高壓加熱器水位控制與保護系統介紹

董 慧，張志鵬

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

1 概 述

高壓給水加熱器（以下簡稱高加）是火力發電廠給水回熱系統的重要設備，其性能和可靠性直接影響機組整體運行的經濟性，還影響到機組的穩發、滿發和安全運行。高加若不能正常運行，會影響到主機或其他設備的安全運行，嚴重時甚至會引起設備損壞及人員傷亡事故，尤其對于現在的大容量機組而言，更應充分考慮高加系統的安全性。高加的給水系統及疏水系統，見圖1所示。

2 高壓加熱器工作原理

圖1 高加給水系統及疏水系統示意圖

高壓加熱器是表面式給水加熱器，其特點是加熱工質與被加熱工質相互不混合，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，為使給水溫度達到所期望的值，設置了過熱蒸汽冷卻段，以充分利用抽汽的過熱度。在凝結段內，蒸汽凝結后相變成為飽和水，同時放出汽化潛熱，這是高加的主要換熱區段，管內給水大部分的焓升是由這一區段提供的。為進一步降低熱耗并使疏水順利地排入下一級換熱設備，高加需要設置疏水冷卻段，使飽和疏水在這一區段里進一步放出熱量，再以過冷水排出。

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

3 高壓加熱器結構

高壓加熱器的結構分為殼側和管側。在殼側，加熱蒸汽進入高加內部后，由于包殼的作用，蒸汽通過小包殼的導流進入大包殼內，經過過熱段內隔板的折流，與換熱管進行換熱。

凝結段是利用蒸汽冷凝時的潛熱加熱給水，進入凝結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，且因凝結段保持了一定的水位，使疏水段密封。疏水進入后經隔板導流，從疏水出口處流出進入下一級換熱設備。在水側，高加水室由分程隔板分為兩部分，給水從給水入口處進入高加水室，再進入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備容器中液體介質的存量位置，連續監測或調節流入或流出容器內物料的平衡，使之保持在特定的水位，以保證設備運行安全。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，常用的測量設備為液位計及差壓變送器等設備。

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

首先應校驗各水位計，確認是否反映了水位的實際位置。如果發現水位超出正常規定范圍時，應調整疏水調節閥的開度；如調節閥失靈或水位上升到高二水位，應開啟事故疏水閥，進行水位調節；如升到高三水位，則應解列高加并關閉抽汽逆止閥，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

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，就地監測高加內的水位；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安裝接口，用來安裝液位開關。液位開關能發送水位報警信號，將信號傳送至DCS系統，進行連鎖控制保護。

6.2 異常水位保護系統

高加設置有單室平衡容器，以提取高加內的水位信號，當水位高于或低于正常水位一定值時，平衡容器發出的水位信號，經過壓差變送器變成電信號將其傳送到DCS系統，由自動水位調節裝置進行調節，使高壓加熱器水位能保持在正常水位上。每臺高壓加熱器設置正常疏水調節閥和危急疏水閥，整臺高加機組設置1個三通閥和1個閘閥。

根據加熱器的設計特點及運行要求，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動不同的保護裝置，以使高加安全平穩地運行。

在低水位時，為防止高加低水位運行對系統各設備造成的危害，水位報警器報警并關閉疏水閥。

在高一水位時，有報警訊號，但并不聯動保護裝置，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，為防止殼側超壓和延遲殼側滿水時間，進行故障處理，減少高加停用次數，使聯動保護裝置的危急疏水閥門打開，進行事故疏水。

在高三水位時，為防止殼側滿水而使水進入汽輪機，隔離抽汽止回閥，打開給水旁路三通閥、關閉上級高加來疏水、關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 高加系統對運行水位的影響及控制

7.1 超壓保護系統

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

（1）管側超壓保護

為防止加熱器在給水進出口閥門關閉時，因汽側進汽閥門關閉不嚴等原因會使管側封存的水受熱膨脹而超壓，這種情況下會嚴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、出口閥之間設置1個安全閥，按美國HEI的規定，其安全閥的最小直徑為3／4英寸。此外，管側最低點要設置放水閥，在最高點設置放氣閥。

（2）汽側超壓保護

圖3 高壓加熱器水位控制簡圖

由于汽側設計壓力低于管側設計壓力，為防止管子破裂使給水進入殼側而造成汽側超壓，故應設置安全閥。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荷給水流量的10%；當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—— 管側設計壓力，Pa；

psh—— 殼側設計壓力，Pa；

d21—— 傳熱管內徑，mm。

7.2 疏水系統

高加的疏水采用逐級自流，即疏水是靠上下兩級高加汽側的壓力差，將疏水自動導入壓力較低的下一級高加的汽側空間，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置疏水電動調節閥并布置在管路的末端，依靠閥門調節高加的水位，使高加在正常水位安全平穩地運行。疏水系統的布置，如圖1所示。

在疏水系統中須注意的是管道尺寸、調節裝置通流能力要與疏水量、壓差等參數相適應。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，較合理設計是：

（1）高加本體設置疏水冷卻段，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節閥的通流能力，解決疏水不暢通的問題。

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

7.2.1 調節閥的口徑選擇

選擇了合適的管徑，同樣需要與之匹配的調節閥門來控制水位，在自動控制系統中，應根據調節閥的流量特性，選擇調節閥。調解閥的流量特性是指流過調節閥的相對流量與調節閥相對開度之間的關系。調解閥的流量大小與閥的開度和閥前、閥后壓差有關，當閥的開度變化時，閥的前、后壓差會發生變化。

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）相當于給水流量的10%的水量。兩者取較大值，作為附加疏水量。

調解閥的口徑應根據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，根據通過介質的最大流速和允許的壓力損失，計算管子內徑，由于管內工質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關系。為設計方便，常給出介質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，根據連續方程式，管子的流通截面積A的計算式為：

式（3）中：Dn——管子內徑，mm；

Qv——通過管子的介質的體積流量，m3／s；

Qm——通過管子的介質質量流量，kg／h；

v——介質的比容，m3／kg；

c——介質的允許流速，m／s。

由式（3）得出：

對汽水兩相流體的管道，應按有關規定計算。利用式（4）求得的管子內徑稱為管道的計算內徑。由介質的種類、參數、管材性能及價格等因數確定管材后，再根據管材及計算內徑數值，參照國家標準選擇管子的公稱直徑。為保證流通能力，所選管子的內徑應等于或稍大于計算內徑。

8 結 語

高壓加熱器水位的控制與調節，關系到電廠運行的經濟效益和高加的安全運行，對高加運行及控制系統進行合理調整，設置適當的高加運行水位，準確把握高加正常運行情況，可提高高壓加熱器系統的安全性和經濟性。

［1］蔡錫琮.高壓給水加熱器［M］.北京：水利電力出版社，1995.

［2］葉之奎.發電廠熱力系統及輔助設備［M］.北京；水利電力出版社，1991.

［3］程廣振.熱工測量與控制［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.