超超臨界機組高壓加熱器水位補償研究

曾海波，龔自力，肖 波

（國電漢川發電有限公司，湖北 漢川 431614）

0 引言

隨著熱力發電機組容量的不斷增大，高壓加熱器（簡稱高加）的抽汽壓力也隨之提高，水位的控制是加熱器能否保持最佳狀態的重要因素之一，采用傳統的單室平衡容器配差壓變送器直接測量高加水位已無法滿足準確性要求。水位過低會使疏水冷卻段進口露出水面，蒸汽進入下一級加熱器，加熱器性能惡化，下端差增大，同時在疏水冷卻段進口處和疏水端內對管束形成沖蝕。水位過高部分管子將浸沒在水中，減小有效傳熱面積，加熱器出口溫度降低，上端差增大，加熱器性能下降[1]。因此高加的水位控制在運行中非常重要，要實現有效控制先要準確測量水位。以下研究了某臺百萬超超臨界燃煤機組的高加水位測量裝置的結構、工作原理、誤差來源及補償方法。

1 水位測量裝置實例

該機組采用東方電氣集團生產的帶外置式蒸汽冷卻器的單列臥式高加[2]，每臺高加配置3套水位測量裝置，安裝位于高加蒸汽凝結段，測量裝置包括單室平衡容器和差壓變送器[3]。工作原理如圖1所示。

圖1中，高加汽側水平取樣管口接至平衡容器水平引出管，差壓變送器正壓側接至平衡容器垂直引出管，高加水側水平取樣管口接至差壓變送器負壓側，差壓變送器采用低一運轉平臺安裝布置。高加運行后蒸汽不斷進入平衡容器而被冷凝成水，多余的凝結水經連通管回到高加。最終形成同汽側取樣口等高的水柱并保持不變，高加內水位的變化轉變為差壓變送器的不同差壓，差壓經變換后得出高加水位。連通管使取樣管和連通器中的介質具有一定的流動性，可以防止冬季取樣管凍結[4]。依據DRZ/T 01-2004《火力發電廠鍋爐汽包水位測量系統技術規定》中要求，對汽水側取樣管、取樣閥門及連通管良好保溫，平衡容器及容器下部形成參比水柱的管道不保溫。

2 水位測量誤差分析

2.1 工程中采用的計算方法

以1號高加為例進行定量分析，1號高加在TRL（銘牌工況）工況下抽汽壓力為8.0 MPa（此處除特殊說明外所有壓力數值均為表壓力），參比水柱高度 L=1.4 m，差壓變送器量程 R=（0～14）kPa。實際工程中計算未考慮壓力及溫度對密度的影響，簡單的采用水位計算公式為：

式中：ΔP為變送器測的差壓；ρ1為水的標準密度；g為重力加速度；L為參比水柱高度（平衡容器液面與水側取樣管口的中心距離）；H為高加水位。

由式（1）推導出實際工程中計算高加水位H：

2.2 理論水位計算方法

高壓加熱器屬于無調節型抽汽加熱器，工作壓力及溫度隨負荷變化較大，由于蒸汽和水的密度受壓力及溫度的影響大，差壓變送器正負壓側液體密度不同是計算中必須考慮的參數，理論水位計算公式為：

式中：p+為差壓變送器正壓側壓力；p-為差壓變送器負壓側壓力；ρa為參比水柱下部溫度穩定區密度；m為參比水柱上部溫度過渡區長度；ρav為參比水柱上部溫度過渡區平均密度；ρs為飽和蒸汽密度；ρw為飽和水密度。

由式（3）推導出理論計算高加水位H為：

2.3 重力加速度取值的影響

常用的重力加速度實際是標準重力加速度，它是在北緯45°海平面處的重力加速度的慣用值[5]。在同一地區的同一高度，任何物體的重力加速度都是相同的，它隨著緯度和海拔高度變化而變化。工程應用中為了計算方便常常取g=10 m/s2，而該工程當地重力加速度為9.793 6 m/s2。依據式（2）取點計算得出如圖2所示不同重力加速度的取值對水位測量的影響，最大水位偏差達29.5 mm。

圖2 不同重力加速度的取值對水位計算的影響

2.4 抽汽壓力的影響

當抽汽壓力變化時，飽和水密度與飽和蒸汽密度隨之變化，引起差壓變送器負壓側壓力變化[6]。通過查找水和水蒸汽性質表得出表1所列不同壓力下飽和水密度及飽和蒸汽密度；依據式（4）取點計算得出如圖3所示不同壓力對水位測量的影響，壓力越大時，壓力對水位的修正越大。

2.5 環境溫度的影響

參比水柱密度是影響水位測量的因素之一[7]，而參比水柱下部溫度穩定區密度ρa主要受環境溫度的影響，不同環境溫度有不同密度。通過查找水和水蒸汽性質表得出表2所列不同壓力不同環境溫度下參比水柱下部溫度穩定區密度；依據式（2）和式（4）取點計算得出如圖4所示抽汽壓力為8 MPa時，不同環境溫度對水位測量的影響。

表1 不同壓力下飽和水密度與飽和蒸汽密度參數

圖3 不同壓力對水位測量的影響

表2 不同壓力不同溫度下參比水柱下部溫度穩定區密度參數kg/m3

2.6 m值的影響

參比水柱上部溫度過渡區的長度與實際工程中采用的冷凝器形狀大小及環境溫度有關。對3臺高加采用測溫槍從平衡容器上取樣口向下每隔50 mm進行測溫，測量數據見表3，數據表明本機組各高加m值不同，但過渡區內密度近似線性化分布，因此采用起點和終點密度的平均值作為參比水柱上部溫度過渡區平均密度。依據式（4）取點計算得出抽汽壓力為8 MPa，環境溫度為30℃時，不同m值對水位測量的影響，見圖5。

圖4 不同環境溫度對水位測量的影響

圖5 不同m值對水位測量的影響

3 建立水位補償單元

3.1 m修正值及水位補償組態

將式（4）中（ρa－ρav）gm 部分視為 m 值對水位的修正，取參比水柱上部溫度過渡區起點和終點密度的平均值作為參比水柱上部溫度過渡區平均密度ρav，m值修正公式為：

式中：f為m修正值；ρv為參比水柱最上部密度。

依據式（5）建立圖6所示基于國電智深EDPFNT+控制系統的m修正值邏輯組態，圖中溫降值、環境溫度、重力加速度和m值大小根據實際運行環境設定。依據式（4）建立圖7所示的水位補償單元組態。

表3 高加參比水柱上部溫度過渡區參數

圖6 m修正值邏輯組態示意

圖7 水位補償單元邏輯組態示意

3.2 工程應用實例

將上述補償組態應用到工程實際中，采集機組在TRL（銘牌工況）下的高加水位，建立如表4所示的3臺高加水位補償前后偏差比較。從表中可以看出，無補償時測量值比實際水位偏低60～80 mm，當加入補償組態后測量值和實際水位基本無偏差，可見該補償計算方法可行，能真實反映出加熱器中實際水位。

表4 高加水位補償前后偏差比較

4 結語

以上分析得出重力加速度取值、抽汽壓力、環境溫度和參比水柱上部溫度過渡區的長度都是影響水位測量準確性的因素。在不改變測量方式的情況下，通過基于控制系統邏輯組態的辦法減小或消除以上因素的影響。該補償方法對其他單室平衡容器的水位測量中具有一定的參考意義。

參考文獻：

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