600 MW機(jī)組高壓加熱器疏水控制系統(tǒng)改進(jìn)

張良軍，李康良

（國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800）

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

高壓給水加熱器（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jī)抽汽回?zé)醽?lái)加熱鍋爐給水，提高給水溫度，以達(dá)到節(jié)能的目的。北侖發(fā)電廠3-5號(hào)機(jī)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(jì)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(hào)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(kāi)關(guān)各1套。正常/事故疏水調(diào)節(jié)儀目標(biāo)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(kāi)關(guān)用于DCS系統(tǒng)報(bào)警，高高（＋660 mm水柱）液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)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

2 存在問(wèn)題

（1）基地式調(diào)節(jié)儀是純機(jī)械式現(xiàn)場(chǎng)控制儀表，其轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)比較多，反應(yīng)比較慢，在機(jī)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(jí)進(jìn)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(hào)高加疏水量最大，而壓差最小，再加上疏水管路長(zhǎng)，沿程阻力大，遠(yuǎn)距離的氣動(dòng)信號(hào)傳輸（汽機(jī)房6.1 m 3號(hào)高加層到汽機(jī)房30 m除氧器層）出現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)滯后，這導(dǎo)致3號(hào)高加疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)差，5號(hào)機(jī)組3號(hào)高加疏水波動(dòng)達(dá)50 mm左右。

（2）基地式調(diào)節(jié)儀內(nèi)部有噴嘴、擋板、機(jī)械連桿、波紋管、放大器等部件，其測(cè)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(wàn)元；1，2號(hào)高加基地式調(diào)節(jié)儀損壞后曾經(jīng)選用國(guó)內(nèi)替代產(chǎn)品，但只能使用1年左右時(shí)間，均因高溫燙壞儀表內(nèi)部密封部件而損壞。

3 改進(jìn)方案

針對(duì)高加基地式調(diào)節(jié)儀存在的問(wèn)題，鑒于高加差壓式水位測(cè)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(shí)現(xiàn)高加液位測(cè)量是必然的選擇。

應(yīng)用差壓原理實(shí)現(xiàn)高加水位測(cè)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(cè)量的精度取決于實(shí)際水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這可采用平衡容器形成參比水柱來(lái)實(shí)現(xiàn)。

變送器壓差值ΔP計(jì)算如下：

式中：h為高加實(shí)際水位高度；h1為平衡容器參比水柱高度；h2為負(fù)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(fù)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(cè)可知：?jiǎn)问移胶馊萜魉綄?dǎo)壓管長(zhǎng)度必須大于1 m，正壓側(cè)下降導(dǎo)壓管管徑盡可能?。▽?shí)際應(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(xiàn)[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(duì)平衡容器參比水柱密度進(jìn)行壓力溫度修正，對(duì)測(cè)量精度影響不大?？紤]到1號(hào)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(cè)量原理圖

在高加投運(yùn)過(guò)程中，高加內(nèi)的熱傳遞過(guò)程實(shí)際上是十分復(fù)雜的。高溫、高壓蒸汽經(jīng)過(guò)過(guò)熱蒸汽冷卻段、凝結(jié)段和疏水冷卻段3個(gè)熱量釋放過(guò)程生成冷凝水（疏水）。為了維持高加安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須將疏水水位控制為零水位附近，通過(guò)正常疏水調(diào)節(jié)閥將疏水進(jìn)行排放，這部分排放掉的包括將要排放的疏水還未達(dá)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(lái)表征高加內(nèi)疏水的密度。

根據(jù)高加實(shí)際運(yùn)行情況可知，任一工況下高加抽汽壓力對(duì)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(hào)機(jī)1，3號(hào)高加偏差大約為20℃左右，2號(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是說(shuō) 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(gè)絕對(duì)壓力值時(shí)對(duì)應(yīng)的 f1（x）， f2（x）函數(shù)值。 高加水位 h 測(cè)量公式則變?yōu)椋?/p>

