量过少对监控保安的影响

使很多锅炉满缺水停炉保护的无法实现真正的“三选二”冗余逻辑设计。

“三选二”是“高保真”信号系统，属于对称表决判断逻辑络，故障率远低于单、双信号回路。如果单信号的拒动与误动概率相等，则该络拒动与误动概率也相等，即具有均衡的抗拒动、抗误动能力。因此，“三选二”是热机主保护理想的信号络[注3]。真正的“三选二”信号逻辑要求三个信号从测量取样端彼此独立。

尽管《设规》《热自规》规定，“重要热工保护的输入信号应多重化”，“对于直接作用停炉、停机保护信号，在可能时宜按“三取二”方式选取”，但由于缺乏测孔，即缺乏独立水位信号，使设计师无法按规程要求设计“三选二”满缺水停炉保护。

例如：秦皇岛热电厂#4炉、华能淮阴电厂670t/h超高压锅炉等，只好采用用单信号回路，可靠性过低，不能适应主保护的要求。例如，河北西北坡电厂等采用双信号串联回路，河南焦作电厂等采用三信号串联回路以降低误动概率。这是以增加拒动概率为代价的，有违于“保护主设备”的宗旨。

使一些大型锅炉水位自调的水位信号系统仍然采用单信号设计。这与当今流行的“三选中”判断络相比，可靠性、稳定性和准确性都差得多。

迫使 “三选二”停炉保护与“三取中” 水位自调系统设计 “合用”

测孔或“合用”二次水位信号。这在国内极为普遍。“合用”二次水位信号与现代分散控制系统（DCS）的“信息共享”不能混为一谈。