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[摘 要]我公司全部机组采用的加热器是由上海动力设备有限公司设计和制造的，型式为卧式表面凝结型换热器。高加水位控制系统作为主要的辅助设备，它对锅炉的给水进行加热通过省煤器直至供给汽包，给水温度的恒定，直接关系到锅炉的热效率。本文根据现场实际工作经验总结，将水位测量由开关改造为变送器测量，采用变送器测量截取开关量限值的方式，进行水位保护，模拟量三取中用于调节控制，在测量回路扰动增加前馈，增加水位控制可靠性。在发生水位突变时采用补充逻辑增加控制的可靠性。
[关键词]高加水位控制系统；热效率；前馈；
中图分类号：TM551 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0346-02
1 高压加热器液位的介绍
1.1 高压加热器简介
高压加热器是电厂中给水回热系统的主要组成设备。我厂高压加热器均为上海电气设备厂生产，结构基本相同。加热器所输入的加热蒸汽均来自汽轮机各中间级抽出，因压力不同，由高压至低压分置8级。除第4段抽出的蒸汽至除氧器（除氧器属于混合式加热器），其余各级加热器均属于表面式加热器。1-3号为高压加热器，5-8为低压加热器。高加表1：
高加在给水管系方面配有进水阀、出水阀和旁路阀，我厂高加的给水侧配有大旁路，进口为一只电动三通阀，出口为一电动截止阀，三通阀的采用使操作更加简便。大旁路的采用使高加解列时同时切除三台，不能有单独的高加运行。在抽汽管系方面每个加热器都配有从汽轮机某级来的电动截止阀和气动的抽汽逆止门，可起到双重保护，防止汽机突然甩负荷时引起抽汽管系的冷凝水或加热器内水位过高使汽轮机本体进水，导致叶片损坏或大轴弯曲、汽轮机超速等。是汽轮机防进水保护的重要设备。
在加热器疏水方面每个加热器都配有两种疏水门，一种是控制加热器中疏水逐级自流的正常调节门；一种是事故疏水门，其疏水直接排向高低压侧凝汽器。事故疏水门一般都配有快开电磁阀，当水位到高二值时电磁阀断电快开阀门，使水位快速降低，当水位正常时也可做为备用的调节阀使用。每台高加壳体内都设置有过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段。加热器的采用大幅提高了进炉的给水温度，增加锅炉的效率。
2 高压加热器液位测量方式
2.1 高加液位测量介绍
三台高加为上海动力设计生产，每台高加安装有三台液位高保护开关，分别设置为1个高二值，2个高三值，高一值通过高加液位模拟量示值截取。液位开关为美国SOR公司的产品，1号高加的3台液位开关为卧式，2、3号高加的液位开关为立式。机组投产几年来，发现高加水位高保护采用SOR液位开关的方式，存在诸多的弊端。首先，由于高加运行的温度很高，液位罐内介质温度长期处于270度左右，很容易造成里面的浮子发生热变形，导致上下浮动不灵敏、卡涩。同时液位组件属于精密元件，在长期高温环境下，元件的性能会下降，很容易造成保护拒动和误动，造成不可挽回的设备事故。于是在高加上下两侧引出取样点，分别引出三对取样点，采用三台罗斯蒙特差压变送器，三个模拟量液位信号分别截限值与上自身质量位后三取二方式判断取代被取消的三个液位开关定值。
压力传感器深入或接触被测量液体时，将受到的介质压力P与被测量液体的液位的高度h成正比例，且线性度很高。即：P=ρgh其中：
ρ：被测量介质的密度（kg/m3）g：當地的重力加速度（m/s2）h：被测量液体的高度（m）对于一定的被测量介质和同一个地点，ρ和g均为常数。很容易得到：h=P/（ρg）
