摘要:從電廠高壓除氧器的工作原理、介質(zhì)工作狀況入手,對(duì)除氧器常見測(cè)量?jī)x表的測(cè)量原理進(jìn)行了介紹,并著重闡述了差壓變送器測(cè)量水位的原理。在此基礎(chǔ)上,分析了電廠高壓除氧器水位異常時(shí)的工況和機(jī)理,對(duì)差壓變送器水位計(jì)在除氧器異常工況時(shí)顯示的水位進(jìn)行了定量計(jì)算,為水位異常的正確處理提供了理論依據(jù)。
高壓除氧器是火電廠、核電廠發(fā)電工藝流程中不可缺少的設(shè)備,主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣,防止游離狀態(tài)的氧在高溫下與金屬發(fā)生氧化反應(yīng),腐蝕金屬。高壓除氧器為混合式回?zé)峒訜崞�,是加熱鍋爐給水的重要設(shè)備,一般有定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行兩種方式。從鍋爐給水安全考慮,除氧器水位需要基本穩(wěn)定,維持在一定范圍內(nèi):高壓除氧器水位過低會(huì)導(dǎo)致漩流吸入氣體,導(dǎo)致給水泵汽化,繼而造成給水泵損壞,鍋爐給水不穩(wěn)定甚至中斷,機(jī)組停車等嚴(yán)重問題;水位過高會(huì)造成壓力波動(dòng),除氧不合格等問題,高到某一規(guī)定值會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)事故放水門,降低水位。因此,高壓除氧器水位穩(wěn)定,準(zhǔn)確測(cè)量水位,正確顯示水位意義重大。
在實(shí)際運(yùn)行過程中,高壓除氧器水位異常時(shí)有發(fā)生,特別是滑壓運(yùn)行時(shí)異常次數(shù)更多,有的電廠被迫反復(fù)更換水位測(cè)量一次儀表。經(jīng)過分析可知,很多異常是測(cè)量?jī)x器受原理限制產(chǎn)生的錯(cuò)誤結(jié)果。
1 除氧器工作原理
除氧器除去氧氣的原理主要依據(jù)“亨利定律”和“氣體分壓定律”[1 -2]。“亨利定律”是指在等溫、等壓下,某種揮發(fā)性溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的分壓力成正比。“氣體分壓定律”是指某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下它單好占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力,而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于其中各氣體分壓之和。依據(jù)這兩個(gè)原理,高壓除氧器中的水就要求長(zhǎng)期處于沸騰狀態(tài),即除氧器中的水溫為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水溫度。
2 除氧器水位測(cè)量計(jì)的種類及測(cè)量原理
除氧器普遍同時(shí)安裝 3 種水位計(jì):一是就地水位計(jì),如玻璃管式、磁翻板式等;二是
差壓變送器式水位計(jì),一般傳輸?shù)椒植际娇刂葡到y(tǒng)(DCS)用于數(shù)字化顯示水位,并作為除氧器水位的被調(diào)節(jié)量;三是電接點(diǎn)水位計(jì),用于水位高、低值報(bào)警和聯(lián)動(dòng)事故放水閥。
(1)就地水位計(jì)依據(jù)連通器原理,其就地顯示的水位總是與除氧器內(nèi)的實(shí)際水位相同,具有直觀、可靠的特點(diǎn),用于現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)觀察,并與遠(yuǎn)傳信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。
(2)電接點(diǎn)水位計(jì)原理較為簡(jiǎn)單,水位計(jì)上、下部均與除氧器筒體相連。根據(jù)連通器原理,水位計(jì)水位總是與除氧器筒內(nèi)水位相同,被水位淹沒的電接點(diǎn)會(huì)接通電源,被淹接點(diǎn)的指標(biāo)燈因通電亮起,顯示出水位,并確定適當(dāng)?shù)碾娊狱c(diǎn)為高、低水位報(bào)警開關(guān)量和聯(lián)動(dòng)事故放水閥。
(3)差壓變送器式水位計(jì)顯示相對(duì)較為復(fù)雜,安裝如圖1 所示。差壓變送器測(cè)量的差壓 ΔP轉(zhuǎn)換成模擬量,電流模擬量傳輸?shù)蕉蝺x表或DCS,再還原成水位顯示。
式中:P 上 為除氧器水位以上壓力;P 下為除氧器底部壓力;P 0 為除氧器內(nèi)汽壓;ρ 為除氧器工作壓力 P 0 下的飽和水密度;g 為重力加速度;h0 為正常運(yùn)行時(shí)水位高度。二次儀表通過除以 ρg,還原出水位,即二次儀表顯示水位為
