600 MW機組高壓加熱器疏水控制系統改進

張良軍，李康良

（國電浙江北侖第一發電有限公司，浙江 寧波 315800）

1 系統簡介

高壓給水加熱器（簡稱高加）是熱力發電廠廣泛應用的節能設備之一，利用汽輪機抽汽回熱來加熱鍋爐給水，提高給水溫度，以達到節能的目的。北侖發電廠3-5號機組所配置的高、低壓加熱器和除氧器均由日本東芝公司設計制造。這些加熱器均為表面式“U”型管加熱器，臥式布置。

1-3號高加各配置2套基地式水位調節儀（正常疏水調節儀和事故疏水調節儀）、1套浮子式液位變送器、低/高/高高液位開關各1套。正常/事故疏水調節儀目標水位分別為+0 mm水柱、＋50 mm 水柱。 高（＋140 mm 水柱 ）/低（-50 mm 水柱）液位開關用于DCS系統報警，高高（＋660 mm水柱）液位開關動作時高加隔離，液位變送器用于DCS系統液位顯示。

圖1 高加基地式調節儀表安裝結構圖

2 存在問題

（1）基地式調節儀是純機械式現場控制儀表，其轉換環節比較多，反應比較慢，在機組工況變化比較大的情況下高加水位調節品質比較差；另一方面，高加的疏水是依靠相互之間的壓差逐級進行的，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號高加疏水量最大，而壓差最小，再加上疏水管路長，沿程阻力大，遠距離的氣動信號傳輸（汽機房6.1 m 3號高加層到汽機房30 m除氧器層）出現嚴重的信號滯后，這導致3號高加疏水調節品質差，5號機組3號高加疏水波動達50 mm左右。

（2）基地式調節儀內部有噴嘴、擋板、機械連桿、波紋管、放大器等部件，其測量單元直接與高溫高壓介質接觸，容易造成儀表內部密封墊圈老化，縮短儀表的使用壽命。到目前為止，由于高溫燙傷已損壞5套高加基地式調節儀，而日本原裝YAMATAKE HONEYWELL基地式調節儀每套將近16萬元；1，2號高加基地式調節儀損壞后曾經選用國內替代產品，但只能使用1年左右時間，均因高溫燙壞儀表內部密封部件而損壞。

3 改進方案

針對高加基地式調節儀存在的問題，鑒于高加差壓式水位測量方式的廣泛使用及DCS系統日益成熟，將基地式調節改成DCS系統控制及應用差壓方式實現高加液位測量是必然的選擇。

應用差壓原理實現高加水位測量：把水位高度的變化轉換成差壓的變化，因此差壓式水位測量的精度取決于實際水位與差壓之間的準確轉換，這可采用平衡容器形成參比水柱來實現。

變送器壓差值ΔP計算如下：

式中：h為高加實際水位高度；h1為平衡容器參比水柱高度；h2為負壓側水柱高度；ρqs為高加內飽和蒸汽密度；ρqw為高加內疏水密度；ρm為負壓側水柱平均密度；ρm1為平衡容器參比水柱平均密度。

根據單室平衡容器安裝手冊可知：單室平衡容器水平導壓管長度必須大于1 m，正壓側下降導壓管管徑盡可能小（實際應用中一般≤16 mm），這樣基本可保證正壓側下降導壓管內水溫接近于環境溫度。由文獻[1]可知，不同抽汽壓力、不同溫度下冷凝水的密度變化很小，所以對平衡容器參比水柱密度進行壓力溫度修正，對測量精度影響不大。考慮到1號高加環境溫度，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量原理圖

在高加投運過程中，高加內的熱傳遞過程實際上是十分復雜的。高溫、高壓蒸汽經過過熱蒸汽冷卻段、凝結段和疏水冷卻段3個熱量釋放過程生成冷凝水（疏水）。為了維持高加安全、經濟運行，必須將疏水水位控制為零水位附近，通過正常疏水調節閥將疏水進行排放，這部分排放掉的包括將要排放的疏水還未達到飽和狀態，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疏水的大部分，所以一般以高加內未飽和水的密度來表征高加內疏水的密度。

