高壓除氧器水位測(cè)量異常現(xiàn)象探討

彭紅春

(中國(guó)石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司巴陵分公司，湖南 岳陽(yáng) 414014)

高壓除氧器是火電廠、核電廠發(fā)電工藝流程中不可缺少的設(shè)備，主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣，防止游離狀態(tài)的氧在高溫下與金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，腐蝕金屬。高壓除氧器為混合式回?zé)峒訜崞鳎羌訜徨仩t給水的重要設(shè)備，一般有定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行兩種方式。從鍋爐給水安全考慮，除氧器水位需要基本穩(wěn)定，維持在一定范圍內(nèi)：高壓除氧器水位過(guò)低會(huì)導(dǎo)致漩流吸入氣體，導(dǎo)致給水泵汽化，繼而造成給水泵損壞，鍋爐給水不穩(wěn)定甚至中斷，機(jī)組停車等嚴(yán)重問(wèn)題；水位過(guò)高會(huì)造成壓力波動(dòng)，除氧不合格等問(wèn)題，高到某一規(guī)定值會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)事故放水門，降低水位。因此，高壓除氧器水位穩(wěn)定，準(zhǔn)確測(cè)量水位，正確顯示水位意義重大。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，高壓除氧器水位異常時(shí)有發(fā)生，特別是滑壓運(yùn)行時(shí)異常次數(shù)更多，有的電廠被迫反復(fù)更換水位測(cè)量一次儀表。經(jīng)過(guò)分析可知，很多異常是測(cè)量?jī)x器受原理限制產(chǎn)生的錯(cuò)誤結(jié)果。

1 除氧器工作原理

除氧器除去氧氣的原理主要依據(jù)“亨利定律”和“氣體分壓定律”[1-2]?！昂嗬伞笔侵冈诘葴亍⒌葔合?，某種揮發(fā)性溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的分壓力成正比?！皻怏w分壓定律”是指某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力，而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于其中各氣體分壓之和。依據(jù)這兩個(gè)原理，高壓除氧器中的水就要求長(zhǎng)期處于沸騰狀態(tài)，即除氧器中的水溫為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水溫度。

2 除氧器水位測(cè)量計(jì)的種類及測(cè)量原理

除氧器普遍同時(shí)安裝3種水位計(jì)：一是就地水位計(jì)，如玻璃管式、磁翻板式等；二是差壓變送器式水位計(jì)，一般傳輸?shù)椒植际娇刂葡到y(tǒng)(DCS)用于數(shù)字化顯示水位，并作為除氧器水位的被調(diào)節(jié)量；三是電接點(diǎn)水位計(jì)，用于水位高、低值報(bào)警和聯(lián)動(dòng)事故放水閥。

(1)就地水位計(jì)依據(jù)連通器原理，其就地顯示的水位總是與除氧器內(nèi)的實(shí)際水位相同，具有直觀、可靠的特點(diǎn)，用于現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)觀察，并與遠(yuǎn)傳信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

(2)電接點(diǎn)水位計(jì)原理較為簡(jiǎn)單，水位計(jì)上、下部均與除氧器筒體相連。根據(jù)連通器原理，水位計(jì)水位總是與除氧器筒內(nèi)水位相同，被水位淹沒(méi)的電接點(diǎn)會(huì)接通電源，被淹接點(diǎn)的指標(biāo)燈因通電亮起，顯示出水位，并確定適當(dāng)?shù)碾娊狱c(diǎn)為高、低水位報(bào)警開(kāi)關(guān)量和聯(lián)動(dòng)事故放水閥。

(3)差壓變送器式水位計(jì)顯示相對(duì)較為復(fù)雜，安裝如圖1所示。差壓變送器測(cè)量的差壓ΔP轉(zhuǎn)換成模擬量，電流模擬量傳輸?shù)蕉蝺x表或DCS，再還原成水位顯示。

ΔP=P下-P上=P下-P0=(P0+ρgh0)-P0

=ρgh0

(1)

式中：P上為除氧器水位以上壓力；P下為除氧器底部壓力；P0為除氧器內(nèi)汽壓；ρ為除氧器工作壓力P0下的飽和水密度；g為重力加速度；h0為正常運(yùn)行時(shí)水位高度。

二次儀表通過(guò)除以ρg，還原出水位，即二次儀表顯示水位為

H=ΔP/(ρg)=ρgh0/(ρg)=h0

(2)

