抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的疏水水位控制研究

張忠新，田永豐

(國能粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山 529228)

回?zé)嶙鳛橐粋€對提高機(jī)組和全廠熱經(jīng)濟(jì)性最普遍、最有效的手段，被當(dāng)今所有火電廠的汽輪機(jī)采用。加熱器疏水裝置是保證抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性的重要設(shè)備，所以必須合理配置疏水裝置的動作值、完善疏水裝置的操作指引。

1 回?zé)嵯到y(tǒng)的配置方案

在火力發(fā)電廠中，鍋爐、汽輪機(jī)等主要設(shè)備和回?zé)峒訜嵩O(shè)備、凝汽設(shè)備、除氧設(shè)備，以及各種泵等熱力輔助設(shè)備有機(jī)地組成整個發(fā)電廠的熱力系統(tǒng)，并共同完成電能生產(chǎn)任務(wù)。熱力系統(tǒng)一般采用一次再熱系統(tǒng)，并由三級高壓加熱器、一級除氧器和四級低壓加熱器組成八級回?zé)嵯到y(tǒng)[1-2]。鍋爐給水的回?zé)峒訜崾侵笍钠啓C(jī)某中間級抽出一部分蒸汽，送到給水加熱器中，對鍋爐給水進(jìn)行加熱，與之相應(yīng)的熱力循環(huán)和熱力系統(tǒng)被稱為回?zé)嵫h(huán)和回?zé)嵯到y(tǒng)。加熱器是回?zé)嵫h(huán)過程中加熱鍋爐給水的設(shè)備。

以上汽的1 000 MW超超臨界機(jī)組的低壓加熱器系統(tǒng)為例，參照凝結(jié)水的流程(凝結(jié)水依次流經(jīng)8#和7#低壓加熱器、6#低壓加熱器、5#低壓加熱器、除氧器)。這里的低壓加熱器均為臥式、表面式加熱器。順凝結(jié)水的流動方向，位于除氧器之前的加熱器，由于其入水側(cè)承受凝結(jié)水泵的出口壓力，此壓力比給水泵的出口壓力低，故稱為低壓加熱器。

因表面式加熱器中的加熱蒸汽放熱后凝結(jié)成的水(稱為疏水)在加熱器內(nèi)不與主凝結(jié)水直接混合，故應(yīng)及時排出。高壓加熱器疏水逐級自流進(jìn)入除氧器。7#和8#低壓加熱器的疏水直接流入凝汽器。5#低壓加熱器的疏水以逐級自流方式流入到6#低壓加熱器。6#低壓加熱器疏水用低壓加熱器疏水泵將其抽到位于6#低壓加熱器和5#低壓加熱器之間的主凝結(jié)水管道中。所以，加熱器疏水水位控制裝置以6#低壓加熱器的最為復(fù)雜[3-5]。

6#低壓加熱器是表面加熱式臥置U字管形整體結(jié)構(gòu)，殼側(cè)筒體和水室側(cè)圓筒均與管板焊接連接，所有低壓加熱器水室的另一端為帶人孔的封頭與水室圓筒焊接的形式。水室內(nèi)部根據(jù)凝結(jié)水的流程，被分割成入口部和出口部。6#低壓加熱器殼側(cè)筒體內(nèi)部由疏水冷卻段和蒸汽凝結(jié)段兩個區(qū)構(gòu)成。

抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)中，加熱器的性能要求可歸結(jié)為盡可能地縮小蒸汽與給水(主凝結(jié)水)之間的溫度差。采用低壓加熱器疏水泵能方便地實現(xiàn)這一目標(biāo)。目前1 000 MW機(jī)組的所有加熱器都設(shè)置了疏水冷卻段。經(jīng)過疏水冷卻段后的疏水是欠飽和水，在流向下一級加熱器的節(jié)流過程中大大減小了汽水兩相流動的可能性。這樣強(qiáng)化了本級加熱器效果，保留了高品質(zhì)蒸汽，提高了經(jīng)濟(jì)性[6]。

