在電力、化工和石油等工業(yè)生產(chǎn)和過(guò)程控制中,很多情況下都需要在壓力容器內(nèi)有進(jìn)水或凝結(jié)水和有出水并且還有氣體存在時(shí),維持容器內(nèi)液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。常規(guī)的電動(dòng)式、氣動(dòng)式液位控制裝置,由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁,普遍存在各種問(wèn)題,例如在火電廠中加熱器疏水調(diào)節(jié)裝置故障引起加熱器水位過(guò)高或過(guò)低,使回?zé)峒訜崞鞯目煽啃圆?,?yán)重影響設(shè)備和系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性;在氨水生產(chǎn)過(guò)程中,氨水導(dǎo)致水位控制裝置產(chǎn)生腐蝕、泄露的情況十分突出。針對(duì)這些問(wèn)題,根據(jù)汽液兩相自平衡原理設(shè)計(jì)出兩相流液位控制器,該控制器利用汽液兩相自平衡原理和液位控制理論實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制。
1 兩相流液位控制器的原理和特點(diǎn)
兩相流液位控制器是基于流體力學(xué)及汽液兩相流理論設(shè)計(jì)的,不需外力驅(qū)動(dòng)。該控制器動(dòng)力源來(lái)自所需控制容器內(nèi)的蒸汽(氣),由于汽液比容相差很大,作為動(dòng)力源的蒸汽量需求很少。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,汽液共存且需要維持液位穩(wěn)定的容器大都滿(mǎn)足兩相流液位控制器的應(yīng)用。以火電廠加熱器系統(tǒng)為例,兩相流液位控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 兩相流液位控制器與加熱器的連接系統(tǒng)圖
1-加熱器2-傳感器3-閘板閥4-調(diào)節(jié)器5-旁路閥
其工作原理是,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增大時(shí),加熱器內(nèi)水位升高,傳感器感知水位過(guò)高的信號(hào),此時(shí)進(jìn)入傳感器的調(diào)節(jié)汽量減少,在調(diào)節(jié)器通流面積不變的情況下,調(diào)節(jié)汽量減少導(dǎo)致加熱器疏水管路流量增大,加熱器總疏水量增大,加熱器內(nèi)水位回落;反之,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷減小時(shí),傳感器感知水位過(guò)低的信號(hào),傳感器內(nèi)調(diào)節(jié)汽量增加,而通過(guò)閘板閥的疏水量卻減少,加熱器總疏水量減小,加熱器水位回升。如此往復(fù)直到加熱器內(nèi)水位達(dá)到新的平衡,從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器內(nèi)水位的目的。
與常規(guī)的水位控制裝置相比,兩相流自調(diào)節(jié)液位控制器有如下特點(diǎn):水位調(diào)節(jié)穩(wěn)定,能夠?qū)崿F(xiàn)水位的自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)能力強(qiáng),在機(jī)組50%-100%負(fù)荷內(nèi)滿(mǎn)足加熱器水位的控制;整個(gè)液位控制系統(tǒng)無(wú)活動(dòng)部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠;易于安裝,降低檢修工作量;防磨防腐蝕性能好。
2 汽液兩相流液位控制器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論研究,汽液兩相流液位控制器主要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)以及汽液混合器混合腔長(zhǎng)度進(jìn)行了改進(jìn)。
2.1傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
汽液兩相流液位控制器早期通過(guò)信號(hào)管感知加熱器內(nèi)水位信號(hào),信號(hào)管上下兩部分與加熱器內(nèi)汽空間和水空間聯(lián)通,在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)加熱器水位經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)偏差,經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),傳感器感知的水位信號(hào)與加熱器實(shí)際水位信號(hào)存在差異,其本質(zhì)原因是蒸汽和水通過(guò)信號(hào)管時(shí)壓損不同。后來(lái)將水位傳感器由外置式改進(jìn)為內(nèi)置式,信號(hào)管直接伸入加熱器內(nèi),如圖2b)所示。
圖2 水位信號(hào)傳感器改進(jìn)示意圖
a)外置式傳感器b)內(nèi)置式傳感器
內(nèi)置式傳感器解決了水位信號(hào)失真問(wèn)題,提高了液位控制器的調(diào)節(jié)精度,近幾年應(yīng)用的兩相流液位控制器多采用內(nèi)置式傳感器。
2.2調(diào)節(jié)器裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
調(diào)節(jié)器作為兩相流液位控制器的核心部件,控制著裝置的疏水量和疏汽量,對(duì)液位穩(wěn)定性和大調(diào)節(jié)負(fù)荷起關(guān)鍵作用。調(diào)節(jié)器的核心部件是文丘里管,與普通文丘里管不同的是,其喉部開(kāi)有若干圓孔,作為調(diào)節(jié)器的通道。隨著兩相流液位控制器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,剛開(kāi)始調(diào)節(jié)器能很好的維持液位,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,發(fā)現(xiàn)液位調(diào)節(jié)器不能準(zhǔn)確的維持液位。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)器分析發(fā)現(xiàn),隨著調(diào)節(jié)汽長(zhǎng)時(shí)間沖刷,進(jìn)汽孔直徑不斷增大,導(dǎo)致液位調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差。經(jīng)研究,將調(diào)節(jié)器混合腔結(jié)構(gòu)改為“前置孔板+漸縮噴嘴”的型式,汽液兩種流體直接在混合腔內(nèi)混合,調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖3所示。