式中：H為DCS顯示的除氧器水位。

可以看出，正常工況下，差壓變送器輸出的信號(hào)，在二次儀表中顯示的水位就是高壓除氧器內(nèi)水位。

圖1 差壓變送器水位測(cè)量

3 水位異常原因分析

在實(shí)際工作過(guò)程中，當(dāng)除氧器的工作壓力P變化較快時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)DCS顯示水位與電接點(diǎn)水位不相符、DCS水位與就地水位計(jì)顯示不對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)因電接點(diǎn)水位高，高壓除壓器電動(dòng)溢水閥動(dòng)作，而DCS中顯示水位正常，變化不明顯的現(xiàn)象。部分電廠技術(shù)人員常誤以為差壓變送器水位計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)，只能更換水位計(jì)，對(duì)導(dǎo)致異常的原因無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確分析。下面從機(jī)理上分析水位產(chǎn)生異常的原因。

(1)產(chǎn)生水位異?；境霈F(xiàn)在高壓除氧器壓力快速下降的時(shí)候，即P0快速下降時(shí)，因高壓除氧器筒內(nèi)的水溫T0為飽和狀態(tài)，P0降為P1后，對(duì)應(yīng)飽和溫度值T1明顯下降(即T1小于T0)，筒內(nèi)水必將發(fā)生劇烈沸騰，部分水閃蒸成蒸汽，產(chǎn)生汽水共騰現(xiàn)象[3]。閃蒸就是高壓的飽和液體由于容器內(nèi)壓力突然下降，這些飽和液體溫度因高于對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)下的飽和溫度，容器內(nèi)部分液體會(huì)快速蒸發(fā)為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和蒸汽。閃蒸發(fā)生后，飽和水內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量汽泡，汽泡將自下向上運(yùn)行，直致升高到液面后破裂，釋放出飽和蒸汽，顯示出液面急劇升高，即日常生活中看到的水“溢出”了，飽和水變成飽和蒸汽，吸收水中汽化潛熱，降低筒內(nèi)水溫，直至水溫與液面壓力P1對(duì)應(yīng)的新的飽和水溫T1相等，閃蒸結(jié)束，高壓除氧器內(nèi)達(dá)到新的飽和水與飽和汽共存的狀態(tài)，進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。高壓除氧器水位異常就是這一閃蒸過(guò)程中出現(xiàn)。

(2)當(dāng)飽和水閃蒸時(shí)，水中出現(xiàn)大量水泡，這時(shí)我們假定除氧器內(nèi)進(jìn)、出水量相等，即存量水維持相對(duì)不變狀態(tài)，在不變水量中產(chǎn)生大量水泡后，其體積必然膨脹，表現(xiàn)出水位明顯升高，如上文所述的電接點(diǎn)水位計(jì)和就地水位計(jì)顯示的原理，這時(shí)，兩種水位計(jì)會(huì)正確顯示出筒內(nèi)水位。但差壓變送器顯示的水位就不一定能正確顯示筒中水位了，即二次儀表顯示水位會(huì)異常，下面就其顯示的水位進(jìn)行分析。

(3)根據(jù)式(1)，這時(shí)差壓變送器測(cè)量出的差壓ΔP=ρgh0，閃蒸過(guò)程中，高壓除氧器中液體因摻有大量汽泡，體積急劇膨脹，液體的平均密度ρ會(huì)明顯減小，式中的液位h0也會(huì)明顯升高，其乘積的變化不便分析，但從式(1)可以看出，差壓ΔP實(shí)際測(cè)量的是除氧器筒內(nèi)的水柱質(zhì)量，如果忽略液體中的汽體質(zhì)量(相對(duì)完全可以忽略)，閃蒸過(guò)程中，液柱的高度變大了，但質(zhì)量是沒(méi)有變化的，即差壓ΔP仍保持不變，也即差壓變送器發(fā)送給二次儀表的電流信號(hào)強(qiáng)度未變。

差壓變送器轉(zhuǎn)化出的電信號(hào)，在二次儀表中顯示過(guò)程中，水位H1依據(jù)公式(2)顯示，即：

H1=ΔP/(ρ1g)=ρgh0/(ρ1g)=ρh0/ρ1

(3)

式中：ρ1為閃蒸壓力下對(duì)應(yīng)的飽和水密度；H1為閃蒸發(fā)生時(shí)DCS中顯示的水位。

在高壓除氧器壓力和溫度變化不大時(shí)，可以近似認(rèn)為飽和水的密度不變，即ρ=ρ1，則可以得出：

H1=h0

(4)

也就是說(shuō)，差壓變送器的信號(hào)在二次儀表中仍顯示閃蒸前水位，水位不變，這就出現(xiàn)了就地儀表和電接點(diǎn)水位計(jì)顯示水位與差壓變送器顯示水位不同的現(xiàn)象。這就是發(fā)生汽水共騰時(shí)差壓變送器水位計(jì)不能正確顯示水位的原理。

