可克服虚假水位的锅炉汽包水位测量方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.05MB 74 页 15积分

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题的研究背景 .............................................................................................. 1

§1.1.1 锅炉汽包水位测量方法研究现状 ........................................................ 1

§1.1.2 锅炉汽包水位控制中的虚假水位问题 ................................................. 5

§1.2 软测量技术 ...................................................................................................... 6

§1.2.1 软测量技术的基本原理 ......................................................................... 6

§1.2.2 软测量技术的应用前景 .......................................................................11

第二章传统的汽包水位测量及控制方法 ...................................................................13

§2.1 锅炉汽包水位的常用测量方式 ..................................................................... 13

§2.1.1 连通管式就地式水位计 ...................................................................... 13

§2.1.2 电接点水位计 ...................................................................................... 15

§2.1.3 差压式水位计 ....................................................................................... 15

§2.2 锅炉汽包水位测量问题 ................................................................................ 19

§2.3 锅炉汽包水位监视与保护问题 .................................................................... 20

§2.3.1 锅炉汽包水位监视问题 ...................................................................... 20

§2.3.2 汽包水位的自动保护问题 .................................................................. 20

§2.3.3 汽包水位控制方案及其存在的问题 ................................................... 22

第三章基于混合建模方法的真实水位软测量 ...........................................................27

§3.1 锅炉汽包水位影响因素分析 ......................................................................... 27

§3.1.1 锅炉负荷 .............................................................................................. 27

§3.1.2 燃烧工况 .............................................................................................. 27

§3.1.3 给水压力 .............................................................................................. 28

§3.1.4 锅炉汽水管道泄漏或排污阀不严密 .................................................. 28

§3.1.5 炉水品质 .............................................................................................. 28

§3.1.6 锅水循环泵的启停及运行工况 .......................................................... 28

§3.2 锅炉汽包真实水位简化机理模型 ................................................................ 29

§3.3 基于混合建模方法的“真实水位”建模与仿真 .............................................34

§3.4 讨论 ................................................................................................................ 38

§3.4.1 真实水位软测量模型的校正 ............................................................... 38

§3.4.2 K 值的问题 .........................................................................................39

可克服虚假水位的锅炉汽包水位测量方法研究

第四章基于神经网络的建模理论及应用 ...................................................................40

§4.1 基于神经网络的软测量建模原理 ................................................................. 40

§4.1.1 人工神经元模型 ................................................................................... 40

§4.1.2 人工神经网络 ....................................................................................... 42

§4.1.3 人工神经网络的优点 .......................................................................... 43

§4.1.4 神经网络辨识建模理论 ...................................................................... 43

§4.2 用MATLAB 工具箱函数创建软测量模型的方法 ......................................44

§4.3 模型训练数据的预处理 ................................................................................ 47

第五章锅炉汽包虚假水位软测量模型的建立与仿真 ...............................................49

§5.1 虚假水位预测的必要性 ................................................................................. 49

§5.2 引起锅炉汽包虚假水位的因素分析 ............................................................. 49

§5.3 用BP 神经网络实现对虚假水位的建模 ...................................................... 54

§5.3.1 BP 算法基本原理 ..................................................................................54

§5.3.2 用BP 神经网络实现虚假水位的软测量 ............................................57

§5.4 用RBF 神经网络实现对虚假水位的建模 ....................................................62

§5.4.1 RBF 神经网络原理 ...............................................................................62

§5.4.2 RBF 神经网络的学习算法 ...................................................................64

§5.4.3 用RBF 神经网络实现虚假水位软测量建模及仿真分析 ..................64

§5.5 仿真结果比较 ................................................................................................. 67

§5.6 软测量真实水位与虚假水位在水位调节与保护中的应用 ......................... 67

第六章结论与展望 .......................................................................................................69

§6.1 全文工作总结 ................................................................................................. 69

§6.2 未来工作展望 ................................................................................................. 69

参考文献 .........................................................................................................................70

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................73

致谢 .............................................................................................................................74