上面的表达式就是物位变送器工作原理中的核心公式。
通过安装在容器底部的变送器探头（上面装有传感器）检测到和液位高度成正比的压力并转换成电信号，传输到储液容器上的转换单元，通过转化把这种和液位高度相关的电信号变成4～20mA的标准信号并输出。1号、2号、3号高加三个水位测点分别截限值（1、2号高加HH≥138mm，HHH≥188mm；3号高加HH≥88mm，HHH≥138mm）与上自身质量位后三取二方式判断。高一值与低一值W报警；高二值A报警开本级危急疏水门；高三值A报警切除高加、关上一级正常疏水门。
2.2 差压测量优势
用差压变送器取代液位罐的测量模式，优点是变送器远离高温热源，长期运行不会造成元件本身性能退化，变送器维护简单方便，定值调整很容易，变送器造价低，仅为液位开关单价的一半不到，即增加了可靠性，又增加了经济性。
经变送器4～20mA信号转换后送入DCS系统，输入三取中模拟量功能块取中值输出。当有任一信号坏点时，此时该点应为最小值或最大值，输出仍取三个信号的中值，当有二个信号坏点时取好质量的一点，当三个都坏时保持最后一个好值。当有一个与其它两个偏差大于100mm时自动剔除该点运算。
调节回路的液位测量为三个信号取中值，同时提高了调节系统的可靠性。用差压变送器取代液位开关的测量模式，有如下优点：
1、变送器远离高温热源，长期运行不会造成元件本身性能退化。
2、变送器维护简单方便，定值调整很灵活，不需要对取样管路进行改动。
3、变送器造价低，仅为液位开关单价的一半不到。
3水位控制
3.1高加水位控制的意义
高压加热器运行时保持一定的水位，对其安全、经济运行非常重要。水位过低会使蒸汽进入疏水冷却段，使疏水温度升高，影响下一级加热器的抽汽流量，使加热器性能恶化，机组效率下降；另外，水位过低产生二相流体冲蚀加热器疏水冷却段管子和疏水管道，引起振动，严重危及高加安全运行和缩短高加使用寿命。水位过高使更多的传热管子浸没在水中，加热面积减少，使给水温度降低，影响加热器效率。加热器在过高水位运行，可能造成水倒冲到汽缸内，引起水冲击，危及汽轮机运行的安全。 高加疏水水位的正确调整是其在实际运行中的一个重要间题。虽然每台加热器都配备有水位计，但实际上从水位计上得到的水位往往高于加热器的实际水位，造成假水位现象。实际水位的偏低，严重时会造成水封的丧失。所以，必须以招牌上标有的正常水位为起点，并根据负荷、给水温度以及疏水端差等变化情况，进行热态条件下的现场水位调整，找出最佳正常水位，使高压加热器各性能参数尽量达到设计范围，提高其安全、经济运行水平
3.2 高加水位控制的策略
以1号高加正常疏水调节逻辑图为例，水位控制回路比较简单，采用单回路PI调节器即可满足调节需要，调节器正作用于阀门，水位高了开门加大疏水量。2号、3号高加至除氧器正常疏水调节门，与1号高加调节门逻辑不同的是，2号和3号高加的正常疏水调节门的PI调节器都加有上一级疏水调节门指令的前馈作用，以更快地适应疏水逐级自流的扰动。每台加热器的危急疏水调节门逻辑与正常疏水逻辑结构也基本相同，区别在于本级加热器的高二值或高三值动作时超驰保护全开此门，指令置100%，另外快开电磁阀也会动作，越过阀门定位器直接排气快开。
3.3 高加水位突变的处理方法
3.3.1 在正常运行时3号机组33高加每次快速降负荷时，三段抽汽压力下降较快，除氧器压力下降相
对缓慢，当两者之间压差突然减少时，33高加水位均出现异常升高现象，待压差逐渐恢复后逐级疏水恢复正常。33高加正常疏水、危急疏水调节正常，就地对照磁翻板水位计也同步升高，三个模拟量水位变化同步。