4 差壓變器液位計(jì)顯示飽和溫度狀態(tài)液體液位異常的普遍性

(1)差壓變送器液位計(jì)具有可靠性強(qiáng)、信號(hào)便于向遠(yuǎn)方傳遞、在DCS中容易實(shí)現(xiàn)還原性顯示、成本低、可安裝在容器外等優(yōu)點(diǎn)，盡管在飽和液體閃蒸時(shí)液位出現(xiàn)液位顯示異常，但一般閃蒸發(fā)生的概率低，且閃蒸過(guò)程短，在無(wú)閃蒸發(fā)生時(shí)仍為液位測(cè)量最方便可靠的測(cè)量方式，建議不要輕易換型。操作人員要正確判斷生產(chǎn)過(guò)程中的異常現(xiàn)象，便于快速、正確處理生產(chǎn)異常情況，認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

(2)文章闡述了差壓變送器式水位計(jì)在高壓除氧器水位異常的機(jī)理，這種機(jī)理在各種生產(chǎn)過(guò)程中具有一定普遍性，可參照本文方式正確分析。具有這種現(xiàn)象的有汽輪機(jī)高壓加熱器水位，鍋爐汽包水位，常溫常壓下為氣態(tài)的液化化工原料的液位等。

5 水位異常時(shí)應(yīng)采取的措施

高壓除氧器在運(yùn)行過(guò)程中，因調(diào)整不當(dāng)或機(jī)組工況急劇變化時(shí)，除氧器內(nèi)壓力就會(huì)出現(xiàn)快速下降情況，特別是滑壓運(yùn)行的高壓除氧器，在機(jī)組負(fù)荷或鍋爐主汽壓力快速下降等情況出現(xiàn)時(shí)(如鍋爐熄火)，汽輪機(jī)至高壓除氧器抽汽口的抽汽壓力也會(huì)快速下降，這種工況容易造成除氧器發(fā)現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，出現(xiàn)水位異常。

只要認(rèn)識(shí)到高壓除氧器在閃蒸發(fā)生時(shí)各種水位計(jì)顯示水位的差異，就能準(zhǔn)確判斷原因，也就不會(huì)再對(duì)這種差異產(chǎn)生困惑，不用在儀表硬件上查找原因。

除氧器閃蒸現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行是存在危險(xiǎn)的，一是要盡力避免發(fā)生，二是在發(fā)生后要正確處理，主要措施有：

(1)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，盡可能保持各運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，避免閃蒸的發(fā)生。

(2)多種水位計(jì)水位不相符，且就地水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)水位快速升高，而差壓變送器水位計(jì)顯示變化很小時(shí)，如果同步有高壓除氧器壓力快速下降，可以判定為高壓除氧器發(fā)生了閃蒸。

(3)出現(xiàn)二次儀表(多為DCS)顯示高壓除氧器水位正常，而高壓除氧器電動(dòng)溢水閥動(dòng)作時(shí)，不必對(duì)電動(dòng)溢水閥進(jìn)行干預(yù)，這時(shí)的溢水是必要的，可以保證除氧器不滿水，防止水面封堵各除氧器各種進(jìn)出汽口，出現(xiàn)除氧器工作異常的危險(xiǎn)發(fā)生。

(4)閃蒸發(fā)生時(shí)，要防止汽泡進(jìn)入下水管，造成高壓給水泵汽蝕，甚至鍋爐給水中斷，停爐、停機(jī)，這時(shí)可快速加大高壓除氧器進(jìn)水量，降低除氧器內(nèi)水溫，使水溫低于相應(yīng)壓力下的飽和值，結(jié)束閃蒸。

(5)除氧器水位異常，且給水泵出口壓力有擺動(dòng)現(xiàn)象，電動(dòng)給水泵有電流不穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明給水泵已經(jīng)開(kāi)始汽化，鍋爐給水有中斷危險(xiǎn)，甚至損壞給水泵，這時(shí)在正確判斷的前提下，應(yīng)快速增加高壓除氧器進(jìn)汽量，達(dá)到提高除氧器壓力，結(jié)束閃蒸，并同步提高了給水泵入口壓力，結(jié)束給水泵汽化，防止鍋爐給水中斷。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)容器內(nèi)有一定量液體，且液體長(zhǎng)期為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度狀態(tài)，當(dāng)液面壓力快速下降時(shí)，容器內(nèi)液體會(huì)出現(xiàn)閃蒸，導(dǎo)致液位急劇升高，但差壓變送器水位計(jì)受測(cè)量原理限制，顯示液位不會(huì)體現(xiàn)這種升高。這種液位異常在高壓除氧器較為常見(jiàn)，火力發(fā)電廠的高壓加熱器汽側(cè)工作狀況相似，也可能因閃蒸出現(xiàn)液位異常現(xiàn)象。發(fā)生這種情況時(shí)，快速、準(zhǔn)確的判斷是正確處理的前提，通過(guò)采取正確的措施可以避免險(xiǎn)情發(fā)生，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。