張良軍,李康良
(國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800)
高壓給水加熱器(簡稱高加)是熱力發(fā)電廠廣泛應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備之一,利用汽輪機抽汽回?zé)醽砑訜徨仩t給水,提高給水溫度,以達到節(jié)能的目的。北侖發(fā)電廠3-5號機組所配置的高、低壓加熱器和除氧器均由日本東芝公司設(shè)計制造。這些加熱器均為表面式“U”型管加熱器,臥式布置。
1-3號高加各配置2套基地式水位調(diào)節(jié)儀(正常疏水調(diào)節(jié)儀和事故疏水調(diào)節(jié)儀)、1套浮子式液位變送器、低/高/高高液位開關(guān)各1套。正常/事故疏水調(diào)節(jié)儀目標水位分別為+0 mm水柱、+50 mm 水柱。 高(+140 mm 水柱 )/低(-50 mm 水柱)液位開關(guān)用于DCS系統(tǒng)報警,高高(+660 mm水柱)液位開關(guān)動作時高加隔離,液位變送器用于DCS系統(tǒng)液位顯示。
圖1 高加基地式調(diào)節(jié)儀表安裝結(jié)構(gòu)圖
(1)基地式調(diào)節(jié)儀是純機械式現(xiàn)場控制儀表,其轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)比較多,反應(yīng)比較慢,在機組工況變化比較大的情況下高加水位調(diào)節(jié)品質(zhì)比較差;另一方面,高加的疏水是依靠相互之間的壓差逐級進行的,疏水從壓力高的加熱器流至壓力較低的加熱器,最后流至壓力最低的除氧器,所以靠近除氧器的3號高加疏水量最大,而壓差最小,再加上疏水管路長,沿程阻力大,遠距離的氣動信號傳輸(汽機房6.1 m 3號高加層到汽機房30 m除氧器層)出現(xiàn)嚴重的信號滯后,這導(dǎo)致3號高加疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)差,5號機組3號高加疏水波動達50 mm左右。
(2)基地式調(diào)節(jié)儀內(nèi)部有噴嘴、擋板、機械連桿、波紋管、放大器等部件,其測量單元直接與高溫高壓介質(zhì)接觸,容易造成儀表內(nèi)部密封墊圈老化,縮短儀表的使用壽命。到目前為止,由于高溫燙傷已損壞5套高加基地式調(diào)節(jié)儀,而日本原裝YAMATAKE HONEYWELL基地式調(diào)節(jié)儀每套將近16萬元;1,2號高加基地式調(diào)節(jié)儀損壞后曾經(jīng)選用國內(nèi)替代產(chǎn)品,但只能使用1年左右時間,均因高溫燙壞儀表內(nèi)部密封部件而損壞。
針對高加基地式調(diào)節(jié)儀存在的問題,鑒于高加差壓式水位測量方式的廣泛使用及DCS系統(tǒng)日益成熟,將基地式調(diào)節(jié)改成DCS系統(tǒng)控制及應(yīng)用差壓方式實現(xiàn)高加液位測量是必然的選擇。
應(yīng)用差壓原理實現(xiàn)高加水位測量:把水位高度的變化轉(zhuǎn)換成差壓的變化,因此差壓式水位測量的精度取決于實際水位與差壓之間的準確轉(zhuǎn)換,這可采用平衡容器形成參比水柱來實現(xiàn)。
變送器壓差值ΔP計算如下:
式中:h為高加實際水位高度;h1為平衡容器參比水柱高度;h2為負壓側(cè)水柱高度;ρqs為高加內(nèi)飽和蒸汽密度;ρqw為高加內(nèi)疏水密度;ρm為負壓側(cè)水柱平均密度;ρm1為平衡容器參比水柱平均密度。
根據(jù)單室平衡容器安裝手冊可知:單室平衡容器水平導(dǎo)壓管長度必須大于1 m,正壓側(cè)下降導(dǎo)壓管管徑盡可能?。▽嶋H應(yīng)用中一般≤16 mm),這樣基本可保證正壓側(cè)下降導(dǎo)壓管內(nèi)水溫接近于環(huán)境溫度。由文獻[1]可知,不同抽汽壓力、不同溫度下冷凝水的密度變化很小,所以對平衡容器參比水柱密度進行壓力溫度修正,對測量精度影響不大。考慮到1號高加環(huán)境溫度,以額定抽汽壓力(6.3 MPa)20℃冷凝水密度約1 001.021 kg/m3代表所有工況下平衡容器參比水柱密度。
圖2 高壓加熱器差壓式水位測量原理圖
在高加投運過程中,高加內(nèi)的熱傳遞過程實際上是十分復(fù)雜的。高溫、高壓蒸汽經(jīng)過過熱蒸汽冷卻段、凝結(jié)段和疏水冷卻段3個熱量釋放過程生成冷凝水(疏水)。為了維持高加安全、經(jīng)濟運行,必須將疏水水位控制為零水位附近,通過正常疏水調(diào)節(jié)閥將疏水進行排放,這部分排放掉的包括將要排放的疏水還未達到飽和狀態(tài),而積存于加熱器底部靠近事故疏水排放口的水基本上是飽和水,因此,高加內(nèi)疏水是飽和水和未飽和水的混合物。由于未飽和水占高加內(nèi)疏水的大部分,所以一般以高加內(nèi)未飽和水的密度來表征高加內(nèi)疏水的密度。
