分析汽包水位測孔與一次測量裝置問題對(duì)監(jiān)控保安系統(tǒng)的影響，已成為系統(tǒng)完善與提高可靠性的主要障礙，在實(shí)施DCS改造時(shí)應(yīng)同步解決之。提出針對(duì)性技改目標(biāo)與要求。華能淮陰電廠應(yīng)用‘水位多測孔接管’技術(shù)，解決了測孔過少、取位不當(dāng)問題，以及使用‘電接點(diǎn)水位計(jì)高精度取樣測量筒’解決汽包水位準(zhǔn)確可靠測量的問題。

1、汽包水位監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的安全分析

汽包水位是鍋爐最重要的安全參數(shù)。監(jiān)控保安系統(tǒng)由水位儀表、自動(dòng)調(diào)節(jié)、信號(hào)報(bào)警和停爐保護(hù)等幾個(gè)子系統(tǒng)組成，保障鍋爐設(shè)備及水位運(yùn)行的安全。只要處于可靠的工作狀態(tài)，汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)就可每分每秒、忠實(shí)地將水位準(zhǔn)確地鉗制在允許的范圍內(nèi)。水位參數(shù)正常就意味著安全。因此，水位自動(dòng)調(diào)節(jié)也是一個(gè)安全系統(tǒng)。水位高2值聯(lián)鎖保護(hù)即：當(dāng)水位升高至“高2值”時(shí)自動(dòng)打開事故放水門，向排污擴(kuò)容器放水，使水位降低至“高1值”以下時(shí)自動(dòng)關(guān)閉事故放水門。水位低2值聯(lián)鎖保護(hù)即：當(dāng)水位降低至“低2值”時(shí)自動(dòng)關(guān)閉連續(xù)排污總門，當(dāng)水位高于“低1值”時(shí)自動(dòng)打開連續(xù)排污總門。這兩種水位工況自動(dòng)控制實(shí)際上是“二位式” 自動(dòng)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)。

事故放水管口的口徑較大，又是向排污擴(kuò)容器放水，故放水流量很大。當(dāng)水位升高至定值時(shí)，只要能可靠地自動(dòng)打開事故放水門，就能使水位快速回降，避免汽包滿水。由于放水管口位于“0水位”高度， 水位只能回降至“0水位”， 如放水門拒關(guān)，僅繼續(xù)對(duì)排污擴(kuò)容器放汽，不會(huì)造成缺水事故。因此該保護(hù)能較可靠地將水位鉗制在“0水位”與“高2值”之間?？梢?，該保護(hù)的拒動(dòng)概率應(yīng)不大于誤動(dòng)概率，在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)必須予以注意。

因?yàn)檫B續(xù)排污管口的口徑較小、實(shí)際運(yùn)行中的連續(xù)排污量與給水流量相比很小，所以低2值保護(hù)防止汽包缺水的能力有限。由于某種原因，水位高過“高2值”，且自動(dòng)打開事故放水門保護(hù)拒動(dòng)，水位將高至廠家認(rèn)為可能危及鍋爐安全的“高3值”時(shí)自動(dòng)停爐，稱“高

水位停爐保護(hù)”，又稱“滿水停爐保護(hù)”。 由于某種原因，水位降低至“低3值”時(shí)，為防止降水管嚴(yán)重帶汽或水循環(huán)中斷而鍋爐燒壞時(shí)，自動(dòng)停爐，稱為“缺水停爐保護(hù)”。這兩種保護(hù)屬于“設(shè)備危機(jī)保護(hù)”，是電力鍋爐最重要的主保護(hù)，運(yùn)行中必不可少。其可靠性之高應(yīng)居電站設(shè)備保護(hù)可靠性水平之最，既不能誤動(dòng)，更不能拒動(dòng)。

在鍋爐水位事故統(tǒng)計(jì)中，缺水事故比率遠(yuǎn)比滿水事故率多。其原因是，導(dǎo)致缺水事故的因素比滿水事故多得多，例如：由眾多設(shè)備串聯(lián)而成的給水系統(tǒng)中，任何一個(gè)故障都可能中斷鍋爐給水；鍋爐水冷壁、省煤器等爐水系統(tǒng)設(shè)備大面積爆管泄漏而不能維持汽包水位；高低2值工況保護(hù)效力的差異大等等。因此預(yù)防缺水事故又是重中之重。

