600 MW超臨界直流鍋爐儲水箱液位測量修正及控制

王國成，張 鵬，杜 博

（1.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250002；2.華能曲阜電廠，山東 曲阜 273100）

0 引言

由于直流鍋爐無儲存汽水的汽包，出于鍋爐的快速啟動和低負荷運行的需要裝有汽水分離器，使過熱器呈干態運行。汽水分離器在啟動和低負荷運行時起汽水分離的作用，額定負荷時流經汽水分離器的工質接近20℃的過熱度，此時它僅僅是流程中的一個部件。由于直流鍋爐汽水分離器的以上特點，所以汽水分離器儲水箱的水位控制顯得特別重要［1］。

1 啟動系統的組成和作用

啟動系統是為解決直流鍋爐啟動和低負荷運行而設置的功能組合單元，以某電廠600 MW超臨界機組直流鍋爐為例，它由兩只內置式啟動分離器、儲水箱、儲水箱液位控制閥（361閥）以及儲水箱液位調節閥暖管管路等組成。具體系統布置見圖1。

其作用是建立啟動壓力和啟動流量，在水冷壁中建立足夠高的質量流量，保證水冷壁足夠冷卻和水動力的穩定性。實現點火前循環清洗，回收鍋爐啟動初期排出的熱水、汽水混合物、飽和蒸汽以及過熱度不足的過熱蒸汽，實現工質和熱量的回收。實現鍋爐各受熱面之間和鍋爐與汽機之間工質狀態的配合，固定蒸發受熱面終點，實現汽水分離作用，從而使給誰量調節、汽溫調節和燃料量調節相對獨立，互不干擾［2］。

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

在鍋爐啟動過程中，儲水箱水位調節閥暖管管路必須在鍋爐實現直流轉換、儲水箱水位調節閥完全關閉后才允許啟用，此暖管管路投入后，應相應開啟儲水箱至過熱器二級減溫水支管管路上的閥門，避免鍋爐在正常運行時，出現儲水箱水位升高的假象。此管路設計流量約為1.2 t/h。在鍋爐正常運行過程中應確保儲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，儲水箱水位調節閥暖管管路在儲水箱水位調節閥開啟前關閉。

圖1 600 MW啟動系統圖

2 液位測量布置

汽水分離器儲水箱筒體較長（25 m）,允許水位波動的范圍相對較大,水位的控制沒有汽包鍋爐水位控制那樣嚴格,分離器儲水箱的正常工作壓力與鍋爐相當（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水箱水位通常采用單室平衡容器進行差壓檢測。

儲水箱上部蒸汽連接管、下部出水連接管上各布置一個取壓孔，后接三個并聯的單室平衡容器，水、汽側平衡容器一一對應提供壓差給差壓變送器，進行儲水箱的水位控制。儲水箱上有設定的高報警水位、儲水箱水位控制調節閥全開水位、正常水位（上水完成水位）、儲水箱水位控制調節閥全關水位、低報警水位及基準水位等，根據各水位不同的差壓值來控制儲水箱水位控制調節閥的調節開度。儲水箱中的水由儲水箱下部的出口連接管引出，經過儲水箱水位控制調節閥，在鍋爐清洗及點火初始階段根據水質或排出鍋爐系統外或到冷凝器中。儲水箱水位測量布置圖見圖2。

圖2 儲水箱水位測量布置圖

3 直流負荷下的液位修正

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動時，運動方程（即歐拉方程）沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒的方程。由瑞士科學家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流體，方程為P+ρgz+（1/2）ρv2=C

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

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

3.2 水位的負荷修正

在鍋爐達到直流負荷以后，儲水箱水位調節閥應該全部關閉。由于兩個汽水分離器水側管路從儲水箱水位測量的上取樣點下方接入，當汽水分離器進入干式運行時，有一部分水蒸汽從該管路進入，由于蒸汽流速產生動壓，從而對上取樣點處形成抽吸作用，會引起儲水箱內水位上升，而此時的水位并不是儲水箱的真實水位，是一個假水位，若該水位超過了儲水箱的正常水位（甚至是報警水位），則會引起儲水箱水位調節閥開啟，而在干態運不允許儲水箱水位調節閥開啟的，故需要對正壓側凝結球內壓力根據伯努利方程進行校正。水位測量原理見圖3，圖中：P為汽水分離器儲水箱內蒸汽壓力，MPa；H為汽水分離器儲水箱水位量程，m；h為汽水分離器儲水箱校正后水位，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下環境溫度時水的比重，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，水位修正值和負荷的關系如圖4所示，按照該曲線，在負荷大于120 MW后，需要在水位修正中加入負荷指令的修正，在鍋爐負荷為28.9%B-MCR（機組電功率為173.4 MW）以上時，水位修正值均為22 m。

圖4 水位修正值與負荷的關系曲線

圖5 分離器儲水箱水位修正程序

4 水位的控制策略

當汽水分離器儲水箱液位大于參考值時，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。

用分離器儲水箱水位來完成程序控制,即361閥開度指令由儲水箱水位產生。

該控制對汽水分離器儲水箱液位按預定程序控制，控制中根據汽水分離器儲水箱液位和閥門位置對控制參數進行修正。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。

汽水分離器儲水箱液位超過設定值，閥門高位將會選通。當汽水膨脹現象發生時,為避免水位的異常波動,應將水位控制閥的開動作進行速率限制,以防止水位急劇下降。通過限制汽水分離器儲水箱液位調節閥位置的變化率從而限制水位的劇烈變動。

由于水位的波動較大,可能會對水位控制閥進行頻繁小開度,而損壞閥門。因此,應對小開度進行適當的控制。當閥門開度指令由大開度向小開度減少時,減少到5%時,強制關（0%）。圖6為控制策略框圖。

圖6 分離器儲水箱水位控制程序

5 結論

在超臨界直流鍋爐的分離器儲水箱水位測量中，一定要保證測點合理布置、正確安裝,并根據現場情況增加必要的水位負荷修正，確保液位測量的準確性。在現場調試過程中，采用合理的控制方案,避免水位的異常波動，就能很好地控制儲水箱液位,對超臨界直流鍋爐啟動系統的安全運行以及361閥的保護將極為有利。