机组负荷由345降到327MW，33高加液位由-34mm突升至58mm，变化量78mm，33高加正常疏水门自动调节设定值为-30mm，阀门开度变化范围由43%开大到56%。33高加危急疏水门自动调节设定值为0mm，阀门开度变化范围由0%开大到6%，32高加正常疏水门开度变化范围41.1%-42.2%。
3.3.2 相同机组不同负荷参数对比
针对33高加在降负荷过程中出现波动现象，积极搜集相关资料，分析曲线，并对相关参数进行优化。但33高加液位在此过程中发生突变的原因未查清。尝试从自动调节方面对控制策略及参数进行优化。对比其它机组高加及3号机组其他高加液位都变化不大。
3.3.3 参数对比分析如下：
1）每次33高加水位波动均出现在降负荷阶段，400MW以下情况居多，但也有较高负荷时候发生，如机组负荷由610MW降至490MW，也发生水位波动情况。
2）每次快速降负荷时，三段抽汽压力下降较快，除氧器压力下降相对缓慢，当两者之间压差突然减少时，33高加水位均出现异常升高现象，等压差逐渐恢复后逐级疏水恢复正常。
3）每次33高加水位异常升高，33高加正常疏水、危急疏水调节正常，就地对照磁翻板水位计也同步升高。
4）各负荷段升负荷时候未发生过33高加水位异常升高情况。
3.3.4 优化方案
针对液位突变制定优化方案，对33高加正常疏水门自动调节加带死区限制的微分前馈。物理意义模拟危急工况时运行人员开疏水门一个开度提前放水干预。之后经过观察此方法作用不佳，随即取消。
然后做变负荷率降负荷试验。3号机组负荷降至400MW，将变负荷速率改为8MW/min，33高加水位突升至21mm，危急疏水开启8%；负荷稳定恢复变负荷速率13.2MW/min。#3机组负荷350MW降低至330MW，33高加水位突升至56mm，危急疏水自动开启27%，水位最低降至-110mm，将变负荷速率改为8MW/min，就地检查系统未见异常；水位调节自动恢复正常，将变负荷速率改为13.2MW/min。对照水温和压力排除虚假水位原因，最终判定此现象的产生由于系统原因导致，而非自动调节的原因。
自动调节只能在一定的范围内起作用。当被控对象出现大幅度波动的话，单纯的PI调节是很难拉回来的。我们采用增加逻辑减缓和弱化液位波动情况的发生。增加33高加正常疏水调节门前馈和32高加正常疏水设定值逻辑，判断如下条件同时发生时触发：
1）降负荷时，负荷指令-限速后负荷指令<-10MW发1min脉冲；
2）300MW<负荷指令<450MW；
3）33高加液位-设定值>10mm；
4）液位在上涨阶段即液位微分>0。
当机组在450MW降至300MW负荷段时且33高加液位上涨到与设定值有一定偏差值（10mm）时，前馈作用使33高加正常疏水门迅速开大一定开度立即增大疏水2.5%；并且当满足条件时，增大32高加正常疏水门设定值5mm，减少32高加到33高加的疏水量目的维持33高加液位稳定。以上逻辑已投入，至今起到较好的控制作用，减弱了水位波动，危机疏水不在开启，提高了水位控制的可靠性。
4 总结
加热器水位液位测量改造后，既提高了液位测量的精度，也大大降低了加热器液位出现异常的概率，同时也减少了日常运行中的维护工作。在高加液位出现疏水不畅等缺陷时，增加控制逻辑提高了整个加热器系统的调节稳定性，为保证机组长期、经济发电打好坚实的基础。
参考文献
[1] 盛伟，肖增弘.电场热力设备及运行.北京：中国电力出版社，2007.
[2] 电厂热工测量装置及控制系统试验技术、中国电力出版社2008
[3] 崔亚辉.超临界660MW机组异常振動频率的诊断与处理[J].热力发电，2013，（9）
[4] 候俊玲.浅析石化行业中自动化仪表及系统的应用[J].广州化工，2014.