根據(jù)高加實際運行情況可知,任一工況下高加抽汽壓力對應(yīng)的飽和水溫度與高加疏水溫度的偏差基本上是恒定的,例如北侖發(fā)電廠3-5號機1,3號高加偏差大約為20℃左右,2號高加偏差大約為33℃左右,因此,可以建立高加抽汽壓力與高加疏水密度、蒸汽密度之間對應(yīng)關(guān)系,也就是說 ρqw, ρqs均是高加抽汽壓力的函數(shù), 設(shè) f1(x)=ρm1-ρqs, f2(x)=ρqw-ρqs。 表 1 列出了幾個絕對壓力值時對應(yīng)的 f1(x), f2(x)函數(shù)值。 高加水位 h 測量公式則變?yōu)椋?/p>
3號機組1,3號高加疏水控制系統(tǒng)的改進主要采取了以下措施:
(1)利用原來基地式水位測量筒連接管道安裝了兩套單室平衡容器,將原來法蘭連接方式變更為焊接方式,并將測量量程由原來300 mm擴大到800 mm;適當(dāng)增大單室平衡容器與差壓變送器垂直距離至6 m左右。
表 1 f(x), f(x)函數(shù)發(fā)生器參數(shù)表
(2)參與高加隔離及保護的電磁閥控制回路予以保留,新加裝的電流氣壓轉(zhuǎn)換裝置(I/P)盡量安裝在閥門附近,將控制電磁閥移至I/P出口,即當(dāng)1號高加水位高/高高液位開關(guān)動作時電磁閥失電時,通過電磁閥快速排放I/P輸出氣體以實現(xiàn)1號高加至凝汽器事故疏水調(diào)節(jié)閥全開;2號高加水位高高液位開關(guān)動作時電磁閥失電時,通過電磁閥快速排放I/P輸出氣體以實現(xiàn)1號高加至2號高加正常疏水調(diào)節(jié)閥全關(guān)。
(3)高加疏水控制策略采用典型單回路PI調(diào)節(jié),正常疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)側(cè)重于平穩(wěn)和準確,事故疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)則要求快速;由于水位測量設(shè)計了壓力修正功能,考慮到壓力信號無冗余,所以邏輯中增加了壓力信號失去水位控制切至手動的功能。另外,DCS軟件中增加了1號高加浮子式液位測量信號與差壓式液位測量信號切換邏輯,以便于差壓式水位變送器日常排污、校驗等日常維護時的無擾切換。除了通過電磁閥控制實現(xiàn)高加保護(正常疏水調(diào)節(jié)閥全關(guān)、事故疏水調(diào)節(jié)閥全開)外,還將高加水位高/高高等保護信號通過CCS控制系統(tǒng)TRACK功能實現(xiàn)高加保護。
高加疏水控制系統(tǒng)改進后,通過近兩個多月跟蹤分析效果非常明顯:
(1)1,3號高加疏水端差達到設(shè)計標準,其中1號高加在300~600 MW負荷變化范圍端差為4.5~9℃,比改造前5~13℃有明顯改善,3號高加端差4~7.6℃與改造前基本一致。
(2)1,3號高加疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)較好,其中1號高加疏水水位波動范圍大約為10 mm,比改造前波動范圍16 mm略有改進,3號高加疏水水位波動范圍大約為18 mm比改造前30 mm波動范圍有明顯改善。
(3)1,3號高加基地式調(diào)節(jié)儀改進后基本上可以實現(xiàn)零費用維護,備品庫存大幅降低。
高加水位調(diào)節(jié)由傳統(tǒng)基地式調(diào)節(jié)改造為DCS控制是必然趨勢,既能大幅節(jié)省檢修、維護成本,又能極大地提高高加運行的經(jīng)濟性安全性。將成熟應(yīng)用在發(fā)電廠汽包水位上單(雙)平衡容器差壓式水位測量技術(shù)移植至高加水位測量上是完全可行的,但需重視兩者之間的差別,即前者測量介質(zhì)是飽和水而后者則是不飽和的疏水。目前新投產(chǎn)機組的高加水位測量普遍采用了差壓式水位測量方式,由于沒有進行抽汽壓力修正,在機組啟停階段或工況變化較大的情況下水位測量誤差較大,因此必須對高加水位測量進行抽汽壓力修正,在日常維護中也應(yīng)重視對加熱器差壓式變送器儀表管的沖洗、排污工作。
[1]國際水和水蒸汽熱力性質(zhì)學(xué)會(IAPWS).工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)計算公式[G].1997.
[2]胡輝武.高加水位保護邏輯的改進和完善[J].湖南電力,2006(2)∶42-44.