根據高加實際運行情況可知，任一工況下高加抽汽壓力對應的飽和水溫度與高加疏水溫度的偏差基本上是恒定的，例如北侖發電廠3-5號機1，3號高加偏差大約為20℃左右，2號高加偏差大約為33℃左右，因此，可以建立高加抽汽壓力與高加疏水密度、蒸汽密度之間對應關系，也就是說 ρqw， ρqs均是高加抽汽壓力的函數， 設 f1（x）=ρm1-ρqs， f2（x）=ρqw-ρqs。 表 1 列出了幾個絕對壓力值時對應的 f1（x）， f2（x）函數值。 高加水位 h 測量公式則變為：

4 項目實施

3號機組1，3號高加疏水控制系統的改進主要采取了以下措施：

（1）利用原來基地式水位測量筒連接管道安裝了兩套單室平衡容器，將原來法蘭連接方式變更為焊接方式，并將測量量程由原來300 mm擴大到800 mm；適當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）函數發生器參數表

（2）參與高加隔離及保護的電磁閥控制回路予以保留，新加裝的電流氣壓轉換裝置（I/P）盡量安裝在閥門附近，將控制電磁閥移至I/P出口，即當1號高加水位高/高高液位開關動作時電磁閥失電時，通過電磁閥快速排放I/P輸出氣體以實現1號高加至凝汽器事故疏水調節閥全開；2號高加水位高高液位開關動作時電磁閥失電時，通過電磁閥快速排放I/P輸出氣體以實現1號高加至2號高加正常疏水調節閥全關。

（3）高加疏水控制策略采用典型單回路PI調節，正常疏水調節品質側重于平穩和準確，事故疏水調節品質則要求快速；由于水位測量設計了壓力修正功能，考慮到壓力信號無冗余，所以邏輯中增加了壓力信號失去水位控制切至手動的功能。另外，DCS軟件中增加了1號高加浮子式液位測量信號與差壓式液位測量信號切換邏輯，以便于差壓式水位變送器日常排污、校驗等日常維護時的無擾切換。除了通過電磁閥控制實現高加保護（正常疏水調節閥全關、事故疏水調節閥全開）外，還將高加水位高/高高等保護信號通過CCS控制系統TRACK功能實現高加保護。

5 效果評價

高加疏水控制系統改進后，通過近兩個多月跟蹤分析效果非常明顯：

（1）1，3號高加疏水端差達到設計標準，其中1號高加在300～600 MW負荷變化范圍端差為4.5～9℃，比改造前5～13℃有明顯改善，3號高加端差4～7.6℃與改造前基本一致。

（2）1，3號高加疏水調節品質較好，其中1號高加疏水水位波動范圍大約為10 mm，比改造前波動范圍16 mm略有改進，3號高加疏水水位波動范圍大約為18 mm比改造前30 mm波動范圍有明顯改善。

（3）1，3號高加基地式調節儀改進后基本上可以實現零費用維護，備品庫存大幅降低。

6 結語

高加水位調節由傳統基地式調節改造為DCS控制是必然趨勢，既能大幅節省檢修、維護成本，又能極大地提高高加運行的經濟性安全性。將成熟應用在發電廠汽包水位上單（雙）平衡容器差壓式水位測量技術移植至高加水位測量上是完全可行的，但需重視兩者之間的差別，即前者測量介質是飽和水而后者則是不飽和的疏水。目前新投產機組的高加水位測量普遍采用了差壓式水位測量方式，由于沒有進行抽汽壓力修正，在機組啟停階段或工況變化較大的情況下水位測量誤差較大，因此必須對高加水位測量進行抽汽壓力修正，在日常維護中也應重視對加熱器差壓式變送器儀表管的沖洗、排污工作。

[1]國際水和水蒸汽熱力性質學會（IAPWS）.工業用水和水蒸汽熱力性質計算公式[G].1997.

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