[5] 杨晶.600MW超临界机组低压加热器液位测量改造.电力与能源，2014
[5] 张东风，电厂热力过程自动化、中国电力出版社、2015.
[关键词]高加水位控制系统；热效率；前馈；
中图分类号：TM551 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0346-02
1 高压加热器液位的介绍
1.1 高压加热器简介
高压加热器是电厂中给水回热系统的主要组成设备。我厂高压加热器均为上海电气设备厂生产，结构基本相同。加热器所输入的加热蒸汽均来自汽轮机各中间级抽出，因压力不同，由高压至低压分置8级。除第4段抽出的蒸汽至除氧器（除氧器属于混合式加热器），其余各级加热器均属于表面式加热器。1-3号为高压加热器，5-8为低压加热器。高加表1：
高加在给水管系方面配有进水阀、出水阀和旁路阀，我厂高加的给水侧配有大旁路，进口为一只电动三通阀，出口为一电动截止阀，三通阀的采用使操作更加简便。大旁路的采用使高加解列时同时切除三台，不能有单独的高加运行。在抽汽管系方面每个加热器都配有从汽轮机某级来的电动截止阀和气动的抽汽逆止门，可起到双重保护，防止汽机突然甩负荷时引起抽汽管系的冷凝水或加热器内水位过高使汽轮机本体进水，导致叶片损坏或大轴弯曲、汽轮机超速等。是汽轮机防进水保护的重要设备。
在加热器疏水方面每个加热器都配有两种疏水门，一种是控制加热器中疏水逐级自流的正常调节门；一种是事故疏水门，其疏水直接排向高低压侧凝汽器。事故疏水门一般都配有快开电磁阀，当水位到高二值时电磁阀断电快开阀门，使水位快速降低，当水位正常时也可做为备用的调节阀使用。每台高加壳体内都设置有过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段。加热器的采用大幅提高了进炉的给水温度，增加锅炉的效率。
2 高压加热器液位测量方式
2.1 高加液位测量介绍
三台高加为上海动力设计生产，每台高加安装有三台液位高保护开关，分别设置为1个高二值，2个高三值，高一值通过高加液位模拟量示值截取。液位开关为美国SOR公司的产品，1号高加的3台液位开关为卧式，2、3号高加的液位开关为立式。机组投产几年来，发现高加水位高保护采用SOR液位开关的方式，存在诸多的弊端。首先，由于高加运行的温度很高，液位罐内介质温度长期处于270度左右，很容易造成里面的浮子发生热变形，导致上下浮动不灵敏、卡涩。同时液位组件属于精密元件，在长期高温环境下，元件的性能会下降，很容易造成保护拒动和误动，造成不可挽回的设备事故。于是在高加上下两侧引出取样点，分别引出三对取样点，采用三台罗斯蒙特差压变送器，三个模拟量液位信号分别截限值与上自身质量位后三取二方式判断取代被取消的三个液位开关定值。
压力传感器深入或接触被测量液体时，将受到的介质压力P与被测量液体的液位的高度h成正比例，且线性度很高。即：P=ρgh其中：
ρ：被测量介质的密度（kg/m3）g：當地的重力加速度（m/s2）h：被测量液体的高度（m）对于一定的被测量介质和同一个地点，ρ和g均为常数。很容易得到：h=P/（ρg）
上面的表达式就是物位变送器工作原理中的核心公式。
通过安装在容器底部的变送器探头（上面装有传感器）检测到和液位高度成正比的压力并转换成电信号，传输到储液容器上的转换单元，通过转化把这种和液位高度相关的电信号变成4～20mA的标准信号并输出。1号、2号、3号高加三个水位测点分别截限值（1、2号高加HH≥138mm，HHH≥188mm；3号高加HH≥88mm，HHH≥138mm）与上自身质量位后三取二方式判断。高一值与低一值W报警；高二值A报警开本级危急疏水门；高三值A报警切除高加、关上一级正常疏水门。