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景

汽包水位是锅炉运行的重要参数，它直接影响锅炉运行的安全性和经济性。

汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成汽包出口蒸汽水分

过多，使蒸汽中的含盐量增加，该蒸汽通过过热器时，一部分盐份沉积在管子内

壁上，使传热阻力增加，管壁温度升高，造成钢材强度降低，加速钢材蠕变，甚

至超温爆管；不合格的蒸汽进入汽机膨胀作功后，压力逐渐降低，盐份在蒸汽中

的溶解度减小，析出的盐份沉积在汽机的流通部分，使蒸汽的流通截面减小，导

致汽机出力和效率降低；另外蒸汽中的水分过多也会使过热蒸汽温度急剧下降，

造成汽轮机末级带水，严重时可造成汽轮机水冲击。汽包水位过低，会造成下降

管带汽，影响锅炉水循环的正常工作，可能导致水冷壁管过热而爆管。因此，汽

包水位控制的好坏直接影响到火电厂运行的安全、稳定与经济性。所以，长期以

来，锅炉汽包水位的测量与控制都是火电厂仪控专业的最重要课题之一。

近年来，随着火力发电机组的不断增加，电站锅炉汽包水位测量误差大和启

动时汽包水位保护不能正确投入的问题越来越突出，这一问题引起了国家主管部

门的高度重视[1]。2000 年9月8日国家电力公司制定了《防止电力生产重大事故

的二十五项重点要求》，其中增加了防止锅炉满、缺水等事故的重点要求。2001

年12 月21 日又针对汽包水位测量系统专门颁发了《国家电力公司电站锅炉汽包

水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)》。因此，准确可靠地测量汽包水

位是火电厂面临的最重要课题之一。

随着机组容量的增大，汽包的水容积相对减小。以1025t/h锅炉为例，汽包的

水容量约为35t左右，从正常运行水位降到低水位跳闸(MFT)水位，其水容量约16t,

当锅炉满负荷运行时，如给水中断，从正常运行水位降到跳闸水位只有56秒钟左

右的时间。如果处理不当(水位保护失灵或拒动)，短时间内就会引起缺水事故。这

种状况对锅炉汽包水位测量提出了更高的要求。

在国内外，无论是锅炉现场的工程师还是科研院所的研究者，对汽包水位的

技术更新都首先来源于锅炉现场所遇到的实际问题，分类来说，主要是水位测量

和水位控制两类。

§1.1.1 锅炉汽包水位测量方法研究现状

稳定工况时汽包内水空间由于加入大量给水，汽包内水温低于相应压力下的

饱和温度，另外自导管进入汽包的饱和水存在大量汽泡，并不断蒸发，其密度会

低于相应温度、压力下水的密度，影响程度和锅炉负荷、汽包压力、循环倍率有

可克服虚假水位的锅炉汽包水位测量方法研究

关，难以精确计算；非稳定工况时汽包内外的介质变化情况就更为复杂，很难预

测，因此准确测量汽包水位并非易事。理想上来说，用于水位控制使用的水位是

整个汽包按重量平均折算得到的水位，显然这与观测水位是有很大差别的[2]。

目前，电厂用于汽包水位测量的方式主要有三种，即就地式云母水位计(或双