在鍋爐運(yùn)行中，運(yùn)行人員看不見水位比看不見壓力溫度流量，危險(xiǎn)得多。汽包水位表的安全地位不亞于安全門。它既是運(yùn)行人員手動(dòng)控制汽包水位的眼睛，又是賴以判斷給水、自調(diào)與保護(hù)系統(tǒng)工作是否正常，不可缺少的最重要表計(jì)。在鍋爐給水與爐水系統(tǒng)故障時(shí)，水位表是否正常，往往決定了運(yùn)行人員緊急事故處理的正誤。如果兩個(gè)主要表計(jì)顯示不一致，人員很難果斷處理事故。

近些年來，由于水位測量變送單元準(zhǔn)確性和可靠性的提高，特別是DCS系統(tǒng)控制的成功應(yīng)用，人們認(rèn)為，常規(guī)汽包水位表不那么重要了，似乎可以減少，例如在一些設(shè)計(jì)中，未按規(guī)程規(guī)定的數(shù)量設(shè)置水位表。加之，汽包水位表和滿缺水停爐保護(hù)等系列問題長期未能解決，致使少數(shù)火電站付出了沉重的代價(jià)。

2、問題的提出

秦皇島熱電廠#4爐為1025t/h亞臨界鍋爐，采用現(xiàn)代化的DCS（MAX-1000）

控制系統(tǒng)。1997.12.16的給水?dāng)嗨鹿?，擴(kuò)大為鍋爐嚴(yán)重?fù)p壞重大事故，直接經(jīng)濟(jì)損失三百多萬元。人們不禁要問，采用現(xiàn)代化先進(jìn)控制系統(tǒng)，何以不能保證鍋爐設(shè)備的安全？這個(gè)問題已引起了一些專家的關(guān)注，并進(jìn)行更深層次的思考。

此次重大事故報(bào)告[注1]指出，事故的直接原因是，汽包水位計(jì)測量誤差致使汽包低水位停爐保護(hù)拒動(dòng)，水位表和給水流量表誤顯示誤導(dǎo)了運(yùn)行人員誤判斷、誤處理。從事故報(bào)告中還可以看出，汽包水位監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不符合《蒸汽鍋爐安全技術(shù)檢察規(guī)程》、《電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢察規(guī)程DL612 1996》（簡稱《電鍋規(guī)》）、《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程DL5000 94》（簡稱《設(shè)規(guī)》）、《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程（簡稱《熱自規(guī)》）DNGJ16 89》等有關(guān)規(guī)程要求，配套不完善、可靠性不足，是導(dǎo)致事故的根本原因。再細(xì)究其根源，并非設(shè)計(jì)考慮不周，亦不是不按規(guī)程辦，而是汽包水位測孔和一次測量裝置問題未能解決，限制了設(shè)計(jì)水平。這是系統(tǒng)完善與提高可靠性的主要障礙。采用DCS控制系統(tǒng)，

并不等于解決這兩個(gè)問題。

現(xiàn)代控制系統(tǒng)（包括DCS）以冗余技術(shù)為主、輔之以各自診斷技術(shù)，以最大限度面向運(yùn)行人員的各種窗口設(shè)計(jì)開發(fā)人的潛在能力，以求提高監(jiān)控保安的可靠性?？梢哉f，只要汽包上有足夠的、獨(dú)立的、合格的水位測孔，準(zhǔn)確可靠的一次測量裝置，就可以輕而易舉地將原系統(tǒng)改造成高可靠性的、功能齊全、更完善的一流系統(tǒng)。

測孔是汽包水位監(jiān)控保安設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資源。現(xiàn)有鍋爐的汽包水位測孔問題是：一方面是數(shù)量過少，一般只有4~8對(duì)，不能滿足一流水位監(jiān)控保安系統(tǒng)及其可靠性改造設(shè)計(jì)的需求；另一方面是測孔選位不當(dāng)，易受干擾，不符合水位測量技術(shù)要求。此問題對(duì)于具體鍋爐而言，有的是以測孔過少為主，有的是以取樣點(diǎn)不當(dāng)為主。這兩方面問題屬于熱控與鍋爐兩專業(yè)之間的邊緣課題。按電力企業(yè)內(nèi)部習(xí)慣分工，由熱控方向鍋爐方提出測孔數(shù)量及測孔取位的技術(shù)要求，由鍋爐方解決，但遺憾的是，鍋爐方（包括鍋爐制造廠）往往很難滿足熱控方的要求。

