600 MW超臨界直流鍋爐儲(chǔ)水箱液位測量修正及控制

王國成，張 鵬，杜 博

（1.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002；2.華能曲阜電廠，山東 曲阜 273100）

0 引言

由于直流鍋爐無儲(chǔ)存汽水的汽包，出于鍋爐的快速啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行的需要裝有汽水分離器，使過熱器呈干態(tài)運(yùn)行。汽水分離器在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)起汽水分離的作用，額定負(fù)荷時(shí)流經(jīng)汽水分離器的工質(zhì)接近20℃的過熱度，此時(shí)它僅僅是流程中的一個(gè)部件。由于直流鍋爐汽水分離器的以上特點(diǎn)，所以汽水分離器儲(chǔ)水箱的水位控制顯得特別重要［1］。

1 啟動(dòng)系統(tǒng)的組成和作用

啟動(dòng)系統(tǒng)是為解決直流鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行而設(shè)置的功能組合單元，以某電廠600 MW超臨界機(jī)組直流鍋爐為例，它由兩只內(nèi)置式啟動(dòng)分離器、儲(chǔ)水箱、儲(chǔ)水箱液位控制閥（361閥）以及儲(chǔ)水箱液位調(diào)節(jié)閥暖管管路等組成。具體系統(tǒng)布置見圖1。

其作用是建立啟動(dòng)壓力和啟動(dòng)流量，在水冷壁中建立足夠高的質(zhì)量流量，保證水冷壁足夠冷卻和水動(dòng)力的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火前循環(huán)清洗，回收鍋爐啟動(dòng)初期排出的熱水、汽水混合物、飽和蒸汽以及過熱度不足的過熱蒸汽，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)和熱量的回收。實(shí)現(xiàn)鍋爐各受熱面之間和鍋爐與汽機(jī)之間工質(zhì)狀態(tài)的配合，固定蒸發(fā)受熱面終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)汽水分離作用，從而使給誰量調(diào)節(jié)、汽溫調(diào)節(jié)和燃料量調(diào)節(jié)相對獨(dú)立，互不干擾［2］。

儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥暖管管路指從省煤器出口連接管上引出到儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥暖閥的管路，暖閥后的水經(jīng)儲(chǔ)水箱，由儲(chǔ)水箱上的管接頭接到過熱器二級(jí)減溫水管路上。布置此管路的主要目的是對儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥及儲(chǔ)水箱至儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥管道進(jìn)行暖管，防止儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥及儲(chǔ)水箱至儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥管道出現(xiàn)熱沖擊，對閥門和管道產(chǎn)生疲勞傷害。

在鍋爐啟動(dòng)過程中，儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥暖管管路必須在鍋爐實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉后才允許啟用，此暖管管路投入后，應(yīng)相應(yīng)開啟儲(chǔ)水箱至過熱器二級(jí)減溫水支管管路上的閥門，避免鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)儲(chǔ)水箱水位升高的假象。此管路設(shè)計(jì)流量約為1.2 t/h。在鍋爐正常運(yùn)行過程中應(yīng)確保儲(chǔ)水箱水位控制閥暖管管路正常投入使用。

在鍋爐停爐過程中，儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥暖管管路在儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥開啟前關(guān)閉。

圖1 600 MW啟動(dòng)系統(tǒng)圖

2 液位測量布置

汽水分離器儲(chǔ)水箱筒體較長（25 m）,允許水位波動(dòng)的范圍相對較大,水位的控制沒有汽包鍋爐水位控制那樣嚴(yán)格,分離器儲(chǔ)水箱的正常工作壓力與鍋爐相當(dāng)（超臨界通常25 MPa左右）,因此超臨界直流鍋爐的汽水分離器儲(chǔ)水箱水位通常采用單室平衡容器進(jìn)行差壓檢測。

儲(chǔ)水箱上部蒸汽連接管、下部出水連接管上各布置一個(gè)取壓孔，后接三個(gè)并聯(lián)的單室平衡容器，水、汽側(cè)平衡容器一一對應(yīng)提供壓差給差壓變送器，進(jìn)行儲(chǔ)水箱的水位控制。儲(chǔ)水箱上有設(shè)定的高報(bào)警水位、儲(chǔ)水箱水位控制調(diào)節(jié)閥全開水位、正常水位（上水完成水位）、儲(chǔ)水箱水位控制調(diào)節(jié)閥全關(guān)水位、低報(bào)警水位及基準(zhǔn)水位等，根據(jù)各水位不同的差壓值來控制儲(chǔ)水箱水位控制調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)開度。儲(chǔ)水箱中的水由儲(chǔ)水箱下部的出口連接管引出，經(jīng)過儲(chǔ)水箱水位控制調(diào)節(jié)閥，在鍋爐清洗及點(diǎn)火初始階段根據(jù)水質(zhì)或排出鍋爐系統(tǒng)外或到冷凝器中。儲(chǔ)水箱水位測量布置圖見圖2。