改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)避免了調(diào)節(jié)汽的沖刷,改善了調(diào)節(jié)器長(zhǎng)時(shí)間維持液位穩(wěn)定的特性,此外調(diào)節(jié)器孔板和噴嘴都采用標(biāo)準(zhǔn)件,降低了調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)器的使用壽命。
圖3 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)變化圖
a)改進(jìn)前b)改進(jìn)后
2.3調(diào)節(jié)器混合腔長(zhǎng)度的改進(jìn)
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的兩相流液位控制的噴嘴和孔板處于一個(gè)封閉的混合腔內(nèi),這樣的好處就調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)泄漏。隨著兩相流液位控制器的廣泛應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)有局限性,因此將孔板和噴嘴從混合腔中分離出來(lái),發(fā)現(xiàn)液位控制器仍然能有效的調(diào)節(jié)水位,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 改進(jìn)后的兩相流液位控制器
1- 加熱器2- 傳感器3- 孔板4- 噴嘴5- 閘板閥6- 旁路閥
與原結(jié)構(gòu)相比,改進(jìn)后的液位控制器可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要靈活安裝調(diào)節(jié)器。
3 經(jīng)濟(jì)性分析
加熱器低(無(wú))水位運(yùn)行時(shí)由于串汽使疏水管道內(nèi)為汽液兩相流動(dòng),此時(shí)蒸汽比容增大導(dǎo)致汽水混合物流動(dòng)阻力增加,汽泡很可能阻塞疏水管道,加熱器的蒸汽隨疏水流向下一級(jí)加熱器,其串汽份額為。根據(jù)排擠下一級(jí)加熱器抽汽程度,可分為排擠部分下一級(jí)抽汽,排擠全部下一級(jí)抽汽,排擠更遠(yuǎn)一級(jí)加熱器抽汽三種情況。排擠抽汽雖然蒸汽熱量和工質(zhì)沒(méi)有出系統(tǒng),沒(méi)有直觀的熱量損失,但是蒸汽的能量品位卻發(fā)生貶值,使熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性降低。
對(duì)于圖5所示的加熱器熱力系統(tǒng),份額的蒸汽排擠Noj-1級(jí)抽汽,系統(tǒng)新蒸汽損失的功為:
ΔH=αc(hj-hn)-αc[(hj-hj-1)ηj-1]+(hj-1-hn)(1)
式中ΔH—新蒸汽損失的功,kJ/kg;
hj—Noj加熱器抽汽焓,kJ/kg;
hj-1—Noj-1加熱器抽汽焓,kJ/kg;
αc—Noj加熱器串汽份額;
hn—汽輪機(jī)低壓缸排氣焓,kJ/kg,
ηj-1—Noj-1加熱器抽汽效率。
系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的相對(duì)變化:
δηi=-ΔH
H-ΔH×100%(2)
式中δηi—系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性變化值;
H—熱力系統(tǒng)新蒸汽的等效焓降,kJ/kg。
圖5 加熱器局部熱力系統(tǒng)圖
需要指出的是,加熱器串汽排擠的是再熱抽汽時(shí),會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組再熱份額發(fā)生改變,從而影響蒸汽的循環(huán)吸熱量,計(jì)算應(yīng)加以考慮。
其他熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:
熱耗率的變化
Δq=-q·δηi(3)
式中Δq—機(jī)組熱耗變化值,kJ/(kW·h);
q—機(jī)組熱耗,kJ/(kW·h)。
標(biāo)準(zhǔn)煤耗的變化
Δb=-b·δηi(4)
式中Δb—機(jī)組煤耗變化值,g/(kW·h);
b—機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗,g/(kW·h)。
根據(jù)以上公式可計(jì)算出某國(guó)產(chǎn)600MW機(jī)組加熱器在不同串汽份額時(shí)機(jī)組的做功能力損失,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化值以及煤耗的變化。機(jī)組主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)。
從表1中的計(jì)算數(shù)據(jù)可知,隨著加熱器串汽份額的增加,機(jī)組經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越低,煤耗不斷增加,同時(shí)排擠高能級(jí)抽汽對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響更大。兩相流液位控制器能有效維持加熱器水位,使加熱器安全經(jīng)濟(jì)工作。
表1 加熱器無(wú)水位運(yùn)行對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響
4 結(jié)語(yǔ)
兩相流液位控制器作為一種自力式液位調(diào)節(jié)器,根據(jù)汽液兩相流原理自動(dòng)維持容器液位的穩(wěn)定,相比其他傳統(tǒng)液位調(diào)節(jié)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)泄漏,無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)對(duì)傳感器和調(diào)節(jié)器等核心部件的改進(jìn)使該液位調(diào)解器的調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確有效,同時(shí)延長(zhǎng)了使用壽命。兩相流液位控制器在火力發(fā)電廠高低加疏水系統(tǒng)的應(yīng)用能有效提高回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。隨著該液位控制器在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用,對(duì)各生產(chǎn)單位提高經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保產(chǎn)生積極的意義。
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