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三门峡水电站6号机水导油盆液位计改造研究

2025-01-03 58 上传者：管理员

摘要：为解决三门峡水电站6号机水导油盆液位计无合适配型更换问题，通过对原设备情况分析并参考市场现有液位计，采用三段式设计，将测量杆小型化，测量部分由磁感应变送器与传感器、浮球等构成，信号传导和连接部分由电缆替代，核心的观测、输出部分选用智能变送控制器，设计出适用于三门峡水电站6号机水导油盆的专用液位计，即电缆连接磁感应液位计。该液位计投入运行结果表明，其具有安装方便、运行稳定、维护方便、适用性广的特点，保障了机组的安全稳定运行。

关键词：
三门峡水电站6号机
水导油盆
水轮发电机
测量杆
液位计
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三门峡水电站共装有7台水轮发电机组，总装机容量450MW，其中1～5号机是轴流转浆式机组，6、7号机是混流式机组。水轮发电机组水导油盆油位过高会导致油盆内压力增大，出现甩油现象，过低会导致水导瓦温度过高，严重时出现烧瓦现象。为保障机组安全，每台水轮发电机组均需安装水导油盆液位计，用于采集水导下油盆油位。液位计已使用多年，时常出现故障，影响机组安全稳定运行，1～5号机经过市场分析调研，已逐一更换为磁感应液位计。6号机经检查确定水导油盆油位正常，判定为液位计故障，但安装空间不足，没有合适的配型，一直无法更换，因此需要设计一款适用的液位计。根据原设备情况，参考市场已有设备型号，分析难点，首次尝试设计专用液位计，逐段分解设计，满足机组需求，保障机组的安全稳定运行。

1、原设备存在缺陷

原6号机水导油盆液位计采用连杆式浮子液位计，在浮球上部设一连杆，当浮球上下运动时带动连杆同步上下运动，并在连杆上端对应标尺读出液位，连杆上端有一磁铁，观察筒有两个微动开关，可调节其位置以达到调整高低油位报警定值的目的。当磁铁到达微动开关处，微动开关吸合，高低油位异常信号发出，通过外接电缆送至监控。在原安装工艺中，为解决安装空间不足的问题，6号机水导油盆液位计连杆由两截弯折焊接而成（见图1），但使用过程中存在缺陷。

图1 6号机水导油盆液位计连杆

1.1 精度较低

1）浮动误差和人为误差。连杆式浮子液位计本身精度较低，读取液位与实际液位误差大，误差来源为浮动误差和人为误差。机组运行状态下，水导油盆中透平油液面波动较大，浮子随着液面波动上下摆动，出现浮动误差，一般人为读数取浮动中值，在人为读数时又出现了人为误差。

2）摩擦误差。重新焊接的连杆摩擦液位计安装通道会带来摩擦误差。机组运行状态下，6号机水导油盆液位计显示数值波动超过±15 mm，根据维护人员处理液位计误报缺陷时统计计算，精度误差超过30 mm。

1.2 死区较大

根据机械结构和安装位置，从被测液容器底部往上，无法测量的液位深度即为死区。原设备浮球较大，仅浮球导致的死区就达到90 mm，连杆经过弯折后，下方死区范围再次扩大，达到105 mm。

6号机水导下油盆液位测量量程小，死区过大会压缩液位计总量程，且在液位计精度较低的情况下，信号误报情况更加严重。

1.3 数据获取不便

原6号机水导油盆液位计精度较低、死区较大，且在使用过程中容易出现浮球发卡现象，导致出现信号误报。根据不完全统计，每年都会出现5次以上异常缺陷。连杆式浮子液位计只有高低油位异常报警信号，没有模拟量显示，无法传送实时数据至监控系统，运行人员只能到现场查看，使用不便。

2、不同型号液位计优缺点分析

2.1 磁感应液位计

磁感应液位计以磁浮球为测量元件，通过磁耦合作用，使传感器内电阻线性变化，由智能转换器转换成4～20 mA标准电流信号，通过检测电学量的变化来反映容器内液，并传送给控制室，可实现液位的自动检测、控制和记录。

磁感应液位计能有效排除悬浮物、泡沫等形成的假液位，有结构简单、性能稳定、使用寿命长、便于安装维护等优点。缺点是其与介质直接接触，而浮球密封要求严格，一般使用在低量程的介质较黏、较脏的槽罐、污水池，大量程狭窄的罐子不适用，使用工况范围比较窄。

