數據可視技術在1 000 MW機組高加水位波動分析中的應用

徐 科，韋 康，唐 樺，陳 斌，李崢磊，劉建東，杜洋洋

(上海外高橋第三發電有限責任公司，上海 200137)

0 引 言

回熱系統是火電廠熱力系統的核心，其運行可靠性和經濟性直接影響整個機組的經濟性[1-6]。加熱器作為回熱系統的主要設備，分為混合式(接觸式)和表面式兩類。在現代火電廠中，除氧器采用混合式加熱器，高壓加熱器和低壓加熱器一般采用表面式加熱器[7-8]。

1 給水系統介紹

上海外高橋第三發電有限責任公司#8機組于2008年6月投產，建設期間集成了眾多創新技術，其中包括單列高壓加熱器布置、單臺給水泵布置等技術，詳見圖1。

圖1 給水系統圖Fig.1 Diagram of feed water supply system

給水從除氧器出發，經過前置泵、給水泵升壓后，依次經過六號高加、七號高加、八號高加，在這些高加內部給水被對應的抽汽加熱，最終流向鍋爐。

1.1 高加結構介紹

高加分水側和汽側兩部分，水側由受熱面管束的管內部分和水室所組成，汽側由加熱器外殼及管束外表面空間組成。水側介質為給水，其壓力、溫度參數為給水泵出口的參數；汽側介質為抽汽以及其冷卻產生的疏水，其壓力、溫度參數為抽汽運行參數，因此汽側壓力大大低于水側壓力。加熱蒸汽進入汽側后，在導流板引導下成S形均勻流經全部管束外表面進行放熱，最后冷凝成疏水由加熱器疏水口排出。

外三#8機組三臺高加都采用U型管板式換熱器，這種結構的換熱器結構簡單，外形尺寸小，水阻小。

1—筒體；2—管板；3—過熱段包殼；4—過熱段外包殼；5—不銹鋼防沖板；6—導流板；7—支撐板；8—拉桿；9—防沖板；10—疏水段包殼；11—疏水段端板；12—疏水段入口；13—疏水出口；14—水室分隔板；15—人孔圖2 高加結構示意圖[1]Fig.2 Schematic diagram of HP Heater [1]

1.2 高加水位測量原理

外三高加采用單室平衡容器測量高加水位，差壓計的測量值按圖3為[9]：

Δp=ρ1gL-[ρ′gH+ρ″g(L-H)]

(1)

由此可計算得到高加水位H為：

(2)

Δp——高加水位的差壓，Pa;

L——高加水位最大測量范圍，m;

H——以最低水位為基準的高加水位高度，m；

ρ′、ρ″、ρ1——分別為高加內飽和水、飽和蒸汽和平衡容器內水的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

1—單室平衡容器；2—取壓導管；3—差壓計；4—高加圖3 高加水位測量圖Fig.3 The measuring principle of water level of HP Heater

1.3 高加水位控制

高加設備在運行中需要控制水位。水位過低，疏水無法淹沒疏水段入口，此時飽和蒸汽將進入疏水段和管道，會造成疏水段和管道的振動，影響設備和系統的安全運行，也影響機組的經濟性。水位過高，一方面造成換熱管束的淹沒，減少了飽和蒸汽和給水的換熱面積；另外一方面也不利于汽輪機的防進水保護[10-17]。因此制造廠一般都會給出一個合理的水位運行區間。

2 #8機組六號高加水位波動缺陷

2.1 六號高加正常運行水位

根據制造廠提供的設計資料(圖4)，將正常水位設置為0水位，按此設置，低水位為-38 mm，高Ⅰ水位為38 mm，高Ⅱ水位為88 mm，高Ⅲ水位為138 mm。

2.2 六號高加實際水位運行情況

圖5為#8機組2021年7月4日至2021年7月6日期間的負荷和六號高加運行水位曲線。不難發現，高負荷階段(800 MW以上)時六號高加水位控制比較正常，在+20 mm左右波動。但是當負荷降低至800 MW以下后，六號高加水位馬上出現大幅波動情況(-50 mm～+100 mm)，嚴重影響設備的安全運行。

圖4 六號高加水位設置圖Fig.4 Level design of No.6 HP Heater

圖5 2021年7月4日～7月6日期間六號高加水位隨負荷波動曲線Fig.5 The level variation of No.6 HP Heater with loadduring 2021.07.04～2021.07.06

3 六號高加水位變化數據分析

汽機專業利用SIS系統匯總了2011～2020年的運行數據，通過Python的Pandas模塊將這些運行數據按照年份切塊及可視化處理[18]，找出水位變化的起始年份以及引起水位波動的原因。

