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磁翻板液位计在电厂除氧器液位测量中的分析与改进

摘要:提出利用DCS引入温度补偿修正法和加装导波雷达液位计辅助测量方案,通过实践验证,此方案能有效消除液位测量误差,提高液位测量准确性且操作简单。

常规岛中除氧器、高低压加热器、各疏水箱液位的准确测量,直接影响着机组控制系统自动调整的状况和机组的安全、稳定运行。测量容器液位的方法有很多,其中常用的方法是差压液位变送器测量,并附有就地液位磁翻板显示。但在机组实际运行生产中,由于容器压力、介质温度、介质密度变化和差压液位变送器隔离液走失,经常出现液位测量失真,就地磁翻板显示与主控液位显示不一致现象,差压液位变送器相互显示偏差大的问题 [1]。
1 电厂除氧器液位测量误差分析
1.1 除氧器液位就地磁翻板显示与真实液位显示不一致
分系统试验中,在进行除氧器制水期间发现主控显示除氧器液位与就地磁翻板液位计显示液位不一致。
1.1.1 除氧器液位测量装置介绍
某核电厂除氧器为钢制卧式容器,长49.56m,内径4.3m,除氧器工作温度176.3℃,除氧器启动阶段在0.12MPa 下定压运行,汽轮机功率低于20%额定功率时在0.27MPa 下定压运行,汽轮机功率在20~100% 额定功率时在0.27MPa(a)~0.921MPa 滑压运行。除氧器两边配置2个就地磁翻板液位计,3个差压液位变送器,差压变送器采用单平衡容器安装。
除氧器罐体与液位计示意图
1.1.2 液位测量误差分析
就地磁翻板液位计犹如连通器安装于容器上,上端接至容器上部,下端从容器底部引出,形成一个环路。根据连通器原理可知,在容器内液位和磁翻板内液位相对平衡时,A、B 两点的液体压力必须相等。设容器上部的压力为 P1,磁翻板上部压力为 P2,A 点的密度为 ρa,B 点的密度为 ρb,则P1+ρa×g×Ha=P2+ρb×g×Hb。 容 器 上 部 是气体、密度小,无论容器内压力和温度如何变化 P1几乎等于 P2,不会引起测量误差。假如 A 点与 B点温度相等,则对应的密度 ρa=ρb,便会有液位Ha=Hb。然而在除氧器运行时,容器内液体温度为176.3℃,磁翻板筒壁常年在外,筒内液体温度远低于176.3℃。虽然两处是同种液体,但温度不同密度也会不同,必然会造成 Ha ≠ Hb。
在除氧器制水试验期间,用红外测温仪测得 A点温度为94℃,设此温度为除氧器内液体平均温度,则 ρa=0.962g/cm³,B 点温度为58℃,设此温度为磁翻板内液体平均温度,则 ρb=0.984g/cm³。当磁翻板显示液位为3000mm,则除氧器真实液位为 Ha=Hb×ρb/ρa=3069mm,除氧器真实液位要高于磁翻板显示液位69mm。
1.2 除氧器差压液位变送器互相显示偏差大
除氧器差压液位变送器经校验、安装、迁移完成后,在除氧器制水后期,主控出现高液位报警,发现3台差压液位变送器显示偏差大。
1.2.1 除氧器液位控制逻辑介绍
电厂除氧器3台差压液位变送器的液位控制逻辑为 :当变送器均无故障时输出为取3台变送器中值 ;当1台变送器故障时输出为正常2台变送器的高值 ;
当2台变送器故障时输出为正常的1台变送器的值 ;当3台变送器均故障时输出保持zui后有效值,模块输出相应的变送器故障信号。
1.2.2 显示不一致分析
