劉文輝，蔣葉輝

（1.山西大學(xué)，山西太原030013；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

汽液兩相流液位控制器的改進(jìn)分析

劉文輝1，蔣葉輝2

（1.山西大學(xué)，山西太原030013；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

兩相流液位控制器是基于流體力學(xué)及汽液兩相流理論設(shè)計(jì)的，介紹了汽液兩相流液位控制器的工作原理以及控制器核心部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對其應(yīng)用于火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。工程應(yīng)用表明，該液位控制器結(jié)構(gòu)簡單，自調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，在節(jié)約能源的同時(shí)提高了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。

兩相流；液位調(diào)節(jié)；加熱器；經(jīng)濟(jì)性

0　引言

在電力、化工和石油等工業(yè)生產(chǎn)和過程控制中，很多情況下都需要在壓力容器內(nèi)有進(jìn)水或凝結(jié)水和有出水并且還有氣體存在時(shí)，維持容器內(nèi)液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。常規(guī)的電動(dòng)式、氣動(dòng)式液位控制裝置，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁，普遍存在各種問題，例如在火電廠中加熱器疏水調(diào)節(jié)裝置故障引起加熱器水位過高或過低，使回?zé)峒訜崞鞯目煽啃圆睿瑖?yán)重影響設(shè)備和系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]；在氨水生產(chǎn)過程中，氨水導(dǎo)致水位控制裝置產(chǎn)生腐蝕、泄露的情況十分突出。針對這些問題，根據(jù)汽液兩相自平衡原理設(shè)計(jì)出兩相流液位控制器，該控制器利用汽液兩相自平衡原理和液位控制理論實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制[2，3]。

1　兩相流液位控制器的原理和特點(diǎn)

兩相流液位控制器是基于流體力學(xué)及汽液兩相流理論設(shè)計(jì)的，不需外力驅(qū)動(dòng)。該控制器動(dòng)力源來自所需控制容器內(nèi)的蒸汽（氣），由于汽液比容相差很大，作為動(dòng)力源的蒸汽量需求很少[4]。工業(yè)生產(chǎn)過程中，汽液共存且需要維持液位穩(wěn)定的容器大都滿足兩相流液位控制器的應(yīng)用。以火電廠加熱器系統(tǒng)為例，兩相流液位控制系統(tǒng)如圖1所示。

其工作原理是，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增大時(shí)，加熱器內(nèi)水位升高，傳感器感知水位過高的信號，此時(shí)進(jìn)入傳感器的調(diào)節(jié)汽量減少，在調(diào)節(jié)器通流面積不變的情況下，調(diào)節(jié)汽量減少導(dǎo)致加熱器疏水管路流量增大，加熱器總疏水量增大，加熱器內(nèi)水位回落；反之，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷減小時(shí)，傳感器感知水位過低的信號，傳感器內(nèi)調(diào)節(jié)汽量增加，而通過閘板閥的疏水量卻減少，加熱器總疏水量減小，加熱器水位回升。如此往復(fù)直到加熱器內(nèi)水位達(dá)到新的平衡，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器內(nèi)水位的目的[3]。

與常規(guī)的水位控制裝置相比，兩相流自調(diào)節(jié)液位控制器有如下特點(diǎn)：水位調(diào)節(jié)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)水位的自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，在機(jī)組50%-100%負(fù)荷內(nèi)滿足加熱器水位的控制；整個(gè)液位控制系統(tǒng)無活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠；易于安裝，降低檢修工作量；防磨防腐蝕性能好[5,6]。

2　汽液兩相流液位控制器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論研究，汽液兩相流液位控制器主要對傳感器結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)以及汽液混合器混合腔長度進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

汽液兩相流液位控制器早期通過信號管感知加熱器內(nèi)水位信號，信號管上下兩部分與加熱器內(nèi)汽空間和水空間聯(lián)通，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)加熱器水位經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)偏差，經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，傳感器感知的水位信號與加熱器實(shí)際水位信號存在差異，其本質(zhì)原因是蒸汽和水通過信號管時(shí)壓損不同。后來將水位傳感器由外置式改進(jìn)為內(nèi)置式，信號管直接伸入加熱器內(nèi)，如圖2b）所示。

內(nèi)置式傳感器解決了水位信號失真問題，提高了液位控制器的調(diào)節(jié)精度，近幾年應(yīng)用的兩相流液位控制器多采用內(nèi)置式傳感器[7]。

2.2調(diào)節(jié)器裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

調(diào)節(jié)器作為兩相流液位控制器的核心部件，控制著裝置的疏水量和疏汽量，對液位穩(wěn)定性和最大調(diào)節(jié)負(fù)荷起關(guān)鍵作用。調(diào)節(jié)器的核心部件是文丘里管，與普通文丘里管不同的是，其喉部開有若干圓孔，作為調(diào)節(jié)器的通道。隨著兩相流液位控制器的現(xiàn)場應(yīng)用，剛開始調(diào)節(jié)器能很好的維持液位，但經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)液位調(diào)節(jié)器不能準(zhǔn)確的維持液位。對現(xiàn)場調(diào)節(jié)器分析發(fā)現(xiàn)，隨著調(diào)節(jié)汽長時(shí)間沖刷，進(jìn)汽孔直徑不斷增大，導(dǎo)致液位調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差。經(jīng)研究，將調(diào)節(jié)器混合腔結(jié)構(gòu)改為“前置孔板+漸縮噴嘴”的型式，汽液兩種流體直接在混合腔內(nèi)混合，調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖3所示。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)避免了調(diào)節(jié)汽的沖刷，改善了調(diào)節(jié)器長時(shí)間維持液位穩(wěn)定的特性，此外調(diào)節(jié)器孔板和噴嘴都采用標(biāo)準(zhǔn)件，降低了調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)成本，延長了調(diào)節(jié)器的使用壽命。