1～5号机水导油盆液位计选用磁感应液位计，应用情况良好，但磁感应液位计均为直杆式，6号机因空间不足而无法正常安装。

2.2 磁翻板液位计

磁翻板液位计工作原理类似于磁感应浮子液位计，基于浮力原理和磁性耦合作用研制而成，当被测容器中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度[1]。6号机水导油盆开孔在油盆盖上，磁翻板液位计体积较大，安装距离不足，无法应用。磁翻板液位计也可装于水导油盆侧开孔连通管道上，若应用于6号机，则需要改动机械设计，施工复杂。

2.3 电容式液位计

电容式液位计是根据电容的变化来实现液位高度测量的液位仪表，主要构件包括容式物位传感器和检测电容的线路[2]。由探极线与金属外壁构成电容器，其中探极线的金属内芯为电容的一极，金属外壁为另一极，随着液位变化，液体包围探极线的面积改变，使构成电容器两极的相对面积改变，导致电容变化。根据同心筒状电容的计算公式得出液体高度与电容的关系，再转化成电信号输出，通过电信号的变化反应液位高度。

电容式液位计具有轻巧、结构简单、便于安装维护、可靠性较高、维护量极少等优点。缺点是在不稳定运行工况下响应时间与恢复时间较长。机组运行时，水导油盆液面波动大，电容式液位计没有稳压装置，且透平油黏性高，反应时间长，不适用于此种工况。

2.4 电缆投入式液位计

电缆投入式液位计配套压力传感器，基于所测液体静压与液体高度成比例的原理，采用先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器制作而成，由一个内置毛细软管的特殊导气电缆、一个抗压接头和一个探头组成。探头是一个不锈钢筒芯，底部带有膜片，有一个带孔的塑料外壳罩住。液位测量实际上就是测量探头上液体静压与实际大气压之差，然后再由附着在不锈钢薄膜上的陶瓷传感器和电子元件将该差值转换成4～20 mA的输出信号[3]。

电缆投入式液位计稳定性好、安装方便、可靠性高，适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。缺点是只能用于静压液位测量，不适用于水导油盆液位测量，且在小量程情况下精度较低，造价相对较高。

3、设计难点

3.1 安装空间不足

6号机水导油盆液位计测量水导下油盆液位，液位计从水导油盆盖开孔放入，中间穿过水导上油盆，插入下油盆中，水导油盆盖至水导下油盆底深度为1 100 mm，水导油盆上方被水发联轴遮挡，实际安装距离只有550 mm，安装空间的限制导致选型困难。

3.2 油面波动问题

机组运行时，水导油盆液面不断波动，当波动较大时难以读取液面数据。

3.3 量程小且精度要求高

6号机水导下油盆液位低限报警定值为135 mm，高限报警定值为185 mm，正常运行数值为160 mm，测量量程小，相对精度要求高。

4、设计思路

经过市场调研，现有型号设备均不适合6号机水导油盆液位测量，根据实际情况，参考市场现有液位计，设计一款6号机水导油盆专用液位计。将测量杆小型化，此部分采用磁感应变送器传感器一体直杆式，水导上油盆这段无效行程，可以选择伸缩节连接或者电缆连接，解决安装空间小的问题。

伸缩节连接液位计是刚性连接，适用于水导油盆，若将伸缩节应用于磁感应液位计，在磁感应测量杆外面加装一个伸缩筒，咨询市面生产厂家后，考虑到保证测量精度、伸缩节稳定性等问题，生产难度较大，造价较高。

电缆连接方式适用于静态液体，6号机水导油盆中有一个液位计安装管，下管口侧面开孔进油，起固定稳压作用，选择磁感应液位计可以再加装一个稳压筒，双重稳压筒可以解决水导油盆液面波动问题，经咨询厂家，该设计方案生产难度较低。

现有成熟的电缆压力式液位计，无法测量液面波动较大的液体。6号机水导油盆液位量程小，压力式液位计相较于磁感应液位计精度、稳压性较低。6号机使用电缆连接磁感应液位计更加适合，造价没有明显增加。

电缆连接磁感应液位计应用于6号机水导油盆液位测量十分适用，体现在以下6个方面。

1）安装空间。设计液位计采用电缆连接方式，为软性连接，不受安装空间限制，磁感应测量杆为刚性材质，测量的是水导下油盆液位，运行液位不到200 mm，设计选定350 mm量程的测量杆足以满足使用需求，远小于6号机水导油盆上方安装距离550 mm，满足安装空间需求。

