除氧器液位檢測與補(bǔ)水控制改造研究

郝艷強(qiáng)

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司天津301500）

0 引言

氧氣在鍋爐發(fā)電的給水系統(tǒng)中是主要的腐蝕性物質(zhì)，不僅腐蝕鍋爐給水設(shè)施，且腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入鍋爐管道后會大面積的附著在管壁上形成鐵垢，影響整個鍋爐系統(tǒng)的傳熱，局部腐蝕嚴(yán)重時會導(dǎo)致管道受熱不均，發(fā)生爆管事故；蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，鐵氧化物會在汽輪機(jī)葉片上沉積，降低汽輪機(jī)的工作效率，同時影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

除氧器的重要作用是除去鍋爐用水中的氧氣，以保證鍋爐和發(fā)電系統(tǒng)的金屬部件在高溫、高壓下不發(fā)生過度的氧化腐蝕，延長鍋爐和發(fā)電裝置的使用壽命。 因此，除氧器的運(yùn)行正常與否直接影響了鍋爐煤氣發(fā)電的效率高低，而除氧器安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是除氧器的液位自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。 本文針對天鋼聯(lián)合特鋼除氧器液位控制失效引發(fā)的非計劃停爐事故，結(jié)合除氧器工作原理，提出了液位控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造方案。

1 除氧方法及除氧器的分類

1.1 除氧方法分類

1.1.1 化學(xué)除氧法

化學(xué)除氧是在軟化水中加入聯(lián)氨，反應(yīng)方程式為：

由反應(yīng)方程式可以看出，化學(xué)除氧不會產(chǎn)生可溶性固體，且操作方便簡單。 但聯(lián)氨價格貴，造成除氧成本高，因此化學(xué)除氧只能作為除氧的輔助方法。

1.1.2 熱力除氧法

熱力除氧是根據(jù)亨利定律和道爾頓定律得出的。 亨利定律指出：當(dāng)液體和氣體處于同一平衡狀態(tài)時，在溫度一定的情況下，單位體積液體內(nèi)溶解的氣體量與液面上該氣體分壓力成正比。 道爾頓定律指出：混合氣體的全壓力等于各組分氣體分壓力之和。 因此，鍋爐給水表面混合氣體的全壓力等于各組分氣體分壓與蒸汽的分壓力之和。

當(dāng)增加混合氣體中水蒸氣的量時，就可以降低給水表面中氧氣的分壓力，當(dāng)給水達(dá)到飽和溫度時，水面上的蒸汽壓力接近于混合氣體的總壓力，不凝結(jié)氣體的分壓力接近于零，如此水中的氧氣會不斷的通過排氣管排出水面，達(dá)到給水除氧的目的。 熱力除氧效率高、運(yùn)行費(fèi)用低，是目前動力鍋爐給水除氧的主要方法[2]。

1.2 除氧器的分類及其結(jié)構(gòu)

1.2.1 除氧器的分類

（1）按照除氧器工作壓力不同分為：真空式除氧器、大氣式除氧器和高壓式除氧器。

（2）按照除氧器除氧方式不同分為：熱力除氧器、化學(xué)除氧器。

（3）按照水在除氧器散步形式不同分為：淋水盤除氧器、旋膜式除氧器、填料式除氧器、水膜式除氧器。

（4）根據(jù)有無氧塔：分為有塔除氧器、無塔除氧器。

目前天鋼聯(lián)合特鋼使用的除氧器為旋膜式有塔除氧器，是熱力除氧器的一種。

1.2.2 旋膜式除氧器結(jié)構(gòu)

目前天鋼聯(lián)合特鋼使用的旋膜式除氧器結(jié)構(gòu)上分為兩部分：除氧塔和除氧水箱。 除氧器工藝結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 除氧器工藝結(jié)構(gòu)布置圖

為保證除氧器的安全運(yùn)行：在除氧器本體上裝有檢測除氧器運(yùn)行的單室平衡容器3 套，除氧器左右各一個，后側(cè)面一個，用于實時監(jiān)測并遠(yuǎn)傳至監(jiān)控系統(tǒng)來實時顯示除氧器液位；在除氧器左右兩側(cè)安裝帶有數(shù)顯表的磁翻板式液位計2 套，用于就地顯示除氧器內(nèi)水位的高低，通過現(xiàn)場安裝的監(jiān)控攝像頭，將磁翻板液位計的實時值顯示在主控室的大屏幕上，可使操作人員直觀地監(jiān)控該水位并與平衡容器的水位做比較；在除氧器左右兩側(cè)安裝2 只壓力表，用于就地顯示除氧器內(nèi)壓力；在除氧器左右兩側(cè)安裝2 只雙金屬溫度計，就地顯示除氧器內(nèi)的溫度。

2 旋膜式除氧器的控制

除氧器運(yùn)行時控制變量為：壓力控制、液位控制。

2.1 壓力控制

除氧器運(yùn)行時，通過蒸汽管道上的蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器內(nèi)壓力，根據(jù)設(shè)定壓力值進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，使壓力保持在工作范圍內(nèi)。

2.2 液位控制

除氧器通過兩臺給水泵互備控制液位，除氧器液位控制系統(tǒng)工藝流程如圖2 所示。 其中一臺給水泵正常運(yùn)行，當(dāng)工況出現(xiàn)異常時，備泵投入使用。

（1）當(dāng)運(yùn)行水泵出現(xiàn)故障停止運(yùn)行時，投入備用泵，投入程序與平時的水泵備投程序一致。

（2）生產(chǎn)中除氧器內(nèi)部的機(jī)械浮球開關(guān)參與備泵啟停的控制。 當(dāng)浮球開關(guān)到達(dá)下限時，啟動備泵進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)浮球開關(guān)到達(dá)上限時停止備泵。