2.2 差压测量优势
用差压变送器取代液位罐的测量模式，优点是变送器远离高温热源，长期运行不会造成元件本身性能退化，变送器维护简单方便，定值调整很容易，变送器造价低，仅为液位开关单价的一半不到，即增加了可靠性，又增加了经济性。
经变送器4～20mA信号转换后送入DCS系统，输入三取中模拟量功能块取中值输出。当有任一信号坏点时，此时该点应为最小值或最大值，输出仍取三个信号的中值，当有二个信号坏点时取好质量的一点，当三个都坏时保持最后一个好值。当有一个与其它两个偏差大于100mm时自动剔除该点运算。
调节回路的液位测量为三个信号取中值，同时提高了调节系统的可靠性。用差压变送器取代液位开关的测量模式，有如下优点：
1、变送器远离高温热源，长期运行不会造成元件本身性能退化。
2、变送器维护简单方便，定值调整很灵活，不需要对取样管路进行改动。
3、变送器造价低，仅为液位开关单价的一半不到。
3水位控制
3.1高加水位控制的意义
高压加热器运行时保持一定的水位，对其安全、经济运行非常重要。水位过低会使蒸汽进入疏水冷却段，使疏水温度升高，影响下一级加热器的抽汽流量，使加热器性能恶化，机组效率下降；另外，水位过低产生二相流体冲蚀加热器疏水冷却段管子和疏水管道，引起振动，严重危及高加安全运行和缩短高加使用寿命。水位过高使更多的传热管子浸没在水中，加热面积减少，使给水温度降低，影响加热器效率。加热器在过高水位运行，可能造成水倒冲到汽缸内，引起水冲击，危及汽轮机运行的安全。 高加疏水水位的正确调整是其在实际运行中的一个重要间题。虽然每台加热器都配备有水位计，但实际上从水位计上得到的水位往往高于加热器的实际水位，造成假水位现象。实际水位的偏低，严重时会造成水封的丧失。所以，必须以招牌上标有的正常水位为起点，并根据负荷、给水温度以及疏水端差等变化情况，进行热态条件下的现场水位调整，找出最佳正常水位，使高压加热器各性能参数尽量达到设计范围，提高其安全、经济运行水平
3.2 高加水位控制的策略
以1号高加正常疏水调节逻辑图为例，水位控制回路比较简单，采用单回路PI调节器即可满足调节需要，调节器正作用于阀门，水位高了开门加大疏水量。2号、3号高加至除氧器正常疏水调节门，与1号高加调节门逻辑不同的是，2号和3号高加的正常疏水调节门的PI调节器都加有上一级疏水调节门指令的前馈作用，以更快地适应疏水逐级自流的扰动。每台加热器的危急疏水调节门逻辑与正常疏水逻辑结构也基本相同，区别在于本级加热器的高二值或高三值动作时超驰保护全开此门，指令置100%，另外快开电磁阀也会动作，越过阀门定位器直接排气快开。
3.3 高加水位突变的处理方法
3.3.1 在正常运行时3号机组33高加每次快速降负荷时，三段抽汽压力下降较快，除氧器压力下降相
对缓慢，当两者之间压差突然减少时，33高加水位均出现异常升高现象，待压差逐渐恢复后逐级疏水恢复正常。33高加正常疏水、危急疏水调节正常，就地对照磁翻板水位计也同步升高，三个模拟量水位变化同步。
机组负荷由345降到327MW，33高加液位由-34mm突升至58mm，变化量78mm，33高加正常疏水门自动调节设定值为-30mm，阀门开度变化范围由43%开大到56%。33高加危急疏水门自动调节设定值为0mm，阀门开度变化范围由0%开大到6%，32高加正常疏水门开度变化范围41.1%-42.2%。