2.3調(diào)節(jié)器混合腔長度的改進(jìn)

在現(xiàn)場應(yīng)用的兩相流液位控制的噴嘴和孔板處于一個(gè)封閉的混合腔內(nèi)，這樣的好處就調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，無泄漏。隨著兩相流液位控制器的廣泛應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場安裝時(shí)有局限性，因此將孔板和噴嘴從混合腔中分離出來，發(fā)現(xiàn)液位控制器仍然能有效的調(diào)節(jié)水位，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

與原結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)后的液位控制器可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的需要靈活安裝調(diào)節(jié)器。

3　經(jīng)濟(jì)性分析

加熱器低（無）水位運(yùn)行時(shí)由于串汽使疏水管道內(nèi)為汽液兩相流動(dòng)，此時(shí)蒸汽比容增大導(dǎo)致汽水混合物流動(dòng)阻力增加，汽泡很可能阻塞疏水管道，加熱器的蒸汽隨疏水流向下一級加熱器，其串汽份額為。根據(jù)排擠下一級加熱器抽汽程度，可分為排擠部分下一級抽汽，排擠全部下一級抽汽，排擠更遠(yuǎn)一級加熱器抽汽三種情況。排擠抽汽雖然蒸汽熱量和工質(zhì)沒有出系統(tǒng)，沒有直觀的熱量損失，但是蒸汽的能量品位卻發(fā)生貶值，使熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性降低[8]。

對于圖5所示的加熱器熱力系統(tǒng)，份額的蒸汽排擠Noj-1級抽汽，系統(tǒng)新蒸汽損失的功為：

式中ΔH—新蒸汽損失的功，kJ/kg；

hj—Noj加熱器抽汽焓，kJ/kg；

hj-1—Noj-1加熱器抽汽焓，kJ/kg；

αc—Noj加熱器串汽份額；

hn—汽輪機(jī)低壓缸排氣焓，kJ/kg，

ηj-1—Noj-1加熱器抽汽效率。系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的相對變化：

式中δηi—系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性變化值；

H—熱力系統(tǒng)新蒸汽的等效焓降，kJ/kg。

需要指出的是，加熱器串汽排擠的是再熱抽汽時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組再熱份額發(fā)生改變，從而影響蒸汽的循環(huán)吸熱量，計(jì)算應(yīng)加以考慮。

其他熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為[9]：熱耗率的變化

式中Δq—機(jī)組熱耗變化值，kJ/（kW·h）；

q—機(jī)組熱耗，kJ/（kW·h）。標(biāo)準(zhǔn)煤耗的變化

式中Δb—機(jī)組煤耗變化值，g/（kW·h）；

b—機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/（kW·h）。根據(jù)以上公式可計(jì)算出某國產(chǎn)600MW機(jī)組加熱器在不同串汽份額時(shí)機(jī)組的做功能力損失，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性相對變化值以及煤耗的變化。機(jī)組主要計(jì)算參數(shù)見文獻(xiàn)[9]。

從表1中的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，隨著加熱器串汽份額的增加，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性越來越低，煤耗不斷增加，同時(shí)排擠高能級抽汽對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響更大。兩相流液位控制器能有效維持加熱器水位，使加熱器安全經(jīng)濟(jì)工作。

表1　加熱器無水位運(yùn)行對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響

4　結(jié)語

兩相流液位控制器作為一種自力式液位調(diào)節(jié)器，根據(jù)汽液兩相流原理自動(dòng)維持容器液位的穩(wěn)定，相比其他傳統(tǒng)液位調(diào)節(jié)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，無泄漏，無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，通過對傳感器和調(diào)節(jié)器等核心部件的改進(jìn)使該液位調(diào)解器的調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確有效，同時(shí)延長了使用壽命。兩相流液位控制器在火力發(fā)電廠高低加疏水系統(tǒng)的應(yīng)用能有效提高回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。隨著該液位控制器在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，對各生產(chǎn)單位提高經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保產(chǎn)生積極的意義。

[1]董衛(wèi)國，需則明.火電廠給水加熱器的運(yùn)行維護(hù)和檢修[M].北京：中國電力出版社，1997．

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[9]葉濤.熱力發(fā)電廠[M].北京：中國電力出版社，2012.

Im provem ent of Liquid Level Controller with Vapor-liquid Two-phase Flow Principle

LIU Wen-hui1，JIANG Ye-hui2
（1.ShanxiUniversity，Taiyuan 030013，China；2.Huadian Electric Power Research Institue，Hangzhou 310030，China）

A new liquid levelcontroller isdesiged based on fluidmechanicsand theory of two-phase flow.In thispaper,thepriciple oftwo-phase levelcontroller isintroduced and the improvement of the structure ofthecontroller'scorecomponent.The conomic of the regenerative system in thermal power plantwhich used the controller is analysed.Engineering application shows that the controlled which has simple structure and excellent self-adjusting ablility can save energy and improve theeconomic efficiency of theequipmentaswell.

two-phase flow；liqiud level control；heater；economical efficiency

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.008

TM571

B

2095-3429（2016）05-0032-04

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（MD2014-03）

劉文輝（1987-），男，山西呂梁人，碩士，主要從事電廠節(jié)能改造及熱力系統(tǒng)研究工作。

2016-09-23

2016-10-08