對(duì)汽包水位進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的一次測量，是監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的最重要前提。一次測量問題較多，如就地水位表和電接點(diǎn)水位表存在嚴(yán)重的負(fù)誤差，差壓式水位計(jì)的溫度壓力校正不準(zhǔn)且易漂移等。這些問題解決不好，必然對(duì)監(jiān)視儀表、自調(diào)、信號(hào)報(bào)警和保護(hù)產(chǎn)生一系列影響。

3、一次測量問題對(duì)汽包水位監(jiān)控保安的影響

水位儀表不準(zhǔn)，影響人員正確判斷處理水位事故

秦皇島熱電廠#4爐斷水事故后至鍋爐損壞前，汽包處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)，而電接點(diǎn)水位表和CRT中差壓式水位計(jì)指示一直在缺水停爐定值以上，使運(yùn)行人員猶豫不決，不能果斷手動(dòng)緊急停爐，導(dǎo)致鍋爐設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞?？梢姡谒皇鹿薁顟B(tài)下，水位表誤顯示使人員正確處理事故的能力大打折扣。很多案例證明了這一點(diǎn)。

電接點(diǎn)水位表和就地云母水位表的嚴(yán)重負(fù)誤差，使汽包內(nèi)實(shí)際運(yùn)行水位長期偏高廠家設(shè)計(jì)值，影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

水位儀表正負(fù)偏差直接導(dǎo)致汽包長期低水位或高水位運(yùn)行. 以運(yùn)行人員這信賴的電接點(diǎn)水位表為例。理論計(jì)算和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，用于400t/h、670t/h鍋爐15.5 MPa 壓力時(shí)0水位取樣負(fù)誤差為100 115mm，1025t/h 亞臨界鍋爐0水位負(fù)誤差為140 155mm。那末，汽包內(nèi)實(shí)際運(yùn)行水位長期偏高廠家設(shè)計(jì)值分別為100 115mm，140 155mm。順便指出，此項(xiàng)負(fù)誤差不能靠改變測量筒、就地云母水位表的機(jī)械安裝0位辦法定點(diǎn)校正。若此，當(dāng)水位低或壓力低時(shí)，將出現(xiàn)嚴(yán)重的正誤差，可能導(dǎo)致汽包缺水而損壞鍋爐。理論分析，高水位運(yùn)行增加旋風(fēng)分離器阻力，降低水循環(huán)速度，增加飽和汽濕度，導(dǎo)致鍋爐熱效率下降明顯[注2]。運(yùn)行實(shí)踐證明，有的鍋爐以就地云母水位表為準(zhǔn)控制水位，引起高水位運(yùn)行，在大負(fù)荷時(shí)使飽和汽嚴(yán)重帶水，既限制鍋爐出力，又影響鍋爐安全。

測量不準(zhǔn)對(duì)保護(hù)的影響

秦皇島熱電廠#4爐滿水停爐保護(hù)定值為：+300mm、-384mm，其開關(guān)量信號(hào)由差壓式水位計(jì)給出。由于廠家溫度補(bǔ)償設(shè)定值不當(dāng)?shù)仍蛟斐善钸^大，可使指示水位虛高108mm，在斷水事故后,汽包內(nèi)水位已低于廠家規(guī)定的停爐值，而水位計(jì)不發(fā)缺水停爐信號(hào)，使保護(hù)拒動(dòng)。

配套普通測量筒的電接點(diǎn)水位表或液位報(bào)警器，高水位開關(guān)量定值誤差太大。例如用于670t/h 15.5 MPa鍋爐，則+300mm停爐定值取樣負(fù)誤差為195mm，即保護(hù)動(dòng)作時(shí)汽包內(nèi)運(yùn)行水位已達(dá)到495mm，高于廠家規(guī)定值195mm，爐水已淹沒給水清洗孔板，飽和汽已嚴(yán)重帶水，實(shí)屬滿水停爐保護(hù)動(dòng)作過于遲緩，亦可認(rèn)為,汽包內(nèi)水位已達(dá)到+300mm時(shí)保護(hù)拒動(dòng)。

