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    磁翻板液位計在電廠除氧器液位測量中的分析與改進

     摘要:提出利用DCS引入溫度補償修正法和加裝導波雷達液位計輔助測量方案,通過實踐驗證,此方案能有效消除液位測量誤差,提高液位測量準確性且操作簡單。

     
    常規島中除氧器、高低壓加熱器、各疏水箱液位的準確測量,直接影響著機組控制系統自動調整的狀況和機組的安全、穩定運行。測量容器液位的方法有很多,其中常用的方法是差壓液位變送器測量,并附有就地液位磁翻板顯示。但在機組實際運行生產中,由于容器壓力、介質溫度、介質密度變化和差壓液位變送器隔離液走失,經常出現液位測量失真,就地磁翻板顯示與主控液位顯示不一致現象,差壓液位變送器相互顯示偏差大的問題 [1]。
     
    1 電廠除氧器液位測量誤差分析
    1.1 除氧器液位就地磁翻板顯示與真實液位顯示不一致
    分系統試驗中,在進行除氧器制水期間發現主控顯示除氧器液位與就地磁翻板液位計顯示液位不一致。
     
    1.1.1 除氧器液位測量裝置介紹
    某核電廠除氧器為鋼制臥式容器,長49.56m,內徑4.3m,除氧器工作溫度176.3℃,除氧器啟動階段在0.12MPa 下定壓運行,汽輪機功率低于20%額定功率時在0.27MPa 下定壓運行,汽輪機功率在20~100% 額定功率時在0.27MPa(a)~0.921MPa 滑壓運行。除氧器兩邊配置2個就地磁翻板液位計,3個差壓液位變送器,差壓變送器采用單平衡容器安裝。
    除氧器罐體與液位計示意圖
    1.1.2 液位測量誤差分析
    就地磁翻板液位計猶如連通器安裝于容器上,上端接至容器上部,下端從容器底部引出,形成一個環路。根據連通器原理可知,在容器內液位和磁翻板內液位相對平衡時,A、B 兩點的液體壓力必須相等。設容器上部的壓力為 P1,磁翻板上部壓力為 P2,A 點的密度為 ρa,B 點的密度為 ρb,則P1+ρa×g×Ha=P2+ρb×g×Hb。 容 器 上 部 是氣體、密度小,無論容器內壓力和溫度如何變化 P1幾乎等于 P2,不會引起測量誤差。假如 A 點與 B點溫度相等,則對應的密度 ρa=ρb,便會有液位Ha=Hb。然而在除氧器運行時,容器內液體溫度為176.3℃,磁翻板筒壁常年在外,筒內液體溫度遠低于176.3℃。雖然兩處是同種液體,但溫度不同密度也會不同,必然會造成 Ha ≠ Hb。
     
    在除氧器制水試驗期間,用紅外測溫儀測得 A點溫度為94℃,設此溫度為除氧器內液體平均溫度,則 ρa=0.962g/cm³,B 點溫度為58℃,設此溫度為磁翻板內液體平均溫度,則 ρb=0.984g/cm³。當磁翻板顯示液位為3000mm,則除氧器真實液位為 Ha=Hb×ρb/ρa=3069mm,除氧器真實液位要高于磁翻板顯示液位69mm。
     
    1.2 除氧器差壓液位變送器互相顯示偏差大
    除氧器差壓液位變送器經校驗、安裝、遷移完成后,在除氧器制水后期,主控出現高液位報警,發現3臺差壓液位變送器顯示偏差大。
     
    1.2.1 除氧器液位控制邏輯介紹
    電廠除氧器3臺差壓液位變送器的液位控制邏輯為 :當變送器均無故障時輸出為取3臺變送器中值 ;當1臺變送器故障時輸出為正常2臺變送器的高值 ;
     
    當2臺變送器故障時輸出為正常的1臺變送器的值 ;當3臺變送器均故障時輸出保持zui后有效值,模塊輸出相應的變送器故障信號。
     
    1.2.2 顯示不一致分析
    差壓液位變送器為單平衡容器安裝,負壓側灌水液位高4300mm。經現場檢查發現,1號變送器由于零點漂移,導致差壓液位變送器示值增大為2664mm。2號差壓液位變送器由于零點漂移且誤操作使負壓側隔離液走失,造成差壓液位變送器示值為3160mm,嚴重失真。3號差壓液位變送器正常,示值2631mm。通過除氧器液位控制邏輯可知模塊輸出取3臺變送器中值,1號變送器的示值2664mm,超過除氧器液位高報值2650mm,導致主控出現高液位報警。
     