色水位计)、电接点水位计和差压式水位计。就地式水位计虽然直观可靠，但由于

液位显示不够清晰，偏差问题严重，且无法将信号传送至控制端，不便于远程监

控，因此无法直接用于水位的自动控制[2]。电接点水位计是利用汽、水介质的导电

率存在极大差异的性质来测量水位，优点是简单、易用、工作可靠、显示直观，

基本能满足运行人员对水位的观测要求。但由于电极是以一定间距安装的，因此

无法输出连续水位信号，也无法直接用于水位的自动控制。此外，电接点水位计

测量筒保温及腐蚀都存在问题[3]。

差压式水位计是国内外使用最为普遍、误差相对最小的汽包水位测量仪表，

在大多数应用中作为主表来进行水位的测控保护。其平衡容器通常有单室平衡容

器、双室平衡容器、蒸汽罩补偿式平衡容器3种[4，5]。其中双室平衡容器是差压式

汽包水位测量中非常普遍的一种装置，汽侧(正压侧)处于环境温度下，水柱高度基

本维持一定，依靠水侧(负压侧)压力变化来反映汽包水位的变化。汽、水密度的易

变性是双室平衡容器水位测量的重要误差来源。即使

H

为0，即基准水位处，不

同压力下，

H

也不一定为0，这便是零点飘移现象。为了提高测量精度，消除零

点飘移现象，专家[7]提出采用蒸汽罩补偿式平衡容器，其做法就是用蒸汽罩对正压

侧水槽加热，使槽内水在任何情况下与汽包压力下饱和水密度相同。这就是许多

电厂锅炉选用蒸汽罩补偿式平衡容器作为差压式测量的一个重要原因。在此基础

上，为了进一步提高水位测量精确度，一个通用的途径就是进行实时的压力、温

度补偿。此外，还有一些其他的改进技术被提出来。分别阐述如下:

(1)水位测量的实时补偿

蒸汽罩补偿式平衡容器在结构上的改进，只能使正常水位(即

H

= 0)下的差压

P

受汽包压力变化的影响大大减小，但当水位偏离正常水位(即

0H

)时，其输

出

P

还会受汽包压力的影响。为了进一步消除这种动态变化工况下汽包压力对水

位测量的影响，Jonathan Rowe等[8]采用一种多变量变送器Foxboro IMV31，将差压

信号和压力信号同时采集，并通过折线近似的在线换算，对水位值进行补偿，结

果表明可以将偏差降低至水位量程的士0.3%，约为士2.5mm。赵海林等[9]

人通过火

力发电厂的现场大量观测和计算，对汽包压力的变化提出一个补偿函数，并应用

于WDPF分散控制系统中使汽包水位的测量取得了明显的改善；由于蒸汽罩补偿式

平衡容器无法克服水位偏移正常状态下的测量偏差，周朝保等[5]人将蒸汽罩补偿式

第一章绪论

引入水封式平衡容器中，克服了蒸汽罩补偿式基准压头不稳，消除了环境温度的

影响，压力校正更趋简单。此外，龚峻等人[10]结合火电厂余热锅炉的运行测试结

果，研究发现，若不对汽包水位进行在线的压力补偿，所产生的误差为50～120mm，

不符合国家电力有关规定，而经过补偿后的水位值与电接点水位计测量结果比较，

误差不到10mm，吻合的非常好。在进行压力补偿方法的研究中，更多的学者[11,12,13]