式中:H 為 DCS 顯示的除氧器水位�?梢钥闯�,正常工況下,差壓變送器輸出的信號(hào),在二次儀表中顯示的水位就是高壓除氧器內(nèi)水位。
3 水位異常原因分析
在實(shí)際工作過程中,當(dāng)除氧器的工作壓力 P變化較快時(shí),經(jīng)常出現(xiàn) DCS 顯示水位與電接點(diǎn)水位不相符、DCS 水位與就地水位計(jì)顯示不對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)因電接點(diǎn)水位高,高壓除壓器電動(dòng)溢水閥動(dòng)作,而 DCS 中顯示水位正常,變化不明顯的現(xiàn)象。部分電廠技術(shù)人員常誤以為差壓變送器水位計(jì)計(jì)量不準(zhǔn),只能更換水位計(jì),對(duì)導(dǎo)致異常的原因無法進(jìn)行準(zhǔn)確分析。下面從機(jī)理上分析水位產(chǎn)生異常的原因。
(1)產(chǎn)生水位異常基本出現(xiàn)在高壓除氧器壓力快速下降的時(shí)候,即 P 0 快速下降時(shí),因高壓除氧器筒內(nèi)的水溫 T 0 為飽和狀態(tài),P 0 降為 P 1 后,對(duì)應(yīng)飽和溫度值 T 1 明顯下降(即 T 1 小于 T 0 ),筒內(nèi)水必將發(fā)生劇烈沸騰,部分水閃蒸成蒸汽,產(chǎn)生汽水共騰現(xiàn)象[3] 。閃蒸就是高壓的飽和液體由于容器內(nèi)壓力突然下降,這些飽和液體溫度因高于對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)下的飽和溫度,容器內(nèi)部分液體會(huì)快速蒸發(fā)為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和蒸汽。閃蒸發(fā)生后,飽和水內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量汽泡,汽泡將自下向上運(yùn)行,直致升高到液面后破裂,釋放出飽和蒸汽,顯示出液面急劇升高,即日常生活中看到的水“溢出”了,飽和水變成飽和蒸汽,吸收水中汽化潛熱,降低筒內(nèi)水溫,直至水溫與液面壓力 P 1 對(duì)應(yīng)的新的飽和水溫 T 1 相等,閃蒸結(jié)束,高壓除氧器內(nèi)達(dá)到新的飽和水與飽和汽共存的狀態(tài),進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。高壓除氧器水位異常就是這一閃蒸過程中出現(xiàn)。
(2)當(dāng)飽和水閃蒸時(shí),水中出現(xiàn)大量水泡,這時(shí)我們假定除氧器內(nèi)進(jìn)、出水量相等,即存量水維持相對(duì)不變狀態(tài),在不變水量中產(chǎn)生大量水泡后,其體積必然膨脹,表現(xiàn)出水位明顯升高,如上文所述的電接點(diǎn)水位計(jì)和就地水位計(jì)顯示的原理,這時(shí),兩種水位計(jì)會(huì)正確顯示出筒內(nèi)水位。但差壓變送器顯示的水位就不一定能正確顯示筒中水位了,即二次儀表顯示水位會(huì)異常,下面就其顯示的水位進(jìn)行分析。
(3)根據(jù)式(1),這時(shí)差壓變送器測(cè)量出的差壓 ΔP = ρgh 0 ,閃蒸過程中,高壓除氧器中液體因摻有大量汽泡,體積急劇膨脹,液體的平均密度 ρ會(huì)明顯減小,式中的液位 h 0 也會(huì)明顯升高,其乘積的變化不便分析,但從式(1) 可以看出,差壓ΔP 實(shí)際測(cè)量的是除氧器筒內(nèi)的水柱質(zhì)量,如果忽略液體中的汽體質(zhì)量(相對(duì)完全可以忽略),閃蒸過程中,液柱的高度變大了,但質(zhì)量是沒有變化的,即差壓 ΔP 仍保持不變,也即差壓變送器發(fā)送給二次儀表的電流信號(hào)強(qiáng)度未變。差壓變送器轉(zhuǎn)化出的電信號(hào),在二次儀表中顯示過程中,水位 H 1 依據(jù)公式(2)顯示,即:
式中:ρ 1 為閃蒸壓力下對(duì)應(yīng)的飽和水密度;H 1 為閃蒸發(fā)生時(shí) DCS 中顯示的水位。在高壓除氧器壓力和溫度變化不大時(shí),可以近似認(rèn)為飽和水的密度不變,即 ρ =ρ 1 ,則可以得出:
OUs壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
也就是說,差壓變送器的信號(hào)在二次儀表中仍顯示閃蒸前水位,水位不變,這就出現(xiàn)了就地儀表和電接點(diǎn)水位計(jì)顯示水位與差壓變送器顯示水位不同的現(xiàn)象。這就是發(fā)生汽水共騰時(shí)差壓變送器水位計(jì)不能正確顯示水位的原理。
4 差壓變器液位計(jì)顯示飽和溫度狀態(tài)液體液位異常的普遍性