    對1、2號變送器重新進行校準后,灌水遷移后發現,1、2號變送器液位顯示一致,3號變送器液位顯示略高于1、2號變送器。分析認為,1、2號變送器負壓側管線新灌水溫度低,密度高于3號變送器負壓側管線內水密度,造成3號變送器液位顯示略高于1、2號變送器。決定繼續制水,第二天3臺差壓液位變送器顯示基本一致。
     
    通過分析可知,容器采用差壓式液位測量時,只要確認安裝合理、道壓管通暢、正負遷移正確、變送器準確等,產生誤差的關鍵原因就是溫度變化。
     
    2 液位測量誤差解決方案分析
    2.1 伴熱補償法
    通過伴熱補償因溫度變化引起測量誤差的方法通常為雙室平衡容器法(圖2)[2],將磁翻板液位計和差壓液位變送器管線設置于筒室內,筒室上端接容器汽側,通過引入容器上部氣體對磁翻板液位計內液體和差壓液位變送器管線內液體進行加熱,以消除因溫度變化引起測量誤差。此種補償方法安裝改造復雜,施工量大,使用和維護成本較高。且在設備降壓運行時,存在筒體內差壓液位變送器負壓側管線內液體汽化現象,從而造成“假水位”測量,對設備安全運行造成安全隱患。
    雙室平衡容器示意圖采用密度補償法液位測量原理同
    2.2 密度補償法
    通過密度補償為解決測量誤差通常是在傳統測量方案的基礎上,新增加一臺小測量范圍差壓變送器(圖3)[3]。設容器內液體密度為 ρ0,變送器1負壓管線液體密度為 ρ1,變送器2負壓管線液體密度為 ρ2,則 :
    ΔP1=P11-P12=ρ1×g×L1-ρ0×g×H,
    ΔP2=P21-P22=(ρ2-ρ0)×g×h。 因 為 變 送 器1
    負壓管線與變送器2負壓管線在同一環境,可認為ρ1=ρ2,上式中L1、L2、h 為已知量,ΔP1、ΔP2可由變送器測得,容器內真實液位 H 為 ρ0與 ρ1的函數,在 DCS 組態中設置相應定值,即可算出密度變化情況下的真實液位。此種補償方式安裝新的差壓變送器涉及到容器開孔等工作,且由于裝入新的差壓變送器,在整個液位測量過程中帶入了新的不確定性,使液位測量不確定性增大。
     
    2.3 DCS 對差壓液位計檢測誤差修正法
    差壓液位計檢測原理基于 P=ρg×g×H,在實際液位測量中,各工況下密度 ρg 是根據溫度變化、而設計給定的密度 ρs 為定值,這樣就產生了誤差 [4]。為了消除誤差,通常需要在 DCS 處進行修正,通過 P=ρ×g×H 得 出 H=(P/ρs×g)(ρs/ρg), 可 看出,在用設計時給定的密度與實際工況密度之比乘以儀表顯示的液位值,便可一定程度上修正實際液位。此方法通常是在 DCS 處引入罐體溫度變送器監測值,通過系統自動進行溫度與密度的修正。此方法無需設備改造,方便簡單,能根據介質溫度不同進行適當的密度修正,能較真實地反應實際液位。
     
    2.4 導波雷達液位計
    隨著技術的發展,導波雷達液位計以其優良的性能被越來越多用于測量壓力容器液位。與平衡容器相比,其不受溫度、壓力、蒸汽氣體混合物、密度、沸騰起泡、不同介電常數和黏度的影響,并具有蒸汽補償功能,從而可保證液位測量的準確度和可靠性 [5]。導波雷達液位計由表頭高頻脈沖發生器產生電磁脈沖波信號,電磁波沿著導波桿從介質1傳播到介質2,當介質2的介電常數大于介質1的介電常數時,電磁波會產生反射,用超高速計時電路測量出電磁波信號從發射到接收的時間差,可計算雷達至液面的距離為
    S=V×Δt/2,其中 V 為電磁波傳播速度,已知導波雷達距容器低高度 H,則液位 L=H-S。
     