2）油面波动。水导油盆中液位计安装管本身就能起到一定的稳压作用，给磁感应液位计加装一个稳压筒，双重稳压起到良好的阻尼效果，解决水导油盆液面波动问题。

3）精度。磁感应液位计将电信号转变为数字信号，矫正零点与满点，生成全量程对应线性数据，即可通过表头显示屏直接读取数据，显示值可精确到小数点后三位，减小人为误差。设计液位计通过双层稳压筒减小液面波动带来的浮动误差。电缆式连接方式决定测量杆不可能与安装筒产生摩擦，磁浮球在稳压筒内运动，保证了测量精度。

4）死区。对于6号机水导油盆液位测量，无论选择哪款液位计，死区都是必然存在的，尽量减小死区范围是选型的方向。电缆连接磁感应液位计本体死区为28 mm，电缆连接可调节长度，考虑到水导油盆底部杂质对浮球起落的影响，设计安装位置距离油盆底部20 mm，即设计液位计死区48 mm，远远小于原有设备死区105 mm。

5）运行监测。设计液位计解决了精度低、死区大问题，不存在卡涩现象，可以有效减少运行异常现象。选用的磁感应智能变送器将转化的4～20 MA电流信号上送监控，获得水导油盆实时液位，运行人员可随时查看。

6）维护检修。设计液位计运行稳定，降低维护次数，即使液位计需要校准或者更改定值，也只需要通过智能表头修改设置即可。

5、技术原理

此次设计的电缆式磁感应液位计分为三部分，最下部的测量部分由磁感应变送器与传感器、浮球等构成，信号传导和连接部分由电缆替代，核心的观测、输出部分选用智能变送控制器。磁感应变送器浮球内置磁束单元，测量时浮球沿由一系列磁感应模块组成的传感器滑杆运动，磁感应模块发生对点动作，从而输出变化电阻信号，再经过变送器把电阻信号转换成对应的4～20 mA电流信号输出。磁感应智能变送控制器采用微电子智能芯片，使变送控制器智能化，可自由设定各参数值，自校正，自诊断报警输出。电缆式磁感应液位计设计图见图2。

图2 电缆式磁感应液位计（单位：mm)

相较于其他直杆式磁感应液位计，电缆式磁感应液位计有以下特点：磁感应测量元件与电缆连接，连接电缆选用DCGYY型电缆，表面硬度高，再外加一层护套，做到抗油、抗磨、耐弯折。电缆与磁感应变送器连接处密封采用螺纹式橡胶制锥胶塞，以不锈钢件压紧连接，密封紧实，可承受1 MPa内压力。螺旋式电缆固定头确保电缆弯折角度大时，电缆内芯不会断裂。

6、应用成果

黄河明珠水利水电建设有限公司于2020年承接三门峡水电站6号机大修工作，在大修期间，提出设计理念，通过厂家定制，生产出一套适合三门峡水电站6号机水导油盆的专用液位计（见图3）。

6号机投入运行状态下，液位计显示数值上下浮动5 mm，死区48 mm,1 a内无设备异常缺陷，节约了运行、维护成本。在出现故障时，维护人员可以在机组运行状态下，对液位计进行维护、更换，不用担心机组在无监控状态下运行导致经济损失，也不用停机检修。

7、结束语

此款液位计在6号机投入使用后，运行情况良好，减少了不安全事件的发生，保障了机组的安全稳定运行，目前也已在7号机投入使用。根据设计原理，可用于其他安装空间有限、安装条件差、液面波动大等不良条件的设备，有很好的推广意义。

图3 门峡水电站6号机水导油盆的专用液位计

参考文献:

[1]张霁月,王维娟.主变压器油温油位关系命名的分析[J].安徽电气工程职业技术学院学报,2015,20(1):44-47.

[2]曹君,唐永科,王海刚,等.电容式液位计在车载LNG气瓶中的应用[J].山西科技,2014,29(5):62-63.

[3]贾晓伟,郝涛,刘士玉,等.中药提取自动化几种关键计量仪表及工艺控制难点探析[J].中国设备工程,2020(3):114-116.

文章来源:冯于容,杜海元.三门峡水电站6号机水导油盆液位计改造研究[J].人民黄河,2024,46(S2):132-133+135.