3.1 六號高加水位波動的發生時間

根據2011～2020年六號高加水位變化(圖6)，不難發現從2015年開始400 MW負荷階段六號高加水位出現發散，從2017年開始加劇，而且年份越往后，發散程度越加劇。隨著時間的往后，出現水位波動的負荷也逐漸增加，2017年時，發生水位波動的最大負荷約為650 MW，至2020年時，發生水位波動的最大負荷約為800 MW。

3.2 六號高加相關溫度參數變化情況

進一步分析，由于六號高加水位只是在低負荷階段呈現發散的情況，因此可以排除換熱管泄漏，而且每次檢修都會檢查高加換熱管的泄漏情況，一旦發現，都會及時封堵。

因此分析主要針對六號高加相關的進水溫度、出水溫度、疏水溫度、七號高加疏水溫度等參數展開。

3.2.1 六號高加疏水溫度變化情況

結合這十年的運行數據(見圖7)，從2013年開始六號高加疏水溫度逐漸偏離其熱平衡圖對應的疏水溫度曲線，并且在低負荷階段逐漸靠近六號高加抽汽壓力對應的飽和溫度，也即意味著在低負荷階段，疏水產生汽化現象，導致水位波動。

從2017年開始，六號高加疏水發生汽化的負荷段逐漸上升，這與圖6中發生水位波動的最大負荷值逐漸上升相吻合。

圖6 2011～2020年六號高加水位隨負荷變化圖Fig.6 The level variation of No.6 HP Heater with load between years 2011～2020

圖7 2011～2020年六號高加相關溫度參數隨負荷變化圖Fig.7 The related temperature changes of No.6 HP Heater with load between years 2011～2020

3.2.2 六號高加進水溫度變化情況

結合圖7和圖8，不難發現從2013年開始，六號高加進水溫度逐漸升高，至2019年時，六號高加進水溫度平均值甚至超過熱平衡圖中對應的六號高加疏水溫度(圖8中藍色曲線)，也即意味著進水溫度平均值至少提高5.6 ℃(5.6 ℃為疏水溫度與進水溫度的設計端差)。

圖8 2011～2020年六號高加進水溫度參數隨負荷變化圖Fig.8 The inlet water temperature changes of No.6HP Heater with load between years 2011～2020

3.2.3 六號高加其他相關溫度變化情況

六號高加出水溫度、七號高加疏水溫度、六號高加抽汽壓力對應的飽和溫度在2011～2020年中基本保持穩定。

3.2.4 六號高加水位波動原因分析

結合六號高加相關溫度參數的分析，可以推斷，六號高加進水溫度升高是導致六號高加水位波動的主要原因。

六號高加進水溫度升高后，在換熱端差存在的情況下，六號高加疏水溫度會不可避免地提高。特別是低負荷階段，此時由于六號高加抽汽壓力降低，其對應的飽和溫度和六號高加疏水溫度之間的差值明顯減小，因此升高后的六號高加疏水溫度更易接近甚至超過六號高加抽汽壓力對應的飽和溫度，引起疏水的汽化，產生虛假水位，并且降低了疏水閥的通流能力。一旦汽化完成，疏水又恢復過冷態后，六號高加水位也因為汽泡的擠出以及疏水閥通流能力的恢復，水位快速下降，由此造成六號高加水位的大幅波動。

4 #8機組六號高加水位波動解決措施

通過前面分析，解決六號高加水位的波動主要是降低六號高加的進水溫度。因此相應措施圍繞如何降低六號高加的進水溫度展開。

進一步檢查分析發現，在此前進行的提高熱力系統經濟性的改造中，曾為給水泵入口側增加了一路熱源。經與現場運行人員的溝通，于2021年7月8日下午13：00左右開始，減少了該路熱源的注入量。經過幾天的運行發現，低負荷階段六號高加水位的波動情況得到了明顯的改善，見圖9。

圖9 2021年7月7日～7月12日六號高加水位隨負荷波動曲線Fig.9 The level variation of No.6 HP Heater withload during 2021.07.07～2021.07.12

5 結 論

通過利用Python的Pandas模塊將10年的運行數據進行分組及可視化，分析六號高加水位以及六號高加相關溫度參數的變化趨勢，找出了引起六號高加水位變動的原因。

六號高加水位波動的直接原因是六號高加疏水汽化引起的。在部分負荷工況，六號高加疏水溫度超過六號高加抽汽壓力對應的飽和溫度，產生汽化現象。

六號高加疏水溫度升高是由于六號高加進水溫度升高引起的。因此六號高加進水溫度升高是導致六號高加水位波動的主要原因。

給水泵入口熱源的引入是導致六號高加進水溫度升高的直接原因。因此在今后的技改實施中，要評估相關熱源對于高加進水溫度和疏水溫度的影響。