3 原除氧器液位控制問題及其優(yōu)化方案

3.1 原除氧器液位控制問題

傳統(tǒng)認(rèn)為機(jī)械開關(guān)信號穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響小。 因此，原除氧器為確保安全運(yùn)行，補(bǔ)水備用泵的控制使用了浮球開關(guān)信號，控制程序如圖3 所示。

圖3 原除氧器液位控制程序圖

浮球液位開關(guān)結(jié)構(gòu)主要基于浮力和靜磁場原理設(shè)計，由于浮力作用，浮球的位置是隨除氧器液位變化而變化。 浮球中的磁體和磁簧開關(guān)作用產(chǎn)生開關(guān)信號，用于控制補(bǔ)水備用泵啟停。 雖然磁浮開關(guān)信號穩(wěn)定，但宜受到環(huán)境影響，在高溫、高壓環(huán)境下，除氧器內(nèi)部安裝的機(jī)械式浮球開關(guān)在運(yùn)行一定時間后，就會顯現(xiàn)出它的弊端。

（1）浮球開關(guān)行程小，易導(dǎo)致備泵頻繁啟停，如遇除氧器液位波動時，也會引起備泵的啟停。

（2）由于浮球開關(guān)裝在除氧器內(nèi)部，在高溫高壓環(huán)境下，機(jī)械部位腐蝕比較嚴(yán)重，有誤動作現(xiàn)象。本文所述非計劃停爐事故，經(jīng)后期檢查確認(rèn)是由于浮球開關(guān)長期腐蝕導(dǎo)致下限位開關(guān)始終處于閉合狀態(tài)引起的。

（3）由于除氧器屬于壓力容器，檢修浮球開關(guān)存在蒸汽燙傷與有限空間作業(yè)的隱患。

（4）每次更換浮球開關(guān)需停爐，將除氧器卸壓、降溫后進(jìn)行，每次更換停爐時間大約在4～6 小時，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。

3.2 除氧器補(bǔ)水控制的優(yōu)化方案

為解決原除氧器液位控制的弊端，我們提出了兩種改造方案。

3.2.1 方案1

從原設(shè)計出發(fā)，在原來的磁翻板液位計數(shù)顯表上設(shè)置上下限報警值。 為保證除氧器液位滿足生產(chǎn)且不出現(xiàn)超高現(xiàn)象，將兩個數(shù)顯表的上限報警點串聯(lián)后作為備用補(bǔ)水泵的停止信號；將兩個數(shù)顯表下限信號并聯(lián)作為備用補(bǔ)水泵的啟動信號。 用數(shù)顯表上下限啟、停信號替換浮球開關(guān)信號，相應(yīng)的程序不用修改，僅在數(shù)顯表上用硬線進(jìn)行相應(yīng)的邏輯連接即可實現(xiàn)。

這是一個最原始也是最簡單的方案，但是由于中間增加了數(shù)顯表的設(shè)置，并通過硬線連接實現(xiàn)開關(guān)量的串并聯(lián)等，此方案造成中間回路接點偏多，在實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)的高可靠性的同時出現(xiàn)了高故障率的缺點。

3.2.2 方案2：

安全繼電器的工作原理。 安全繼電器由多了繼電器和控制回路組成，繼電器和控制回路之間相輔相成，互補(bǔ)彼此間的異常缺陷，達(dá)到正確低誤動作的完整功能，是一個安全回路中所必須的控制部分，一般都為雙通道信號控制，當(dāng)雙通道信號都正常時，安全繼電器工作，當(dāng)有一個不正常時安全繼電器就不能正常輸出。

受安全繼電器工作原理啟發(fā)，為實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的高可靠性和低故障率，在每個磁翻板液位計上安裝了兩個液位開關(guān)，即高位和低位開關(guān)。 將備用補(bǔ)水泵的啟、停由原來的浮球液位單點開關(guān)控制改為雙點開關(guān)串并聯(lián)控制，雙保險控制原則上避免了誤動作和拒動作現(xiàn)象的發(fā)生；在控制程序中做相應(yīng)的修改，新的控制程序如圖4 所示。 這一方案由于新安裝的開關(guān)在磁翻板液位計的磁桿上實施起來容易，工作量小，便于現(xiàn)場點巡檢和檢修，程序修改簡單，相較于第一個改造優(yōu)化方案，現(xiàn)場采取了第二種方案進(jìn)行改造。

圖4 優(yōu)化后除的氧器液位控制程序圖

4 結(jié)語

生產(chǎn)實踐證明，按方案二增加磁翻板液位計上下限開關(guān)控制后，鍋爐除氧器故障率明顯降低，鍋爐發(fā)電的效率和效益明顯提高，此次除氧器液位檢測與補(bǔ)水控制改造是成功的。

（1）將原來的機(jī)械式浮球開關(guān)拆除，既節(jié)省了更換浮球開關(guān)的成本，同時也節(jié)省了更換浮球開關(guān)的作業(yè)時間，提高了除氧器運(yùn)行的效率。

（2）磁翻板液位計開關(guān)壽命長，維護(hù)量小，出現(xiàn)問題時容易更換。

（3）補(bǔ)水泵啟停開關(guān)安裝在能夠?qū)崟r有大屏顯示數(shù)值的磁翻板液位計上，使操作人員控制更加直觀，補(bǔ)水泵啟停控制安全、穩(wěn)定，因除氧器液位異常引發(fā)的非計劃停機(jī)概率大大降低。