2 回?zé)嵯到y(tǒng)的疏水水位控制要求

加熱器疏水裝置的作用是及時排出加熱器中的凝結(jié)水，同時又不讓蒸汽隨同疏水一起流出，以維持加熱器一定的汽側(cè)壓力和凝結(jié)水水位。加熱器正常運(yùn)行時，應(yīng)控制其疏水水位在正常的范圍內(nèi)。

在從緊急疏水切換至正常疏水時，應(yīng)緩慢打開正常疏水控制器，以防止在低壓加熱器和高壓加熱器疏水管道中產(chǎn)生水錘。當(dāng)殼體中的注水水位下降時，緊急疏水控制器會自動切換至關(guān)閉位置。

若加熱器水位過高，其傳熱面會被水淹沒，使傳熱面積減少，傳熱效果下降，蒸汽不能及時凝結(jié)，進(jìn)而造成加熱汽側(cè)壓力升高，加熱器出口給水溫度下降，從而影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。若疏水調(diào)節(jié)裝置失靈，則應(yīng)將疏水切換到事故疏水?dāng)U容器，檢修并調(diào)節(jié)裝置。否則，當(dāng)水位迅速升高到進(jìn)汽管口時，水就會從抽汽管倒流入汽輪機(jī)內(nèi)，造成嚴(yán)重的水擊事故。

若加熱器水位過低，將引起疏水帶汽，蒸汽流入下一級加熱器中，放出潛熱，排擠低壓抽汽，從而降低了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。同時，由于疏水管中汽水的兩相流動，將對疏水閥及疏水管彎頭產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，進(jìn)而影響安全。對于臥式加熱器，水位過低還會使疏水冷卻段入口暴露于水面，從而使推動疏水通過該段的虹吸受到破壞，凝結(jié)段的汽水會同時沖向疏水冷卻段，沖蝕該段管子外壁。

3 6#低壓加熱器疏水水位控制方案

加熱器疏水裝置的形式通常有疏水器和多級水封兩種。常用的疏水器有浮子式疏水器和氣動式疏水調(diào)節(jié)閥兩種。氣動式疏水調(diào)節(jié)閥具有快速關(guān)斷、保護(hù)性能好、運(yùn)行靈活、安全可靠的優(yōu)點，便于在集控室自動控制[7-8]。

正常水位就是設(shè)計中的最佳水位。這在加熱器的總圖和加熱器水位指示板上都清楚地標(biāo)明。而熱態(tài)的最佳水位需要在運(yùn)行中調(diào)整后確定。一般水位允許偏差正常水位±38 mm。

在八級回?zé)嵯到y(tǒng)中，6#低壓加熱器的疏水控制裝置最為復(fù)雜?？刂?#低壓加熱器的汽側(cè)凝結(jié)水位的設(shè)備，包括6#低壓加熱器疏水變頻泵A泵和工頻泵B泵、6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥、6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥、6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥保護(hù)電磁閥。

關(guān)于疏水水位的控制信號，優(yōu)先級別由低到高依次為自動信號、手動信號、跟蹤信號。

在自動狀態(tài)下，A泵的控制采用開環(huán)控制，變頻器的指令為發(fā)電機(jī)組有功功率的分段函數(shù)值。這一設(shè)置兼顧變頻器的安全運(yùn)行、節(jié)能、凝結(jié)水壓力穩(wěn)定的要求(見圖1)。圖1中，函數(shù)f(x)表示疏水泵出口母管流量調(diào)節(jié)閥與變頻泵聯(lián)動關(guān)系，通過調(diào)節(jié)該關(guān)系以實現(xiàn)在低閥位時變頻泵低轉(zhuǎn)速運(yùn)行[9-10]。A泵和B泵聯(lián)鎖子環(huán)首選起動變頻泵A泵，B泵為備用泵。