3.3.2 相同机组不同负荷参数对比
针对33高加在降负荷过程中出现波动现象，积极搜集相关资料，分析曲线，并对相关参数进行优化。但33高加液位在此过程中发生突变的原因未查清。尝试从自动调节方面对控制策略及参数进行优化。对比其它机组高加及3号机组其他高加液位都变化不大。
3.3.3 参数对比分析如下：
1）每次33高加水位波动均出现在降负荷阶段，400MW以下情况居多，但也有较高负荷时候发生，如机组负荷由610MW降至490MW，也发生水位波动情况。
2）每次快速降负荷时，三段抽汽压力下降较快，除氧器压力下降相对缓慢，当两者之间压差突然减少时，33高加水位均出现异常升高现象，等压差逐渐恢复后逐级疏水恢复正常。
3）每次33高加水位异常升高，33高加正常疏水、危急疏水调节正常，就地对照磁翻板水位计也同步升高。
4）各负荷段升负荷时候未发生过33高加水位异常升高情况。
3.3.4 优化方案
针对液位突变制定优化方案，对33高加正常疏水门自动调节加带死区限制的微分前馈。物理意义模拟危急工况时运行人员开疏水门一个开度提前放水干预。之后经过观察此方法作用不佳，随即取消。
然后做变负荷率降负荷试验。3号机组负荷降至400MW，将变负荷速率改为8MW/min，33高加水位突升至21mm，危急疏水开启8%；负荷稳定恢复变负荷速率13.2MW/min。#3机组负荷350MW降低至330MW，33高加水位突升至56mm，危急疏水自动开启27%，水位最低降至-110mm，将变负荷速率改为8MW/min，就地检查系统未见异常；水位调节自动恢复正常，将变负荷速率改为13.2MW/min。对照水温和压力排除虚假水位原因，最终判定此现象的产生由于系统原因导致，而非自动调节的原因。
自动调节只能在一定的范围内起作用。当被控对象出现大幅度波动的话，单纯的PI调节是很难拉回来的。我们采用增加逻辑减缓和弱化液位波动情况的发生。增加33高加正常疏水调节门前馈和32高加正常疏水设定值逻辑，判断如下条件同时发生时触发：
1）降负荷时，负荷指令-限速后负荷指令<-10MW发1min脉冲；
2）300MW<负荷指令<450MW；
3）33高加液位-设定值>10mm；
4）液位在上涨阶段即液位微分>0。
当机组在450MW降至300MW负荷段时且33高加液位上涨到与设定值有一定偏差值（10mm）时，前馈作用使33高加正常疏水门迅速开大一定开度立即增大疏水2.5%；并且当满足条件时，增大32高加正常疏水门设定值5mm，减少32高加到33高加的疏水量目的维持33高加液位稳定。以上逻辑已投入，至今起到较好的控制作用，减弱了水位波动，危机疏水不在开启，提高了水位控制的可靠性。
4 总结
加热器水位液位测量改造后，既提高了液位测量的精度，也大大降低了加热器液位出现异常的概率，同时也减少了日常运行中的维护工作。在高加液位出现疏水不畅等缺陷时，增加控制逻辑提高了整个加热器系统的调节稳定性，为保证机组长期、经济发电打好坚实的基础。
参考文献
[1] 盛伟，肖增弘.电场热力设备及运行.北京：中国电力出版社，2007.
[2] 电厂热工测量装置及控制系统试验技术、中国电力出版社2008
[3] 崔亚辉.超临界660MW机组异常振動频率的诊断与处理[J].热力发电，2013，（9）
[4] 候俊玲.浅析石化行业中自动化仪表及系统的应用[J].广州化工，2014.
[5] 杨晶.600MW超临界机组低压加热器液位测量改造.电力与能源，2014
[5] 张东风，电厂热力过程自动化、中国电力出版社、2015.