4 項(xiàng)目實(shí)施

3號(hào)機(jī)組1，3號(hào)高加疏水控制系統(tǒng)的改進(jìn)主要采取了以下措施：

（1）利用原來(lái)基地式水位測(cè)量筒連接管道安裝了兩套單室平衡容器，將原來(lái)法蘭連接方式變更為焊接方式，并將測(cè)量量程由原來(lái)300 mm擴(kuò)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(hù)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(mén)附近，將控制電磁閥移至I/P出口，即當(dāng)1號(hào)高加水位高/高高液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)電磁閥失電時(shí)，通過(guò)電磁閥快速排放I/P輸出氣體以實(shí)現(xiàn)1號(hào)高加至凝汽器事故疏水調(diào)節(jié)閥全開(kāi)；2號(hào)高加水位高高液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)電磁閥失電時(shí)，通過(guò)電磁閥快速排放I/P輸出氣體以實(shí)現(xiàn)1號(hào)高加至2號(hào)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(zhǔn)確，事故疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)則要求快速；由于水位測(cè)量設(shè)計(jì)了壓力修正功能，考慮到壓力信號(hào)無(wú)冗余，所以邏輯中增加了壓力信號(hào)失去水位控制切至手動(dòng)的功能。另外，DCS軟件中增加了1號(hào)高加浮子式液位測(cè)量信號(hào)與差壓式液位測(cè)量信號(hào)切換邏輯，以便于差壓式水位變送器日常排污、校驗(yàn)等日常維護(hù)時(shí)的無(wú)擾切換。除了通過(guò)電磁閥控制實(shí)現(xiàn)高加保護(hù)（正常疏水調(diào)節(jié)閥全關(guān)、事故疏水調(diào)節(jié)閥全開(kāi)）外，還將高加水位高/高高等保護(hù)信號(hào)通過(guò)CCS控制系統(tǒng)TRACK功能實(shí)現(xiàn)高加保護(hù)。

5 效果評(píng)價(jià)

高加疏水控制系統(tǒng)改進(jìn)后，通過(guò)近兩個(gè)多月跟蹤分析效果非常明顯：

（1）1，3號(hào)高加疏水端差達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中1號(hào)高加在300～600 MW負(fù)荷變化范圍端差為4.5～9℃，比改造前5～13℃有明顯改善，3號(hào)高加端差4～7.6℃與改造前基本一致。

（2）1，3號(hào)高加疏水調(diào)節(jié)品質(zhì)較好，其中1號(hào)高加疏水水位波動(dòng)范圍大約為10 mm，比改造前波動(dòng)范圍16 mm略有改進(jìn)，3號(hào)高加疏水水位波動(dòng)范圍大約為18 mm比改造前30 mm波動(dòng)范圍有明顯改善。

（3）1，3號(hào)高加基地式調(diào)節(jié)儀改進(jìn)后基本上可以實(shí)現(xiàn)零費(fèi)用維護(hù)，備品庫(kù)存大幅降低。

6 結(jié)語(yǔ)

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(shì)，既能大幅節(jié)省檢修、維護(hù)成本，又能極大地提高高加運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(cè)量技術(shù)移植至高加水位測(cè)量上是完全可行的，但需重視兩者之間的差別，即前者測(cè)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(jī)組的高加水位測(cè)量普遍采用了差壓式水位測(cè)量方式，由于沒(méi)有進(jìn)行抽汽壓力修正，在機(jī)組啟停階段或工況變化較大的情況下水位測(cè)量誤差較大，因此必須對(duì)高加水位測(cè)量進(jìn)行抽汽壓力修正，在日常維護(hù)中也應(yīng)重視對(duì)加熱器差壓式變送器儀表管的沖洗、排污工作。

[1]國(guó)際水和水蒸汽熱力性質(zhì)學(xué)會(huì)（IAPWS）.工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)計(jì)算公式[G].1997.

[2]胡輝武.高加水位保護(hù)邏輯的改進(jìn)和完善[J].湖南電力，2006（2）∶42-44.