測量不準(zhǔn)同樣會(huì)導(dǎo)致高低2值保護(hù)、水位報(bào)警信號(hào)拒動(dòng)或誤動(dòng)。

4、測點(diǎn)選位不當(dāng)對(duì)水位監(jiān)控保安系統(tǒng)的影響

《電鍋規(guī)》）9.3.3指出，“汽包上水位表的汽、水連接管接出位置不應(yīng)影響水位的正確指示，能正確反映汽包的真實(shí)水位”。對(duì)此，《電鍋規(guī)說明》9.3.3解釋是，“一些超高壓、亞臨界參數(shù)汽包水位表由于內(nèi)部汽水工況的影響，同一汽包上的就地水位表指示就有相差，有的還很大，無法判斷真實(shí)水位?，F(xiàn)在很多大型鍋爐的汽水連接管已改從汽包封頭引出，以減少汽包汽水?dāng)_動(dòng)對(duì)水位測量的影響”。顯然，測點(diǎn)選位應(yīng)在汽包封頭。

目前，很多在役汽包的遠(yuǎn)傳水位測點(diǎn)位于汽包中段，距旋風(fēng)分離器、給水清洗孔板、下降管口很近，汽水流對(duì)取樣精度影響較大，特別在旋風(fēng)分離器傾倒與頂帽脫開（此類故障率較高）或給水清洗孔板傾斜時(shí)，汽水流沖向測孔，使取樣誤差大大增加，使同一汽包上的水位表、水位變送器、水位開關(guān)的取樣相差很大，甚至達(dá)100~200mm。加之汽包中段各點(diǎn)實(shí)際水位隨燃燒工況、鍋爐負(fù)荷等因素變化，不同點(diǎn)的水位有時(shí)相差較多。這些取樣干擾變化，不僅使運(yùn)行難于判斷真實(shí)水位，熱工維護(hù)人員不易哪個(gè)裝置準(zhǔn)確，還會(huì)使水位自調(diào)穩(wěn)定性差，甚至失控。正是由于這種“隱蔽的”取樣干擾變化，大幅度降低保護(hù)定值精度，使一些電廠發(fā)生了滿缺水停爐保護(hù)“不明不白”的誤動(dòng)，以致不顧增加拒動(dòng)概率而采用三信號(hào)串聯(lián)回路降低誤動(dòng)率，甚至不敢投入滿缺水停爐保護(hù)。

5、測孔數(shù)量過少對(duì)監(jiān)控保安的影響

使很多鍋爐滿缺水停爐保護(hù)的無法實(shí)現(xiàn)真正的“三選二”冗余邏輯設(shè)計(jì)。

“三選二”是“高保真”信號(hào)系統(tǒng)，屬于對(duì)稱表決判斷邏輯網(wǎng)絡(luò)，故障率遠(yuǎn)低于單、雙信號(hào)回路。如果單信號(hào)的拒動(dòng)與誤動(dòng)概率相等，則該網(wǎng)絡(luò)拒動(dòng)與誤動(dòng)概率也相等，即具有均衡的抗拒動(dòng)、抗誤動(dòng)能力。因此，“三選二”是熱機(jī)主保護(hù)理想的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)[注3]。真正的“三選二”信號(hào)邏輯要求三個(gè)信號(hào)從測量取樣端彼此獨(dú)立。

盡管《設(shè)規(guī)》《熱自規(guī)》規(guī)定，“重要熱工保護(hù)的輸入信號(hào)應(yīng)多重化”，“對(duì)于直接作用停爐、停機(jī)保護(hù)信號(hào)，在可能時(shí)宜按“三取二”方式選取”，但由于缺乏測孔，即缺乏獨(dú)立水位信號(hào)，使設(shè)計(jì)師無法按規(guī)程要求設(shè)計(jì)“三選二”滿缺水停爐保護(hù)。

例如：秦皇島熱電廠#4爐、華能淮陰電廠670t/h超高壓鍋爐等，只好采用用單信號(hào)回路，可靠性過低，不能適應(yīng)主保護(hù)的要求。例如，河北西北坡電廠等采用雙信號(hào)串聯(lián)回路，河南焦作電廠等采用三信號(hào)串聯(lián)回路以降低誤動(dòng)概率。這是以增加拒動(dòng)概率為代價(jià)的，有違于“保護(hù)主設(shè)備”的宗旨。

使一些大型鍋爐水位自調(diào)的水位信號(hào)系統(tǒng)仍然采用單信號(hào)設(shè)計(jì)。這與當(dāng)今流行的“三選中”判斷網(wǎng)絡(luò)相比，可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都差得多。

迫使 “三選二”停爐保護(hù)與“三取中” 水位自調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì) “合用”

測孔或“合用”二次水位信號(hào)。這在國內(nèi)極為普遍?！昂嫌谩倍嗡恍盘?hào)與現(xiàn)代分散控制系統(tǒng)（DCS）的“信息共享”不能混為一談。