高壓除氧器水位測量異常現象探討

彭紅春

(中國石化集團資產經營管理有限公司巴陵分公司，湖南 岳陽 414014)

高壓除氧器是火電廠、核電廠發電工藝流程中不可缺少的設備，主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣，防止游離狀態的氧在高溫下與金屬發生氧化反應，腐蝕金屬。高壓除氧器為混合式回熱加熱器，是加熱鍋爐給水的重要設備，一般有定壓運行和滑壓運行兩種方式。從鍋爐給水安全考慮，除氧器水位需要基本穩定，維持在一定范圍內：高壓除氧器水位過低會導致漩流吸入氣體，導致給水泵汽化，繼而造成給水泵損壞，鍋爐給水不穩定甚至中斷，機組停車等嚴重問題；水位過高會造成壓力波動，除氧不合格等問題，高到某一規定值會自動啟動事故放水門，降低水位。因此，高壓除氧器水位穩定，準確測量水位，正確顯示水位意義重大。

在實際運行過程中，高壓除氧器水位異常時有發生，特別是滑壓運行時異常次數更多，有的電廠被迫反復更換水位測量一次儀表。經過分析可知，很多異常是測量儀器受原理限制產生的錯誤結果。

1 除氧器工作原理

除氧器除去氧氣的原理主要依據“亨利定律”和“氣體分壓定律”[1-2]。“亨利定律”是指在等溫、等壓下，某種揮發性溶質(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質的分壓力成正比。“氣體分壓定律”是指某一氣體在氣體混合物中產生的分壓等于在相同溫度下它單獨占有整個容器時所產生的壓力，而氣體混合物的總壓強等于其中各氣體分壓之和。依據這兩個原理，高壓除氧器中的水就要求長期處于沸騰狀態，即除氧器中的水溫為對應壓力下的飽和水溫度。

2 除氧器水位測量計的種類及測量原理

除氧器普遍同時安裝3種水位計：一是就地水位計，如玻璃管式、磁翻板式等；二是差壓變送器式水位計，一般傳輸到分布式控制系統(DCS)用于數字化顯示水位，并作為除氧器水位的被調節量；三是電接點水位計，用于水位高、低值報警和聯動事故放水閥。

(1)就地水位計依據連通器原理，其就地顯示的水位總是與除氧器內的實際水位相同，具有直觀、可靠的特點，用于現場巡檢時觀察，并與遠傳信號進行對比。

(2)電接點水位計原理較為簡單，水位計上、下部均與除氧器筒體相連。根據連通器原理，水位計水位總是與除氧器筒內水位相同，被水位淹沒的電接點會接通電源，被淹接點的指標燈因通電亮起，顯示出水位，并確定適當的電接點為高、低水位報警開關量和聯動事故放水閥。

(3)差壓變送器式水位計顯示相對較為復雜，安裝如圖1所示。差壓變送器測量的差壓ΔP轉換成模擬量，電流模擬量傳輸到二次儀表或DCS，再還原成水位顯示。

ΔP=P下-P上=P下-P0=(P0+ρgh0)-P0

=ρgh0

(1)

式中：P上為除氧器水位以上壓力；P下為除氧器底部壓力；P0為除氧器內汽壓；ρ為除氧器工作壓力P0下的飽和水密度；g為重力加速度；h0為正常運行時水位高度。

二次儀表通過除以ρg，還原出水位，即二次儀表顯示水位為

H=ΔP/(ρg)=ρgh0/(ρg)=h0

(2)

式中：H為DCS顯示的除氧器水位。

可以看出，正常工況下，差壓變送器輸出的信號，在二次儀表中顯示的水位就是高壓除氧器內水位。

圖1 差壓變送器水位測量

3 水位異常原因分析

在實際工作過程中，當除氧器的工作壓力P變化較快時，經常出現DCS顯示水位與電接點水位不相符、DCS水位與就地水位計顯示不對應的現象，甚至出現因電接點水位高，高壓除壓器電動溢水閥動作，而DCS中顯示水位正常，變化不明顯的現象。部分電廠技術人員常誤以為差壓變送器水位計計量不準，只能更換水位計，對導致異常的原因無法進行準確分析。下面從機理上分析水位產生異常的原因。

(1)產生水位異常基本出現在高壓除氧器壓力快速下降的時候，即P0快速下降時，因高壓除氧器筒內的水溫T0為飽和狀態，P0降為P1后，對應飽和溫度值T1明顯下降(即T1小于T0)，筒內水必將發生劇烈沸騰，部分水閃蒸成蒸汽，產生汽水共騰現象[3]。閃蒸就是高壓的飽和液體由于容器內壓力突然下降，這些飽和液體溫度因高于對應壓強下的飽和溫度，容器內部分液體會快速蒸發為對應壓力下的飽和蒸汽。閃蒸發生后，飽和水內部會產生大量汽泡，汽泡將自下向上運行，直致升高到液面后破裂，釋放出飽和蒸汽，顯示出液面急劇升高，即日常生活中看到的水“溢出”了，飽和水變成飽和蒸汽，吸收水中汽化潛熱，降低筒內水溫，直至水溫與液面壓力P1對應的新的飽和水溫T1相等，閃蒸結束，高壓除氧器內達到新的飽和水與飽和汽共存的狀態，進入新的穩定狀態。高壓除氧器水位異常就是這一閃蒸過程中出現。