(1)差壓變送器液位計(jì)具有可靠性強(qiáng)、信號(hào)便于向遠(yuǎn)方傳遞、在 DCS 中容易實(shí)現(xiàn)還原性顯示、成本低、可安裝在容器外等優(yōu)點(diǎn),盡管在飽和液體閃蒸時(shí)液位出現(xiàn)液位顯示異常,但一般閃蒸發(fā)生的概率低,且閃蒸過程短,在無閃蒸發(fā)生時(shí)仍為液位測(cè)量#方便可靠的測(cè)量方式,建議不要輕易換型。操作人員要正確判斷生產(chǎn)過程中的異�,F(xiàn)象,便于快速、正確處理生產(chǎn)異常情況,認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
(2)文章闡述了差壓變送器式水位計(jì)在高壓除氧器水位異常的機(jī)理,這種機(jī)理在各種生產(chǎn)過程中具有一定普遍性,可參照本文方式正確分析。具有這種現(xiàn)象的有汽輪機(jī)高壓加熱器水位,鍋爐汽包水位,常溫常壓下為氣態(tài)的液化化工原料的液位等。
5 水位異常時(shí)應(yīng)采取的措施
高壓除氧器在運(yùn)行過程中,因調(diào)整不當(dāng)或機(jī)組工況急劇變化時(shí),除氧器內(nèi)壓力就會(huì)出現(xiàn)快速下降情況,特別是滑壓運(yùn)行的高壓除氧器,在機(jī)組負(fù)荷或鍋爐主汽壓力快速下降等情況出現(xiàn)時(shí)(如鍋爐熄火),汽輪機(jī)至高壓除氧器抽汽口的抽汽壓力也會(huì)快速下降,這種工況容易造成除氧器發(fā)現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象,出現(xiàn)水位異常。
只要認(rèn)識(shí)到高壓除氧器在閃蒸發(fā)生時(shí)各種水位計(jì)顯示水位的差異,就能準(zhǔn)確判斷原因,也就不會(huì)再對(duì)這種差異產(chǎn)生困惑,不用在儀表硬件上查找原因。
除氧器閃蒸現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行是存在危險(xiǎn)的,一是要盡力避免發(fā)生,二是在發(fā)生后要正確處理,主要措施有:
(1)機(jī)組運(yùn)行時(shí),盡可能保持各運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定,避免閃蒸的發(fā)生。
(2)多種水位計(jì)水位不相符,且就地水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)水位快速升高,而差壓變送器水位計(jì)顯示變化很小時(shí),如果同步有高壓除氧器壓力快速下降,可以判定為高壓除氧器發(fā)生了閃蒸。
(3)出現(xiàn)二次儀表(多為 DCS)顯示高壓除氧器水位正常,而高壓除氧器電動(dòng)溢水閥動(dòng)作時(shí),不必對(duì)電動(dòng)溢水閥進(jìn)行干預(yù),這時(shí)的溢水是必要的,可以保證除氧器不滿水,防止水面封堵各除氧器各種進(jìn)出汽口,出現(xiàn)除氧器工作異常的危險(xiǎn)發(fā)生。
(4)閃蒸發(fā)生時(shí),要防止汽泡進(jìn)入下水管,造成高壓給水泵汽蝕,甚至鍋爐給水中斷,停爐、停機(jī),這時(shí)可快速加大高壓除氧器進(jìn)水量,降低除氧器內(nèi)水溫,使水溫低于相應(yīng)壓力下的飽和值,結(jié)束閃蒸。
(5)除氧器水位異常,且給水泵出口壓力有擺動(dòng)現(xiàn)象,電動(dòng)給水泵有電流不穩(wěn)現(xiàn)象時(shí),說明給水泵已經(jīng)開始汽化,鍋爐給水有中斷危險(xiǎn),甚至損壞給水泵,這時(shí)在正確判斷的前提下,應(yīng)快速增加高壓除氧器進(jìn)汽量,達(dá)到提高除氧器壓力,結(jié)束閃蒸,并同步提高了給水泵入口壓力,結(jié)束給水泵汽化,防止鍋爐給水中斷。
6 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)容器內(nèi)有一定量液體,且液體長(zhǎng)期為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度狀態(tài),當(dāng)液面壓力快速下降時(shí),容器內(nèi)液體會(huì)出現(xiàn)閃蒸,導(dǎo)致液位急劇升高,但差壓變送器水位計(jì)受測(cè)量原理限制,顯示液位不會(huì)體現(xiàn)這種升高。這種液位異常在高壓除氧器較為常見,火力發(fā)電廠的高壓加熱器汽側(cè)工作狀況相似,也可能因閃蒸出現(xiàn)液位異�,F(xiàn)象。發(fā)生這種情況時(shí),快速、準(zhǔn)確的判斷是正確處理的前提,通過采取正確的措施可以避免險(xiǎn)情發(fā)生,保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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