差压液位变送器为单平衡容器安装,负压侧灌水液位高4300mm。经现场检查发现,1号变送器由于零点漂移,导致差压液位变送器示值增大为2664mm。2号差压液位变送器由于零点漂移且误操作使负压侧隔离液走失,造成差压液位变送器示值为3160mm,严重失真。3号差压液位变送器正常,示值2631mm。通过除氧器液位控制逻辑可知模块输出取3台变送器中值,1号变送器的示值2664mm,超过除氧器液位高报值2650mm,导致主控出现高液位报警。
对1、2号变送器重新进行校准后,灌水迁移后发现,1、2号变送器液位显示一致,3号变送器液位显示略高于1、2号变送器。分析认为,1、2号变送器负压侧管线新灌水温度低,密度高于3号变送器负压侧管线内水密度,造成3号变送器液位显示略高于1、2号变送器。决定继续制水,第二天3台差压液位变送器显示基本一致。
通过分析可知,容器采用差压式液位测量时,只要确认安装合理、道压管通畅、正负迁移正确、变送器准确等,产生误差的关键原因就是温度变化。
2 液位测量误差解决方案分析
2.1 伴热补偿法
通过伴热补偿因温度变化引起测量误差的方法通常为双室平衡容器法(图2)[2],将磁翻板液位计和差压液位变送器管线设置于筒室内,筒室上端接容器汽侧,通过引入容器上部气体对磁翻板液位计内液体和差压液位变送器管线内液体进行加热,以消除因温度变化引起测量误差。此种补偿方法安装改造复杂,施工量大,使用和维护成本较高。且在设备降压运行时,存在筒体内差压液位变送器负压侧管线内液体汽化现象,从而造成“假水位”测量,对设备安全运行造成安全隐患。
双室平衡容器示意图采用密度补偿法液位测量原理同
2.2 密度补偿法
通过密度补偿为解决测量误差通常是在传统测量方案的基础上,新增加一台小测量范围差压变送器(图3)[3]。设容器内液体密度为 ρ0,变送器1负压管线液体密度为 ρ1,变送器2负压管线液体密度为 ρ2,则 :
ΔP1=P11-P12=ρ1×g×L1-ρ0×g×H,
ΔP2=P21-P22=(ρ2-ρ0)×g×h。 因 为 变 送 器1
负压管线与变送器2负压管线在同一环境,可认为ρ1=ρ2,上式中L1、L2、h 为已知量,ΔP1、ΔP2可由变送器测得,容器内真实液位 H 为 ρ0与 ρ1的函数,在 DCS 组态中设置相应定值,即可算出密度变化情况下的真实液位。此种补偿方式安装新的差压变送器涉及到容器开孔等工作,且由于装入新的差压变送器,在整个液位测量过程中带入了新的不确定性,使液位测量不确定性增大。
2.3 DCS 对差压液位计检测误差修正法
差压液位计检测原理基于 P=ρg×g×H,在实际液位测量中,各工况下密度 ρg 是根据温度变化、而设计给定的密度 ρs 为定值,这样就产生了误差 [4]。为了消除误差,通常需要在 DCS 处进行修正,通过 P=ρ×g×H 得 出 H=(P/ρs×g)(ρs/ρg), 可 看出,在用设计时给定的密度与实际工况密度之比乘以仪表显示的液位值,便可一定程度上修正实际液位。此方法通常是在 DCS 处引入罐体温度变送器监测值,通过系统自动进行温度与密度的修正。此方法无需设备改造,方便简单,能根据介质温度不同进行适当的密度修正,能较真实地反应实际液位。
2.4 导波雷达液位计
随着技术的发展,导波雷达液位计以其优良的性能被越来越多用于测量压力容器液位。与平衡容器相比,其不受温度、压力、蒸汽气体混合物、密度、沸腾起泡、不同介电常数和黏度的影响,并具有蒸汽补偿功能,从而可保证液位测量的准确度和可靠性 [5]。导波雷达液位计由表头高频脉冲发生器产生电磁脉冲波信号,电磁波沿着导波杆从介质1传播到介质2,当介质2的介电常数大于介质1的介电常数时,电磁波会产生反射,用超高速计时电路测量出电磁波信号从发射到接收的时间差,可计算雷达至液面的距离为