(2)當飽和水閃蒸時，水中出現大量水泡，這時我們假定除氧器內進、出水量相等，即存量水維持相對不變狀態，在不變水量中產生大量水泡后，其體積必然膨脹，表現出水位明顯升高，如上文所述的電接點水位計和就地水位計顯示的原理，這時，兩種水位計會正確顯示出筒內水位。但差壓變送器顯示的水位就不一定能正確顯示筒中水位了，即二次儀表顯示水位會異常，下面就其顯示的水位進行分析。

(3)根據式(1)，這時差壓變送器測量出的差壓ΔP=ρgh0，閃蒸過程中，高壓除氧器中液體因摻有大量汽泡，體積急劇膨脹，液體的平均密度ρ會明顯減小，式中的液位h0也會明顯升高，其乘積的變化不便分析，但從式(1)可以看出，差壓ΔP實際測量的是除氧器筒內的水柱質量，如果忽略液體中的汽體質量(相對完全可以忽略)，閃蒸過程中，液柱的高度變大了，但質量是沒有變化的，即差壓ΔP仍保持不變，也即差壓變送器發送給二次儀表的電流信號強度未變。

差壓變送器轉化出的電信號，在二次儀表中顯示過程中，水位H1依據公式(2)顯示，即：

H1=ΔP/(ρ1g)=ρgh0/(ρ1g)=ρh0/ρ1

(3)

式中：ρ1為閃蒸壓力下對應的飽和水密度；H1為閃蒸發生時DCS中顯示的水位。

在高壓除氧器壓力和溫度變化不大時，可以近似認為飽和水的密度不變，即ρ=ρ1，則可以得出：

H1=h0

(4)

也就是說，差壓變送器的信號在二次儀表中仍顯示閃蒸前水位，水位不變，這就出現了就地儀表和電接點水位計顯示水位與差壓變送器顯示水位不同的現象。這就是發生汽水共騰時差壓變送器水位計不能正確顯示水位的原理。

4 差壓變器液位計顯示飽和溫度狀態液體液位異常的普遍性

(1)差壓變送器液位計具有可靠性強、信號便于向遠方傳遞、在DCS中容易實現還原性顯示、成本低、可安裝在容器外等優點，盡管在飽和液體閃蒸時液位出現液位顯示異常，但一般閃蒸發生的概率低，且閃蒸過程短，在無閃蒸發生時仍為液位測量最方便可靠的測量方式，建議不要輕易換型。操作人員要正確判斷生產過程中的異常現象，便于快速、正確處理生產異常情況，認識這一現象具有很強的指導意義。

(2)文章闡述了差壓變送器式水位計在高壓除氧器水位異常的機理，這種機理在各種生產過程中具有一定普遍性，可參照本文方式正確分析。具有這種現象的有汽輪機高壓加熱器水位，鍋爐汽包水位，常溫常壓下為氣態的液化化工原料的液位等。

5 水位異常時應采取的措施

高壓除氧器在運行過程中，因調整不當或機組工況急劇變化時，除氧器內壓力就會出現快速下降情況，特別是滑壓運行的高壓除氧器，在機組負荷或鍋爐主汽壓力快速下降等情況出現時(如鍋爐熄火)，汽輪機至高壓除氧器抽汽口的抽汽壓力也會快速下降，這種工況容易造成除氧器發現閃蒸現象，出現水位異常。

只要認識到高壓除氧器在閃蒸發生時各種水位計顯示水位的差異，就能準確判斷原因，也就不會再對這種差異產生困惑，不用在儀表硬件上查找原因。

除氧器閃蒸現象對系統安全運行是存在危險的，一是要盡力避免發生，二是在發生后要正確處理，主要措施有：

(1)機組運行時，盡可能保持各運行參數穩定，避免閃蒸的發生。

(2)多種水位計水位不相符，且就地水位計、電接點水位計水位快速升高，而差壓變送器水位計顯示變化很小時，如果同步有高壓除氧器壓力快速下降，可以判定為高壓除氧器發生了閃蒸。

(3)出現二次儀表(多為DCS)顯示高壓除氧器水位正常，而高壓除氧器電動溢水閥動作時，不必對電動溢水閥進行干預，這時的溢水是必要的，可以保證除氧器不滿水，防止水面封堵各除氧器各種進出汽口，出現除氧器工作異常的危險發生。

(4)閃蒸發生時，要防止汽泡進入下水管，造成高壓給水泵汽蝕，甚至鍋爐給水中斷，停爐、停機，這時可快速加大高壓除氧器進水量，降低除氧器內水溫，使水溫低于相應壓力下的飽和值，結束閃蒸。

(5)除氧器水位異常，且給水泵出口壓力有擺動現象，電動給水泵有電流不穩現象時，說明給水泵已經開始汽化，鍋爐給水有中斷危險，甚至損壞給水泵，這時在正確判斷的前提下，應快速增加高壓除氧器進汽量，達到提高除氧器壓力，結束閃蒸，并同步提高了給水泵入口壓力，結束給水泵汽化，防止鍋爐給水中斷。

6 結語

當容器內有一定量液體，且液體長期為對應壓力下的飽和溫度狀態，當液面壓力快速下降時，容器內液體會出現閃蒸，導致液位急劇升高，但差壓變送器水位計受測量原理限制，顯示液位不會體現這種升高。這種液位異常在高壓除氧器較為常見，火力發電廠的高壓加熱器汽側工作狀況相似，也可能因閃蒸出現液位異常現象。發生這種情況時，快速、準確的判斷是正確處理的前提，通過采取正確的措施可以避免險情發生，保證機組安全穩定運行。