大机组加热器水位调节的新方法
陈国慧 林万超 邢秦安 严俊杰 刘继平 江 帆 巨林仓
西安交通大学 西安 710049
80年代末，在火电厂节能诊断工作中，发现一个问题，某火电厂的200MW机组高压加热器投运率虽然达98%左右，符合电力行业的要求，但高压加热器却长期无水位运行。经进一步了解，才知无水位的问题是由于高压加热器的疏水器不能正常使用，使本级加热器的蒸汽随着疏水一同流入下一级高压加热器，这种运行的方式严重影响机组的安全经济性。带着这一问题，进行了广泛的调研，发现这不仅仅是一个火电厂加热器的问题，而是带有一定的普遍性。关键问题是目前使用的几种疏水调节器一直存在着执行机构运行频繁、易磨损、易腐蚀及可靠性差等问题。由此开始了近10a的研究，开发出一种新型水位控制器。
1 加热器无水位运行的危害性
火电厂的高、低压加热器疏水调节器不能正常运行，导致加热器长期无水位运行，给设备带来一系列安全、经济性的问题。
(1)安全性方面
疏水器故障，导致加热器长期处于无水位运行状态，大量的汽水混合物沿着加热器进入疏水管道，造成管子强烈振动。某厂125MW机组靠除氧器的一级高压加热器，由于其疏水引入除氧器的管路很长，振动很大，威胁着设备的安全。
同时加热器无水位运行还造成加热器的疏水管道及弯头的严重冲刷，管壁很快就变薄，以致在运行中，发生爆破，造成事故。1998年初某台125MW汽轮机检修人员发现加热器的疏水管有渗水现象，在运行检查中，突发疏水管破裂，造成一亡一伤的重大事故。再例如一台320MW机组的高压加热器的疏水弯头，由于汽水的冲刷，管壁减薄，在运行中破裂，压力疏水喷至电气设备上，造成发电机跳闸事故。
(2)经济性方面
加热器无水位运行就是指疏水调节器故障，本级加热器疏水逐级自流到下一级加热器，与此同时大量的蒸汽串入下一级加热器，造成机组的热经济性大幅度降低。其原因之一是高能级抽汽贬为低能级使用；其二加热器的传热恶化造成加热器出口水温降低。
下面就来计算机组加热器无水位运行对其经济性的影响。为简化计算，假设加热器无水位运行时不影响换热特性，即加热器的进出口水温都不变，且本级加热器无水位运行时，其抽汽串入下一级加热器，完全排挤了下一级加热器的抽汽。对于如图1所示的局部热力系统，根据等效热降理论，机组单位新蒸汽作功量的变化值为：
图1 加热器热力系统局部示意图
ΔH=αj-1qj-1(ηj-1-ηj) (kJ/kg)
式中 αj-1——下一级加热器的抽汽份额；
qj-1——下一级加热器的抽汽放热量，kJ/kg；
ηj，ηj-1——本级及下一级加热器的抽汽效率，%。
对于用再热冷段之前抽汽加热的加热器，当其无水位运行之时，会使机组的再热份额发生变化，从而影响循环吸热量：
ΔQ=σ.Δαzr (kJ/kg)
式中 σ——单位再热蒸汽在再热器中的吸热量，kJ/kg；
Δαzr——再热份额的变化，可按照等效热降理论计算。
在求出单位新蒸汽作功及吸热的变化后，机组循环效率、发电标准煤耗率、年标准煤耗量的变化分别为：
Δb=-b0δη
ΔB=-B0δη
式中 δη——机组循环效率的相对变化值，%
ηi——额定工况下机组的循环效率，%；
Δb——机组发电标准煤耗率的变化值，g/(kW.h)；
b0——额定工况下机组的发电标准煤耗率，g/(kW.h)；
ΔB——机组年发电标准煤耗量的变化值，t/a；
B0——机组年发电标准煤耗量，t/a。
根据上述公式，应用文献［1］中的数据，求出N300-165/550/550国产型机组的8号、7号、6号高压加热器及4号、3号低压加热器无水位运行时对经济性的影响结果如表1所示。由此可知，加热器无水位运行对机组的经济性的影响是很大的。
表1 300 MW机组加热器无水位运行对经济性的影响
加热器编号
δη/%
Δb/g.(kW.h)-1
ΔB/t.a-1
8号高压加热器
-0.456
1.46
2 280
7号高压加热器
-0.211
0.67
1 053
