高壓加熱器水位控制與保護(hù)系統(tǒng)介紹

董 慧，張志鵬

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

1 概 述

高壓給水加熱器（以下簡稱高加）是火力發(fā)電廠給水回?zé)嵯到y(tǒng)的重要設(shè)備，其性能和可靠性直接影響機組整體運行的經(jīng)濟(jì)性，還影響到機組的穩(wěn)發(fā)、滿發(fā)和安全運行。高加若不能正常運行，會影響到主機或其他設(shè)備的安全運行，嚴(yán)重時甚至?xí)鹪O(shè)備損壞及人員傷亡事故，尤其對于現(xiàn)在的大容量機組而言，更應(yīng)充分考慮高加系統(tǒng)的安全性。高加的給水系統(tǒng)及疏水系統(tǒng)，見圖1所示。

2 高壓加熱器工作原理

圖1 高加給水系統(tǒng)及疏水系統(tǒng)示意圖

高壓加熱器是表面式給水加熱器，其特點是加熱工質(zhì)與被加熱工質(zhì)相互不混合，通過U形管的管壁來傳遞熱量。蒸汽放出熱量并逐漸凝結(jié)成水，由高加的疏水口排出。由于加熱蒸汽通常具有一定的過熱度，為使給水溫度達(dá)到所期望的值，設(shè)置了過熱蒸汽冷卻段，以充分利用抽汽的過熱度。在凝結(jié)段內(nèi)，蒸汽凝結(jié)后相變成為飽和水，同時放出汽化潛熱，這是高加的主要換熱區(qū)段，管內(nèi)給水大部分的焓升是由這一區(qū)段提供的。為進(jìn)一步降低熱耗并使疏水順利地排入下一級換熱設(shè)備，高加需要設(shè)置疏水冷卻段，使飽和疏水在這一區(qū)段里進(jìn)一步放出熱量，再以過冷水排出。

典型的高壓加熱器工作流程為：給水從進(jìn)水口進(jìn)入水室，因分程隔板的阻擋，迫使給水流入管板上的管口進(jìn)入換熱管，加熱蒸汽的熱量通過換熱管傳遞給管內(nèi)給水，給水流經(jīng)U形管被加熱后進(jìn)入水室的出口側(cè)，經(jīng)出水口流出加熱器進(jìn)入下一級設(shè)備。加熱蒸汽在殼體內(nèi)被冷卻凝結(jié)成水，再從疏水出口處流出。

3 高壓加熱器結(jié)構(gòu)

高壓加熱器的結(jié)構(gòu)分為殼側(cè)和管側(cè)。在殼側(cè)，加熱蒸汽進(jìn)入高加內(nèi)部后，由于包殼的作用，蒸汽通過小包殼的導(dǎo)流進(jìn)入大包殼內(nèi)，經(jīng)過過熱段內(nèi)隔板的折流，與換熱管進(jìn)行換熱。

凝結(jié)段是利用蒸汽冷凝時的潛熱加熱給水，進(jìn)入凝結(jié)段的蒸汽由飽和蒸汽冷凝成飽和水，并匯集至加熱器的底部。

疏水冷卻段使進(jìn)入的疏水溫度降至飽和溫度以下，疏水冷卻段利用包殼的密封作用，且因凝結(jié)段保持了一定的水位，使疏水段密封。疏水進(jìn)入后經(jīng)隔板導(dǎo)流，從疏水出口處流出進(jìn)入下一級換熱設(shè)備。在水側(cè)，高加水室由分程隔板分為兩部分，給水從給水入口處進(jìn)入高加水室，再進(jìn)入U形換熱管，回流至高加水室后，由給水出口處流出。高加的外形簡圖，見圖2所示。

圖2 高壓加熱器

4 水位測量

水位是指容器中液體介質(zhì)液面的高低。水位測量在機組運行過程中具有重要作用，通過水位測量可確定設(shè)備容器中液體介質(zhì)的存量位置，連續(xù)監(jiān)測或調(diào)節(jié)流入或流出容器內(nèi)物料的平衡，使之保持在特定的水位，以保證設(shè)備運行安全。目前，常用的測量方法有直讀法、浮力法、差壓法、電容法、核輻射法、超聲波法、激光法以及微波法等。高壓加熱器的水位測量采用直讀法和差壓法，常用的測量設(shè)備為液位計及差壓變送器等設(shè)備。

5 高壓加熱器的水位異常與處理措施

5.1 水位異常的危害

當(dāng)高加水位過高時，會使一部分換熱管浸入到水中，造成這部分傳熱面積失效，使高加實際換熱面積降低。若水位升到過熱蒸汽冷卻段出口時，會在該處造成汽水對沖，對換熱管損害較大。