圖1 變頻泵轉(zhuǎn)速開環(huán)控制邏輯圖

當(dāng)A泵變頻器控制指令與反饋偏差超限、變頻器故障、低加疏水水位值壞質(zhì)量、多個疏水水位值之間偏差超限，四者中任一條件成立時，A泵將切換到手動狀態(tài)。A泵跟蹤邏輯圖如圖2所示。在B泵起動后單獨(dú)運(yùn)行的5 s內(nèi)，A泵變頻器指令跟蹤至100%，作為A泵起動的指令初始值。雙泵運(yùn)行時，B泵突然跳閘，則A泵變頻器切換到跟蹤狀態(tài)持續(xù)5 s，變頻器指令跟蹤至100%，以增加泵的出力。

圖2 變頻泵轉(zhuǎn)速控制指令跟蹤邏輯圖

A泵和B泵聯(lián)鎖子環(huán)首選變頻泵A泵，工頻泵B泵備用(見圖3)。

圖3 兩臺疏水泵互為備用邏輯圖

6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量調(diào)節(jié)閥接受閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，構(gòu)成典型單回路自動控制系統(tǒng)[6-7]。被調(diào)量是6#低壓加熱器疏水水位，調(diào)節(jié)量是低壓加熱器疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥位置(見圖4)。自動狀態(tài)下，6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)跟蹤水位設(shè)定值為1。

圖4 疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥閉環(huán)控制邏輯圖

當(dāng)6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥控制指令與閥位偏差超限、低壓加熱器疏水泵出口母管流量調(diào)節(jié)閥故障、低壓加熱器疏水水位信號壞質(zhì)量，三者中任一條件成立時，6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥切換到手動狀態(tài)。

在6#低壓加熱器危急疏水調(diào)節(jié)閥和疏水泵出口流量調(diào)節(jié)閥均投入自動狀態(tài)，并且6#低壓加熱器水位不超過高限值時，會出現(xiàn)兩種情況：若6#低壓加熱器疏水水位值不大于設(shè)定值2，則6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥全關(guān)；若水位值大于設(shè)定值2，則6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥跟蹤水位設(shè)定值為2(見圖5)。當(dāng)6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥控制指令與閥位偏差超限、6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥故障、低壓加熱器疏水水位信號壞質(zhì)量、多個疏水水位值之間偏差超限，四者中任一條件成立時，6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥切換到手動狀態(tài)。

當(dāng)6#低壓加熱器疏水水位大于88 mm時，6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥的保護(hù)電磁閥動作，閥門全開。6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥切換到跟蹤狀態(tài)，跟蹤值為全開指令100%。當(dāng)水位降低到88 mm以下時，6#低壓加熱器危急疏水調(diào)節(jié)閥切換到手動狀態(tài)，手動調(diào)節(jié)的初始指令為100%(見圖6)。

圖6 危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥控制指令跟蹤信號邏輯圖

4 結(jié)論

6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值，應(yīng)略大于6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值。6#低壓加熱器危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥保護(hù)電磁閥的動作值應(yīng)大于危急疏水氣動調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值。6#低壓加熱器疏水泵水位低跳閘值的低限值是比前述幾個值更低的值。這幾個功能按照疏水水位偏離程度依次動作。這幾個控制作用當(dāng)中，核心的控制裝置是6#低壓加熱器疏水泵出口母管流量電動調(diào)節(jié)閥，自動控制系統(tǒng)特有的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性指標(biāo)，可滿足熱力系統(tǒng)對水位的控制要求。

投入6#低壓加熱器疏水泵調(diào)頻工作模式有節(jié)能降耗效果，操作指引應(yīng)列明投入疏水泵調(diào)頻工作模式的要求。在控制邏輯當(dāng)中，增加從疏水流量電動調(diào)節(jié)閥閥位到變頻泵轉(zhuǎn)速指令的聯(lián)動機(jī)制，可用來降低疏水泵電能消耗。這一邏輯功能設(shè)計必須遵循方便調(diào)試，以及不增加值班員監(jiān)視項目的原則。