    因為壓力容器在冷態時液面上部為空氣,熱態運行時液面上部為蒸汽,電磁波在空氣中傳播的速度大于在蒸汽中傳播的速度,在設備投運期間,導波雷達液位計便會產生測量誤差。但實際應運中此狀態往往時間很短,只需通過設置熱態時蒸汽介電常數便可準確測量液位。導波雷達液位計在安裝及參數設置正確后,除設備投運期間測量不穩定外,大多數情況下測量準確且故障極少。
     
    3 液位測量誤差解決方案實施
    經討論決定,針對電廠常規島液位測量中,由于溫度變化引起密度變化而產生的測量誤差的消除,采用在 DCS 中引入溫度信號進行補償修正。針對差壓液位變送器隔離液走失等原因產生液位測量誤差的消除,通過加裝導波雷達液位計進行輔助測量來提高測量可靠性。
     
    DCS 引入溫度補償修正。根據差壓液位計檢測原理可知,通過用設計時給定的密度與實際工況密度之比乘以儀表顯示的液位值,能夠修正實際液位 :H=(P/ρs×g)(ρs/ρg),先在 DCS 中將上式寫入液位控制組態,后引入罐體溫度變送器信號,將各溫度狀態下對應的密度 ρg 代入公式與設計給定密度 ρs 進行計算,這樣通過邏輯運算塊便可輸出修正后的液位值。
     
    加裝導波雷達液位計。因其不受溫度、壓力、蒸汽氣體混合物、密度、沸騰起泡和黏度等影響,安裝簡單且位置要求相對較低,只需保證不靠近入口管線,確保導波桿不與其他物體接觸。利用除氧器原有平衡筒、在其頂端加裝導波雷達液位計,節約資金、減少工作量。對電廠在運機組液位計進行改造,在原基礎上加裝導波雷達液位計。導波雷達液位計所用導波桿為蒸汽探桿,距離表頭下方125mm 處安裝有一個蒸汽目標,表頭每秒會發送一個詢問信號,該詢問信號到蒸汽目標后被發射回表頭的時間 t 問詢被精確測量。此時,電磁脈沖信號在當前工況下的速度 V 可用V=d/t 計算出來。獲得 V,導波雷達將以此值來進行真實液位值的計算,從而達到實時補償的目的。
     
    4 實施結果分析
    改造方案實施后,選取除氧器水溫在30℃、50℃、80℃、100℃時,對磁翻板液位計、差壓液位變送器、導波雷達液位計顯示液位進行了監測記錄,并與實施前各液位計顯示液位進行對比分析 :
     修改后液位控制組態圖
    在除氧器溫度為30℃(常溫)時,磁翻板液位計、差壓液位變送器和導波雷達液位計均能準確反應除氧器內實際液位。在除氧器溫度為50℃時,磁翻板液位計顯示液位低于實際液位,差壓液位變送器修正后液位值稍低于實際液位值,由于除氧器上部產生部分蒸汽,導波雷達液位計測量值誤差偏大。在除氧器溫度為80℃時,磁翻板液位計顯示液位明顯低于實際液位,差壓液位變送器修正后液位值稍低于實際液位值,由于除氧器上部產生蒸汽趨于穩定,導波雷達液位計測量值恢復正常。在除氧器溫度為100℃時,磁翻板液位計顯示液位于實際液位偏差繼續擴大,差壓液位變送器修正后液位值稍低于實際液位值,導波雷達液位計測量值穩定。
    方案實施前后液位對比
    可見,在方案實施后除氧器液位測量準確度提高,此方案可行。隨后對在運電廠常規島高壓加熱器、低壓加熱器、低加疏水罐液位測量裝置進行了相關改造。DCS 中引入罐體溫度信號進行液位測量誤差修正,能夠有效提高液位測量的準確性,修正后液位能夠較準確地接近實際值。此方案操作簡單,方便可靠。加裝導波雷達液位計,能夠更好的保證液位測量的準確度和可靠性。其操作方便安全,抗干擾能力強,值得推廣應用。
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