當(dāng)高加水位過低時，會使上級高加與本級高加的級間水封喪失，上級高加疏水口就成為本級高加一個壓力等級更高的新蒸汽進(jìn)口，即下一級高加的加熱蒸汽，是由上一級高加增加額外抽汽量來供給，而本級高加的蒸汽口自動被堵塞。這種情況下，上一級高加的進(jìn)汽量將成倍增加，使上級高加蒸汽冷卻段蒸汽流速增快，造成上級高加過熱段的換熱管損壞。

5.2 處理措施

首先應(yīng)校驗各水位計，確認(rèn)是否反映了水位的實際位置。如果發(fā)現(xiàn)水位超出正常規(guī)定范圍時，應(yīng)調(diào)整疏水調(diào)節(jié)閥的開度；如調(diào)節(jié)閥失靈或水位上升到高二水位，應(yīng)開啟事故疏水閥，進(jìn)行水位調(diào)節(jié)；如升到高三水位，則應(yīng)解列高加并關(guān)閉抽汽逆止閥，停機檢查并分析水位異常的原因。

6 高壓加熱器水位的測量及保護(hù)

6.1 水位的測量

高壓加熱器一般裝有1個就地磁翻板水位計，就地監(jiān)測高加內(nèi)的水位；3個單室平衡容器用以提取高加的水位信號；一對或多對液位開關(guān)安裝接口，用來安裝液位開關(guān)。液位開關(guān)能發(fā)送水位報警信號，將信號傳送至DCS系統(tǒng)，進(jìn)行連鎖控制保護(hù)。

6.2 異常水位保護(hù)系統(tǒng)

高加設(shè)置有單室平衡容器，以提取高加內(nèi)的水位信號，當(dāng)水位高于或低于正常水位一定值時，平衡容器發(fā)出的水位信號，經(jīng)過壓差變送器變成電信號將其傳送到DCS系統(tǒng)，由自動水位調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使高壓加熱器水位能保持在正常水位上。每臺高壓加熱器設(shè)置正常疏水調(diào)節(jié)閥和危急疏水閥，整臺高加機組設(shè)置1個三通閥和1個閘閥。

根據(jù)加熱器的設(shè)計特點及運行要求，將水位分為低水位、正常水位、高一水位、高二水位及高三水位，并在各水位分別控制并聯(lián)動不同的保護(hù)裝置，以使高加安全平穩(wěn)地運行。

在低水位時，為防止高加低水位運行對系統(tǒng)各設(shè)備造成的危害，水位報警器報警并關(guān)閉疏水閥。

在高一水位時，有報警訊號，但并不聯(lián)動保護(hù)裝置，提醒操作人員注意巡查，查找報警原因，并及時解決。

在高二水位時，有報警訊號，為防止殼側(cè)超壓和延遲殼側(cè)滿水時間，進(jìn)行故障處理，減少高加停用次數(shù)，使聯(lián)動保護(hù)裝置的危急疏水閥門打開，進(jìn)行事故疏水。

在高三水位時，為防止殼側(cè)滿水而使水進(jìn)入汽輪機，隔離抽汽止回閥，打開給水旁路三通閥、關(guān)閉上級高加來疏水、關(guān)閉疏水至除氧器的截止門和運行排氣門、打開啟停放水門、使高加解列。高壓加熱器的水位控制，見圖3所示。

7 高加系統(tǒng)對運行水位的影響及控制

7.1 超壓保護(hù)系統(tǒng)

高加的超壓保護(hù)系統(tǒng)要確保高加保持在正常水位運行，如高加發(fā)生故障而保護(hù)系統(tǒng)未能正常運行，高加內(nèi)凝結(jié)水會發(fā)生因水位過高而使凝結(jié)水進(jìn)入過熱段入口處，造成汽水兩相沖蝕換熱管，所以超壓保護(hù)系統(tǒng)對高加水位的正常運行有著重要的作用。

（1）管側(cè)超壓保護(hù)

為防止加熱器在給水進(jìn)出口閥門關(guān)閉時，因汽側(cè)進(jìn)汽閥門關(guān)閉不嚴(yán)等原因會使管側(cè)封存的水受熱膨脹而超壓，這種情況下會嚴(yán)重威脅管板和管子脹口的安全，甚至引起管束爆破，故在給水進(jìn)、出口閥之間設(shè)置1個安全閥，按美國HEI的規(guī)定，其安全閥的最小直徑為3／4英寸。此外，管側(cè)最低點要設(shè)置放水閥，在最高點設(shè)置放氣閥。

（2）汽側(cè)超壓保護(hù)

圖3 高壓加熱器水位控制簡圖

由于汽側(cè)設(shè)計壓力低于管側(cè)設(shè)計壓力，為防止管子破裂使給水進(jìn)入殼側(cè)而造成汽側(cè)超壓，故應(yīng)設(shè)置安全閥。其排放量按如下原則取較大者并有10%裕量：通過加熱器的最大超負(fù)荷給水流量的10%；當(dāng)1根傳熱管完全斷裂時，通過2個斷口排放的流量。