6号高压加热器
-0.102
0.33
510
4号低压加热器
-0.402
1.29
2 011
3号低压加热器
-0.570
1.82
2 851
2 新型水位控制器系统及工作原理
国内300MW以上机组的高、低压加热器均采用卧式布置。其加热器的水位控制早期投运机组的低压加热器采用机械式疏水器，例如姚孟电厂等。近期投运的机组大多采用气动式或电动式疏水调节阀。由于加热器采用卧式布置，所以水空间的高度相对立式加热器较小，不允许水位有较大的波动，一般为正负几十毫米左右，对水位控制器的要求比较高。
汽液两相流自调节水位控制器是基于流体力学理论，利用汽液两相流的流动特性设计的一种新型水位控制器。气液的一个显著的特点是其比容相差上千倍，这一自身介质的物性，以及流动特性是新型水位控制方法的理论根据，是赖以实现无运动部件、无触点、无外力源的自动控制的基本出发点，由此达到控制水位的目的。它勿需外力驱动，属自力式智能调节。它的执行机构的动力源来自本级加热器的蒸汽，所需蒸汽量约为加热器疏水量的1%～2%。这部分蒸汽含加热器正常排放的不凝气体，代替了原排空气管中所排出的空气和蒸汽混合物。汽液两相流自调节水位控制器的系统示意图见图2，相应自动控制方框图见图3。
图2 汽液两相流自调节水位控制器系统示意图
1—卧式加热器；2—信号传感器；3—调节器；4—调节阀；5—旁路调节阀
图3 汽液两相流自调节水位控制系统主框图
注：1.虚线为汽液两相澈睚调节水位控制系统主框图
2.实线为常规自控制系统方框图
自调节水位控制器主要由传感变送器和调节器两部分组成如图2所示。传感变送器的作用是发送水位信号和变送调节用汽量，完成常规自控制装置中的测量、变送、给定值设定、偏差比较、放大运算功能。调节器的作用是控制出口水量，相关于常规自动控制装置的执行机构。其调节原理是：当加热器的水位上升时，传感变送器内的水位随之上升，导致发送的调节汽量减少，因而流过调节器中两相流的汽量减少、水量增加，加热器的水位随之下降。反之亦然。由此实现了加热器水位的自动控制。
3 应用情况及效果
新型水位控制器自1994年投入现场应用，先后在200MW以下机组的高低压加热器上改装，已得到广泛的应用。1997年开始在姚孟电厂、西柏坡电厂、大坝电厂等300MW机组的卧式加热器上应用，取代了国产、日本和美国(Fisher)的疏水调节器。由于新型水位控制器的原理新颖，系统简单，设备小巧紧凑，价格远低于国外同类产品，便于现场改造。从现场运行情况看，调试操作简单方便，一次调整到位后再不需进一步调整，可做到不用操作随机启停。
由于新型水位控制器同原水位调节器相比，无机械运行部件和电气、气动控制元件，因此水位器的故障率大幅度降低，减轻了现场检修人员的维护工作量，使用寿命长。由于新型水位器是全密封装置，因此无泄露且安全可靠。在现场投运正常，自调节能力强，水位稳定，减轻了运行人员的维护管理工作量。原有水位调节器的热工控制系统和装置全部取消，免除了热工人员的维护管理。
现场运行实践表明，机组负荷在100%～50%范围内变化时，其水位波动值为50～100mm，满足大机组卧式加热器的水位要求。
4 结束语
新型自调节水位控制器与原有的几种电动、气动控制系统中的调节阀不同，汽液两相流水位控制装置的调节器没有一般调节阀门的开关动作，是靠自汽液两相流的自反馈特性来改变流量的大小，达到控制水位的目的。实践证明，该自调节水位控制器水位稳定，安全可靠，不仅适用于现有电厂的技术改造，也适用于新机组设计采用，在电力及其它工业领域具有广阔的推广应用前景。
参考文献
[1] 林万超.火电厂热系统节能理论.西安：西安交通大学出版社，1994
[2] 唐明辉.热工自动控制仪表.北京：水利电力出版社，1989
[3] 韩立人.管道与阀门.北京：水利电力出版社，1988
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