S=V×Δt/2,其中 V 为电磁波传播速度,已知导波雷达距容器低高度 H,则液位 L=H-S。
因为压力容器在冷态时液面上部为空气,热态运行时液面上部为蒸汽,电磁波在空气中传播的速度大于在蒸汽中传播的速度,在设备投运期间,导波雷达液位计便会产生测量误差。但实际应运中此状态往往时间很短,只需通过设置热态时蒸汽介电常数便可准确测量液位。导波雷达液位计在安装及参数设置正确后,除设备投运期间测量不稳定外,大多数情况下测量准确且故障极少。
3 液位测量误差解决方案实施
经讨论决定,针对电厂常规岛液位测量中,由于温度变化引起密度变化而产生的测量误差的消除,采用在 DCS 中引入温度信号进行补偿修正。针对差压液位变送器隔离液走失等原因产生液位测量误差的消除,通过加装导波雷达液位计进行辅助测量来提高测量可靠性。
DCS 引入温度补偿修正。根据差压液位计检测原理可知,通过用设计时给定的密度与实际工况密度之比乘以仪表显示的液位值,能够修正实际液位 :H=(P/ρs×g)(ρs/ρg),先在 DCS 中将上式写入液位控制组态,后引入罐体温度变送器信号,将各温度状态下对应的密度 ρg 代入公式与设计给定密度 ρs 进行计算,这样通过逻辑运算块便可输出修正后的液位值。
加装导波雷达液位计。因其不受温度、压力、蒸汽气体混合物、密度、沸腾起泡和黏度等影响,安装简单且位置要求相对较低,只需保证不靠近入口管线,确保导波杆不与其他物体接触。利用除氧器原有平衡筒、在其顶端加装导波雷达液位计,节约资金、减少工作量。对电厂在运机组液位计进行改造,在原基础上加装导波雷达液位计。导波雷达液位计所用导波杆为蒸汽探杆,距离表头下方125mm 处安装有一个蒸汽目标,表头每秒会发送一个询问信号,该询问信号到蒸汽目标后被发射回表头的时间 t 问询被精确测量。此时,电磁脉冲信号在当前工况下的速度 V 可用V=d/t 计算出来。获得 V,导波雷达将以此值来进行真实液位值的计算,从而达到实时补偿的目的。
4 实施结果分析
改造方案实施后,选取除氧器水温在30℃、50℃、80℃、100℃时,对磁翻板液位计、差压液位变送器、导波雷达液位计显示液位进行了监测记录,并与实施前各液位计显示液位进行对比分析 :
 修改后液位控制组态图
在除氧器温度为30℃(常温)时,磁翻板液位计、差压液位变送器和导波雷达液位计均能准确反应除氧器内实际液位。在除氧器温度为50℃时,磁翻板液位计显示液位低于实际液位,差压液位变送器修正后液位值稍低于实际液位值,由于除氧器上部产生部分蒸汽,导波雷达液位计测量值误差偏大。在除氧器温度为80℃时,磁翻板液位计显示液位明显低于实际液位,差压液位变送器修正后液位值稍低于实际液位值,由于除氧器上部产生蒸汽趋于稳定,导波雷达液位计测量值恢复正常。在除氧器温度为100℃时,磁翻板液位计显示液位于实际液位偏差继续扩大,差压液位变送器修正后液位值稍低于实际液位值,导波雷达液位计测量值稳定。
方案实施前后液位对比
可见,在方案实施后除氧器液位测量准确度提高,此方案可行。随后对在运电厂常规岛高压加热器、低压加热器、低加疏水罐液位测量装置进行了相关改造。DCS 中引入罐体温度信号进行液位测量误差修正,能够有效提高液位测量的准确性,修正后液位能够较准确地接近实际值。此方案操作简单,方便可靠。加装导波雷达液位计,能够更好的保证液位测量的准确度和可靠性。其操作方便安全,抗干扰能力强,值得推广应用。
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