式（1）中：qv—— 水溫為21℃時的體積流量，m3／s；

pt—— 管側(cè)設(shè)計壓力，Pa；

psh—— 殼側(cè)設(shè)計壓力，Pa；

d21—— 傳熱管內(nèi)徑，mm。

7.2 疏水系統(tǒng)

高加的疏水采用逐級自流，即疏水是靠上下兩級高加汽側(cè)的壓力差，將疏水自動導(dǎo)入壓力較低的下一級高加的汽側(cè)空間，最后一級高加的疏水則自流到除氧器或凝汽器。每兩級高加疏水管路設(shè)置疏水電動調(diào)節(jié)閥并布置在管路的末端，依靠閥門調(diào)節(jié)高加的水位，使高加在正常水位安全平穩(wěn)地運行。疏水系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

在疏水系統(tǒng)中須注意的是管道尺寸、調(diào)節(jié)裝置通流能力要與疏水量、壓差等參數(shù)相適應(yīng)。在實際運行中，許多電廠存在疏水管道的沖刷破裂、疏水管道振動、加熱器疏水流出不暢等問題，因此，較合理設(shè)計是：

（1）高加本體設(shè)置疏水冷卻段，運行中保持正常水位，使疏水在各種工況下都有一定的過冷度，這樣能使疏水在流動過程中不致于汽化。

（2）加大疏水管路的管徑，降低疏水流速及減少彎頭，盡可能縮短管路的長度，以減少管程的阻力損失并合理選擇調(diào)節(jié)閥的通流能力，解決疏水不暢通的問題。

（3）由于調(diào)節(jié)閥的壓差較大，因此飽和水在經(jīng)過閥門后，會汽化產(chǎn)生汽液兩相流，易引起管路沖刷破裂及管路堵塞。采取的措施是將調(diào)節(jié)閥布置在管路的末端，并在閥后管路中采用厚壁管。

7.2.1 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇

選擇了合適的管徑，同樣需要與之匹配的調(diào)節(jié)閥門來控制水位，在自動控制系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量特性，選擇調(diào)節(jié)閥。調(diào)解閥的流量特性是指流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥相對開度之間的關(guān)系。調(diào)解閥的流量大小與閥的開度和閥前、閥后壓差有關(guān)，當(dāng)閥的開度變化時，閥的前、后壓差會發(fā)生變化。

高壓加熱器疏水量分為正常疏水和附加疏水量，在選取高加危急疏水閥時，主要考慮附加疏水量的大小。

高加附加疏水量計算：

（1）從2根完全斷裂的傳熱管（4個端口）噴出的水量。

（2）相當(dāng)于給水流量的10%的水量。兩者取較大值，作為附加疏水量。

調(diào)解閥的口徑應(yīng)根據(jù)閥門的流通能力選擇。流通能力C值的計算公式為：

式（2）中：Q —— 體積流量，m3／h；

G —— 質(zhì)量流量，kg／h；

p1、p2—— 閥前、后絕對壓力，Pa；

ρ —— 液體密度，g／m3。

7.2.2 疏水接管管徑的計算

管徑的選擇對于水位的控制很重要，根據(jù)通過介質(zhì)的最大流速和允許的壓力損失，計算管子內(nèi)徑，由于管內(nèi)工質(zhì)流速的平方與壓力損失成正比，所以允許的壓力損失與流速有對應(yīng)關(guān)系。為設(shè)計方便，常給出介質(zhì)的允許流速來代替管道的允許壓力損失。

對于單相流體管道，由選定的允許流速和已知流量，根據(jù)連續(xù)方程式，管子的流通截面積A的計算式為：

式（3）中：Dn——管子內(nèi)徑，mm；

Qv——通過管子的介質(zhì)的體積流量，m3／s；

Qm——通過管子的介質(zhì)質(zhì)量流量，kg／h；

v——介質(zhì)的比容，m3／kg；

c——介質(zhì)的允許流速，m／s。

由式（3）得出：

對汽水兩相流體的管道，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定計算。利用式（4）求得的管子內(nèi)徑稱為管道的計算內(nèi)徑。由介質(zhì)的種類、參數(shù)、管材性能及價格等因數(shù)確定管材后，再根據(jù)管材及計算內(nèi)徑數(shù)值，參照國家標(biāo)準(zhǔn)選擇管子的公稱直徑。為保證流通能力，所選管子的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于計算內(nèi)徑。

8 結(jié) 語

高壓加熱器水位的控制與調(diào)節(jié)，關(guān)系到電廠運行的經(jīng)濟(jì)效益和高加的安全運行，對高加運行及控制系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)整，設(shè)置適當(dāng)?shù)母呒舆\行水位，準(zhǔn)確把握高加正常運行情況，可提高高壓加熱器系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］蔡錫琮.高壓給水加熱器［M］.北京：水利電力出版社，1995.

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