0 引言
深圳市某燃机电厂是广东省LNG配套项目，一期工程机组采用的是3ⅹ390MW的M701F 燃气-蒸汽联合循环发电机组。余热锅炉采用的是杭州锅炉厂的NG－M701F－R型，其特征为三压、再热、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉。[1]该机组投运以来，启机过程中，多次出现中压汽包因水位计偏差大而退出中压汽包给水调门自动控制，需要运行人员进行水位的手动干预，同时也给启机过程中的水位造成了一定的隐患风险。因此，本文从水位计的量程误差、中压系统汽水管道分布结构、机组工况等角度，去分析造成该机组中压汽包水位计偏差大的原因和处理方法。
1 NG－M701F－R型锅炉中压系统结构概述
自然循环锅炉的蒸发设备是由汽包、下降管、蒸发器管屏、联箱及一些连接管道所组成。从汽包下部引出的管子是下降管，它将汽包中的水引至锅炉下部，经过分配支管送入水冷壁各下联箱，下降管及各分配支管布置在炉外不受热，本机组炉水通过一根集中下降管进入分配集箱。[2]中压蒸发器纵向有6排，横向有123排，材质为210A1，受热面均为Φ50.8mmⅹ4mm的螺旋鳍片管，结构为错列布置。[3]
2 中压汽包水位计偏差大的现象
该燃机电厂#1机在运行中，出现中压汽包水位计测点偏差大的问题。该机组控制和保护采用的是单室平衡容器差压式汽包水位计。停机时测点静态偏差一般在15mm左右；在机组正常启动运行以后，#1测点和另外两个测点偏差会达到40mm-50mm。针对以上现象，为了排除由测量环节造成的测量误差，三个热工水位计的差压变送器在计量室重新进行了压力校验，确认了变送器的测量准确度符合要求，不是因差压变送器故障造成的测量偏差。
汽包水位的测量要求所有的水位计零点在同一水平面上。但是锅炉投入运行以后，随着时间的推移，会受到各种因素的影响，如锅炉支架的不平衡下沉等，使得汽包的水平度变差，造成汽包两侧的人孔门中心点不在同一水平面上，向一侧倾斜。[4]为了消除这一情况带来的测量偏差，技术人员通过拉水平线的方法，结合《569032-0-1中压锅筒（水位）》图纸，对汽包零点重新进行了一次定位，根据测量的结果重新确定了三个热工水位计的零点。单室平衡容器的取样管在安装焊接的时候不同水位计之间会存在安装的误差，这会导致不同的水位计之间的量程和零位的相对位置不一致。为了消除由量程设定不准和热工水位计零水位点不一致而造成的测量误差，技术人员重新量了中压汽包热工水位计就地取样管的实际量程，并结合图纸重新确认汽包的零水位，通过这些数据去重新设置变送器的量程以及DCS水位通道上的量程。如表1所示是中压汽包水位取样管量程就地实测数据：
表1 中压汽包水位取样管量程就地实测数据
由以上重新测量的中压汽包水位取样管的实际测量数据，技术人员重新调整了就地差压变送器的量程，并对DCS水位通道进行了改动，如表2所示是改动情况：
表2 DCS水位通道和就地差压变送器的量程改动情况
通过测量，发现集控楼侧的汽包人孔门中心点比另外一侧的人孔门中心点要高13mm，这可能是基建时候的安装误差，也可能是锅炉投入运行以后，受到金属形变、锅炉支架不平衡等原因造成的。
3 中压汽包水位计偏差大的原因分析
在重新调整了差压变送器的量程、DCS水位通道量程后，OPS画面上的热工水位计三个测点量程在#1机停机后偏差已经缩小，缩小到10mm左右。而#1机启机以后的动态水位，在机组稳定运行以后偏差减小至33mm左右。动态偏差相对于静态偏差较大。
为了查找造成这一现象的原因，首先分析了三个热工水位计指示值与机组启动阶段各参数的趋势图，在甄别大量参数的相关性后，发现动态偏差扩大的时点和机组点火时间基本重合，且与燃机的排气温度有明显的相关性。如图1所示：
图1 机组转速与中压汽包三个热工水位计测量值
机组在点火后，最大的变化就是开始有燃气燃烧产生的高温烟气排出，加热整个锅炉系统，使其汽水循环速度快速上升，体现在中压汽包上就是：中压蒸发器内通过上升管进入汽包的汽水混合物快速增加，同时未形成蒸汽通过下降管回到下联箱的水也在快速增加，此时上升管或下降管布置不平衡将对汽包内水位造成相当大的影响。如表3所示，点火前后燃机排气温度（EXT）和三个水位计测量值、以及#1水位计和#2、#3水位计的偏差：
表3 燃机排气温度（EXT）和三个热工水位计测量值
可以看到水位偏差和燃机排气温度有着明显的正相关性，#1水位计和#2、#3水位计的偏差在点火后呈上升趋势。
为了查找造成动态偏差的原因，结合中压系统的基建图纸，并在中压汽包实地观察了三个热工水位计和汽包上升管、下降管以及给水管路之间的位置关系。由于中压汽包的六根上升管均匀对称分布，对水位分布的影响可以忽略，所以重点考察下降管以及给水管路的影响。中压汽包下降管和给水管路布置结构如图2所示：