圖2 儲(chǔ)水箱水位測量布置圖

3 直流負(fù)荷下的液位修正

3.1 伯努利方程

理想正壓流體在有勢徹體力作用下作定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程（即歐拉方程）沿流線積分而得到的表達(dá)運(yùn)動(dòng)流體機(jī)械能守恒的方程。由瑞士科學(xué)家D.伯努利于1738年提出而得名。對于重力場中的不可壓縮均質(zhì)流體，方程為P+ρgz+（1/2）ρv2=C

式中：P、ρ、v分別為流體的壓強(qiáng)、密度和速度；z為鉛垂高度；g為重力加速度。

上式各項(xiàng)分別表示單位體積流體的壓力能p、重力勢能ρgz和動(dòng)能 （1/2）ρv2，在沿流線運(yùn)動(dòng)過程中，總和保持不變，即總能量守恒。理想流體的伯努利方程表明，流體從元流的一個(gè)斷面運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)斷面的過程中，單位重力流體的機(jī)械能守恒，總能量是不變的［3］。

3.2 水位的負(fù)荷修正

在鍋爐達(dá)到直流負(fù)荷以后，儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥應(yīng)該全部關(guān)閉。由于兩個(gè)汽水分離器水側(cè)管路從儲(chǔ)水箱水位測量的上取樣點(diǎn)下方接入，當(dāng)汽水分離器進(jìn)入干式運(yùn)行時(shí)，有一部分水蒸汽從該管路進(jìn)入，由于蒸汽流速產(chǎn)生動(dòng)壓，從而對上取樣點(diǎn)處形成抽吸作用，會(huì)引起儲(chǔ)水箱內(nèi)水位上升，而此時(shí)的水位并不是儲(chǔ)水箱的真實(shí)水位，是一個(gè)假水位，若該水位超過了儲(chǔ)水箱的正常水位（甚至是報(bào)警水位），則會(huì)引起儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥開啟，而在干態(tài)運(yùn)不允許儲(chǔ)水箱水位調(diào)節(jié)閥開啟的，故需要對正壓側(cè)凝結(jié)球內(nèi)壓力根據(jù)伯努利方程進(jìn)行校正。水位測量原理見圖3，圖中：P為汽水分離器儲(chǔ)水箱內(nèi)蒸汽壓力，MPa；H為汽水分離器儲(chǔ)水箱水位量程，m；h為汽水分離器儲(chǔ)水箱校正后水位，m；γs為壓力P下飽和蒸汽的比重，kg/cm3；γw為壓力P下飽和水的比重，kg/cm3；γ40為壓力P下環(huán)境溫度時(shí)水的比重，kg/cm3；γ20為壓力P下差壓變送器端的水比重，kg/cm3。

圖3 水位測量原理圖

根據(jù)伯努利方程得出

水位修正控制程序如圖5所示，水位修正值和負(fù)荷的關(guān)系如圖4所示，按照該曲線，在負(fù)荷大于120 MW后，需要在水位修正中加入負(fù)荷指令的修正，在鍋爐負(fù)荷為28.9%B-MCR（機(jī)組電功率為173.4 MW）以上時(shí)，水位修正值均為22 m。

圖4 水位修正值與負(fù)荷的關(guān)系曲線

圖5 分離器儲(chǔ)水箱水位修正程序

4 水位的控制策略

當(dāng)汽水分離器儲(chǔ)水箱液位大于參考值時(shí)，水將排向冷凝器，防止液位過高。該閥門主要用于鍋爐上水、清洗和早期啟動(dòng)。

用分離器儲(chǔ)水箱水位來完成程序控制,即361閥開度指令由儲(chǔ)水箱水位產(chǎn)生。

該控制對汽水分離器儲(chǔ)水箱液位按預(yù)定程序控制，控制中根據(jù)汽水分離器儲(chǔ)水箱液位和閥門位置對控制參數(shù)進(jìn)行修正。但是通過壓力修正的閥門位置與通過流過的液體的體積修正的閥門的位置不同。

汽水分離器儲(chǔ)水箱液位超過設(shè)定值，閥門高位將會(huì)選通。當(dāng)汽水膨脹現(xiàn)象發(fā)生時(shí),為避免水位的異常波動(dòng),應(yīng)將水位控制閥的開動(dòng)作進(jìn)行速率限制,以防止水位急劇下降。通過限制汽水分離器儲(chǔ)水箱液位調(diào)節(jié)閥位置的變化率從而限制水位的劇烈變動(dòng)。

由于水位的波動(dòng)較大,可能會(huì)對水位控制閥進(jìn)行頻繁小開度,而損壞閥門。因此,應(yīng)對小開度進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。?dāng)閥門開度指令由大開度向小開度減少時(shí),減少到5%時(shí),強(qiáng)制關(guān)（0%）。圖6為控制策略框圖。

圖6 分離器儲(chǔ)水箱水位控制程序

5 結(jié)論

在超臨界直流鍋爐的分離器儲(chǔ)水箱水位測量中，一定要保證測點(diǎn)合理布置、正確安裝,并根據(jù)現(xiàn)場情況增加必要的水位負(fù)荷修正，確保液位測量的準(zhǔn)確性。在現(xiàn)場調(diào)試過程中，采用合理的控制方案,避免水位的異常波動(dòng)，就能很好地控制儲(chǔ)水箱液位,對超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及361閥的保護(hù)將極為有利。