给出了颇有工程价值的压力实时补偿的代数式或修正表，为差压式水位计测量提

供了重要依据。

由于业内多数人认为短期内不可能解决电接点水位计误差大和水位测点少的

问题，高维信等人[14]深入地分析了差压水位计环境温度修正难、测量附加差压的

不确定性和随机性、实测不稳定、易大幅度飘移、0位必须核对等问题。指出正负

压传输竖直管路较长，两管有温差便有附加差压，导致测量值漂移。如竖直管路

10m。正压管300℃、负压管200℃，在压力15.5MPa时附加差压340Pa，相当于测量

值升高75mm。与此同时，指出了差压水位计与电接点水位计之间偏差的分布。杨

仕桥[15]柴锡强[16]等人也进一步地证实了该结论。关于测量信号传输线长而导致的

信号失真，也会产生一定的误差，这一点也被黄立升等[17]所证实，他们还指出差

压、压力信号线路应当不大于50m。

(2)多点测量偏差的消除

在研究对差压水位计进行补偿的同时，部分锅炉专家、学者对汽包内部结构

对测量的影响进行了研究。

高维信等人[18]指出，大型锅炉汽包内各局部汽流、水流以及汽水混合物的流

速分布往往不均，导致水位高低不平，水位测量容易有各种干扰。这正是实施多

点测量的原因所在。尹君等人[19]在电厂对美国的2020t/h锅炉进行测试发现汽包两

侧水位偏差很大，严重时可以达到50mm，锅炉负荷高，偏差越大。这种汽包两侧

水位偏差大的现象也被另一位学者谢红卫[21]所证实。付仁杰[11]等认为，汽包内部

的实际水位很不平稳，由于锅炉内部结构的复杂性，水位沿汽包横向和轴向分布

不均，各处水位起伏不平。对于轴向而言，中间位置较高，四周较低，对于高压

锅炉而言，高度差可达l00mm；对于横向而言，在上升管较密的一侧，水位稍高。

刘福国、苏起等[21,22]在山东的日照电厂300MW以上的锅炉现场也发现，机组

锅炉汽包两侧(轴向上)存在严重的水位测量偏差，分析其原因包括水中含汽差异、

水温分布差异、取压管伸入距离差异、烟气冲刷分布不均等等因素，由此引起了

汽包两侧的指示水位偏差。此外，刘福国等人[23]还针对配水管的分布进行了研究，

发现由于给水配水不均也导致两侧水位偏差，经过重新设计配水管的布置，大大

减小了两侧的水位偏差。这充分表明，两侧偏差产生的外因是给水配水不均和烟

可克服虚假水位的锅炉汽包水位测量方法研究

气冲刷分配不均，内因在于水位计取压管处区域产汽率和水密度分布存在着差异。

黄立升等[24]人在200MW发电机组配置的锅炉工作现场发现，汽包内部压力的

分布是不一致的，通过认真的测试，发现汽包两侧压力最大相差达到0.07MPa，为

了消除由此产生的水位差，黄等人采用了增加中侧水位信号，结合三个信号进行

取均处理，解决了两侧水位偏差过大的现象。一直以来，汽包内部压力一致的观

点被大多数人所认可，而黄立升等人的发现，对于许多业内人来说也是一个新的

突破，也有待更多的实例去证实。

(3)新配置新技术的提出

测量仪表的配置数量不足，一直是国内外长期以来未解决的问题。测孔少、

位置不佳，严重影响到汽包水位监控保护系统的优化设计:测孔过大，势必增加汽

包承压、使用寿命等问题。此外，由于补孔的风险高、费用大，施工期长、管理

难度大易于被否决。因此，为了提高水位测量精确度，必须解决测孔数量不足的

问题[18]。高维信、夏学鹰等人[18,25]指出，多测孔接管技术利用汽包原有内孔直径

较大的测孔接管(母管)通道，不需要在汽包上开孔而增加独立取样测孔，一般可以

增至4对。多测孔技术能可靠地解决水位测孔少的问题，从而避免保护和自动调节

系统合用测孔、合用信号的“危险集中”。该技术已成功地为23台大型亚临界、超高

压锅炉汽包增加了79个水位测孔[14]。

差压水位计测量不稳定，却可以满足水位自动调节系统功能需求，但由于测

量不稳定，易产生漂移现象，需要有一个校准的仪表来匹配。电接点水位计，测

量原理简单，量程内有水即可稳定测量，检测可信，即便某点显示有误，仍可根

据其余点显示判断水位所处区间，常显示，直观醒目。配套GJT2000测量筒的电接

点水位计消除了负误差大、传感可靠性低的缺陷。以其为准核对校正CRT水位计，

成为了新的一种优化配置方式。高维信等[18]认为，GJT2000解决了汽包全程水位监

视的问题，在扬州二电厂600MW机组锅炉的运行中得到了非常好的验证。而华能

淮阴电厂以GJT2000测量筒取代普通测量筒，提高了测量精度，已使用5年多，从

未排污过，水质依然良好，获得了明显的经济效益[26]。

特别值得一提的是，至今为至，国内外在汽包水位的测量领域一直着眼于汽

包水位的一次测量，通过对测量仪器的升级，补偿方法的改善等来提高一次测量

的精度。与此不同，许晨光等人[27]将软测量技术应用于电厂锅炉汽包水位测量。

根据汽包水位动态过程中的物质平衡机理，利用水位与汽包进水量和出汽量之间

的关系建立了软测量理论模型，并参照实际情况对其进行修正，从而导出了汽包

水位软测量的实现模型。虽然还存在许多要继续解决的问题，如模型的误差，特

性如何，减温水量的测量问题等等，但毫无疑问，这个思路为研究汽包水位问题、

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...................................................................................................................1§1.1课题的研究背景..............................................................................................1§1.1.1锅炉汽包水位测量方法研究现状..........................................

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