图2 中压汽包下降管和给水管路布置结构
由图2可以看出，#2、#3热工水位计测点和下降管在同一侧，#1热工水位计测点和给水管路在一侧。在机组停机以后静态水位三个测点可以做到基本无偏差，但是机组启动过程中以及机组正常运行时，汽包内的水位会由于汽包进水不平衡、下降管布置不对称而造成水位的真实偏差。这个偏差也能够在机组正常运行时就地的双色水位计显示的水位反映出来：机组点火以后，中压汽包两侧的双色水位计偏差由7mm上升至35mm。
机组点火以后，锅炉内开始有烟气进行加热，汽包和蒸发器之间的汽水循环急剧增加，有大量的水通过下降管流回锅炉蒸发器内，这就使得在下降管周围的水面会比其他位置的水位更低一些。[5]同时，因为中压给水管路是靠近#1热工水位计那一侧，这也会导致在机组给水流量大的时候，#1热工水位计附近的液面能迅速得到补水，导致水位往往高于#2、#3热工水位计。同时由于中压汽包的容量仅有15.1m3，和高压汽包的41m3、中压汽包的60.2m2相比容量太低，使得这种水位的结构性不平衡更加容易出现。因此，当机组点火后，在下降管和给水管路的共同作用下，靠近下降管的#2、#3热工水位计测得的水位会比#1热工水位计低。这一偏差和两个就地双色水位计之间的指示偏差也是相呼应的。
4 逻辑优化
在原先的控制系统的逻辑里，中压汽包三个热工水位计的数值要相互之间偏差绝对值超过50mm，中压给水调阀就会退出自动控制，并发出报警。这个逻辑的设计起因是当三个热工水位计相互间偏差大的时候，可以认为至少两个热工水位计的测量值是有问题的，此时就不再适用三取中的逻辑判断了。此时需要运行人员结合就地双色水位计去判断哪个热工水位计的数值是正常的，并根据正常的热工水位计去控制水位。而由于汽包#1水位计的实际水位高于#2、#3水位计两侧水位30mm左右，如果判断偏差大的逻辑中确认偏差的报警值都一样都是±50mm的话，在日常运行时，正常情况下#1测点就已经接近偏差大的判定值，此时很容易因为另一水位测点的波动，而导致两侧点偏差大而退出给水调门的自动控制。所以如果不考虑水位计测点位置实际水位就已经存在偏差，而设定统一的水位测点偏差判定值，很容易就会在启机过程中因另外一点热工水位计数值偏差大，而造成退出给水调门的自动控制，给运行人员带来监盘和操作的压力，也给汽包的水位控制带来不可控的风险。图3所示是原先退出给水调门自动控制的判断逻辑：
图3 修改前的退出给水调门自动控制的判断逻辑
假定汽包#2、#3测点处实际水位为H,则对应#1测点处实际水位为H+30mm。#1、#2和#3差压变送器测到的水位分别为h1、h2和h3，则满足以下条件时，可以认为该差压变送器测量的水位和实际水位偏差大:
a) 判定h1偏差大的条件：h1-H>50或h1-H<-50；
b) 判定h2偏差大的条件：h2-H>50或h2-H<-50；
c) 判定h3偏差大的条件：h3-(H+30)>50或h3-(H+30)<-50,即h3-H>80或h3-H<-20。
基于#1热工水位计侧实际液位比#2、#3液位要高30mm，控制和保护逻辑在判断#1与#2、#3水位计的偏差是否大时候，判断条件不再是h3-H>50或h3-H<-50，应在此基础上整体向上平移30mm，即判断条件是h3-H>80或h3-H<-20。在工程中H用另外的两个水位计的测量值来进行代替，即如果一个水位计的测量值同时与另外两个水位计的测量值偏差超过一定的值时，即可认为该水位计出现了异常。通过以上的推导，我们可以把原先的判断逻辑进行优化，图4所示是修改以后的逻辑图：
图4 修改后的退出给水调门自动控制的判断逻辑
5 结束语
在做出以上的逻辑修改以后，启机过程中液位波动大的时候，不再容易误触发三个液位计之间偏差大报警，避免了在三个热工水位计测点正常的情况下退出中压给水调阀的自动控制，保证了机组能够正常运行，防止了中压汽包给水退出自动控制而运行人员又没有发现而造成的水位失控机组跳闸的风险。
参考文献：
[1] 杭州锅炉集团有限公司．NG－M701F－R型余热锅炉设计说明书［Z］．2005．
[2] 广东省惠州天然气发电有限公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电设备与运行：机务分册[M].北京：机械工业出版社，2014，168-171.
[3] 深圳市广前电力有限公司.燃气-蒸汽联合循环机组运行与检修·主机分册[M].广州:华南理工大学出版社，2019 ，109-110.
[4] 侯子良,刘吉川，侯云浩，吕锡江.锅炉汽包水位测量系统[M].北京：中国电力出版社，2005，2-3.
[5] 黄光明，李琪琪，谭京，朱利民.浅谈锅炉汽包的水位测量误差分析与补偿计算[J]. 工业仪表与自动化装置,2020,4:62-65.