超超临界机组高压加热器水位补偿研究

曾海波，龚自力，肖 波

（国电汉川发电有限公司，湖北 汉川 431614）

0 引言

随着热力发电机组容量的不断增大，高压加热器（简称高加）的抽汽压力也随之提高，水位的控制是加热器能否保持最佳状态的重要因素之一，采用传统的单室平衡容器配差压变送器直接测量高加水位已无法满足准确性要求。水位过低会使疏水冷却段进口露出水面，蒸汽进入下一级加热器，加热器性能恶化，下端差增大，同时在疏水冷却段进口处和疏水端内对管束形成冲蚀。水位过高部分管子将浸没在水中，减小有效传热面积，加热器出口温度降低，上端差增大，加热器性能下降[1]。因此高加的水位控制在运行中非常重要，要实现有效控制先要准确测量水位。以下研究了某台百万超超临界燃煤机组的高加水位测量装置的结构、工作原理、误差来源及补偿方法。

1 水位测量装置实例

该机组采用东方电气集团生产的带外置式蒸汽冷却器的单列卧式高加[2]，每台高加配置3套水位测量装置，安装位于高加蒸汽凝结段，测量装置包括单室平衡容器和差压变送器[3]。工作原理如图1所示。

图1中，高加汽侧水平取样管口接至平衡容器水平引出管，差压变送器正压侧接至平衡容器垂直引出管，高加水侧水平取样管口接至差压变送器负压侧，差压变送器采用低一运转平台安装布置。高加运行后蒸汽不断进入平衡容器而被冷凝成水，多余的凝结水经连通管回到高加。最终形成同汽侧取样口等高的水柱并保持不变，高加内水位的变化转变为差压变送器的不同差压，差压经变换后得出高加水位。连通管使取样管和连通器中的介质具有一定的流动性，可以防止冬季取样管冻结[4]。依据DRZ/T 01-2004《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》中要求，对汽水侧取样管、取样阀门及连通管良好保温，平衡容器及容器下部形成参比水柱的管道不保温。

2 水位测量误差分析

2.1 工程中采用的计算方法

以1号高加为例进行定量分析，1号高加在TRL（铭牌工况）工况下抽汽压力为8.0 MPa（此处除特殊说明外所有压力数值均为表压力），参比水柱高度 L=1.4 m，差压变送器量程 R=（0～14）kPa。实际工程中计算未考虑压力及温度对密度的影响，简单的采用水位计算公式为：

式中：ΔP为变送器测的差压；ρ1为水的标准密度；g为重力加速度；L为参比水柱高度（平衡容器液面与水侧取样管口的中心距离）；H为高加水位。

由式（1）推导出实际工程中计算高加水位H：

2.2 理论水位计算方法

高压加热器属于无调节型抽汽加热器，工作压力及温度随负荷变化较大，由于蒸汽和水的密度受压力及温度的影响大，差压变送器正负压侧液体密度不同是计算中必须考虑的参数，理论水位计算公式为：

式中：p+为差压变送器正压侧压力；p-为差压变送器负压侧压力；ρa为参比水柱下部温度稳定区密度；m为参比水柱上部温度过渡区长度；ρav为参比水柱上部温度过渡区平均密度；ρs为饱和蒸汽密度；ρw为饱和水密度。

由式（3）推导出理论计算高加水位H为：

2.3 重力加速度取值的影响

常用的重力加速度实际是标准重力加速度，它是在北纬45°海平面处的重力加速度的惯用值[5]。在同一地区的同一高度，任何物体的重力加速度都是相同的，它随着纬度和海拔高度变化而变化。工程应用中为了计算方便常常取g=10 m/s2，而该工程当地重力加速度为9.793 6 m/s2。依据式（2）取点计算得出如图2所示不同重力加速度的取值对水位测量的影响，最大水位偏差达29.5 mm。

图2 不同重力加速度的取值对水位计算的影响

2.4 抽汽压力的影响

当抽汽压力变化时，饱和水密度与饱和蒸汽密度随之变化，引起差压变送器负压侧压力变化[6]。通过查找水和水蒸汽性质表得出表1所列不同压力下饱和水密度及饱和蒸汽密度；依据式（4）取点计算得出如图3所示不同压力对水位测量的影响，压力越大时，压力对水位的修正越大。

2.5 环境温度的影响

参比水柱密度是影响水位测量的因素之一[7]，而参比水柱下部温度稳定区密度ρa主要受环境温度的影响，不同环境温度有不同密度。通过查找水和水蒸汽性质表得出表2所列不同压力不同环境温度下参比水柱下部温度稳定区密度；依据式（2）和式（4）取点计算得出如图4所示抽汽压力为8 MPa时，不同环境温度对水位测量的影响。

表1 不同压力下饱和水密度与饱和蒸汽密度参数

图3 不同压力对水位测量的影响

表2 不同压力不同温度下参比水柱下部温度稳定区密度参数kg/m3

2.6 m值的影响

参比水柱上部温度过渡区的长度与实际工程中采用的冷凝器形状大小及环境温度有关。对3台高加采用测温枪从平衡容器上取样口向下每隔50 mm进行测温，测量数据见表3，数据表明本机组各高加m值不同，但过渡区内密度近似线性化分布，因此采用起点和终点密度的平均值作为参比水柱上部温度过渡区平均密度。依据式（4）取点计算得出抽汽压力为8 MPa，环境温度为30℃时，不同m值对水位测量的影响，见图5。

图4 不同环境温度对水位测量的影响

图5 不同m值对水位测量的影响

3 建立水位补偿单元

3.1 m修正值及水位补偿组态

将式（4）中（ρa－ρav）gm 部分视为 m 值对水位的修正，取参比水柱上部温度过渡区起点和终点密度的平均值作为参比水柱上部温度过渡区平均密度ρav，m值修正公式为：

式中：f为m修正值；ρv为参比水柱最上部密度。

依据式（5）建立图6所示基于国电智深EDPFNT+控制系统的m修正值逻辑组态，图中温降值、环境温度、重力加速度和m值大小根据实际运行环境设定。依据式（4）建立图7所示的水位补偿单元组态。

表3 高加参比水柱上部温度过渡区参数

图6 m修正值逻辑组态示意

图7 水位补偿单元逻辑组态示意

3.2 工程应用实例

将上述补偿组态应用到工程实际中，采集机组在TRL（铭牌工况）下的高加水位，建立如表4所示的3台高加水位补偿前后偏差比较。从表中可以看出，无补偿时测量值比实际水位偏低60～80 mm，当加入补偿组态后测量值和实际水位基本无偏差，可见该补偿计算方法可行，能真实反映出加热器中实际水位。

表4 高加水位补偿前后偏差比较

4 结语

以上分析得出重力加速度取值、抽汽压力、环境温度和参比水柱上部温度过渡区的长度都是影响水位测量准确性的因素。在不改变测量方式的情况下，通过基于控制系统逻辑组态的办法减小或消除以上因素的影响。该补偿方法对其他单室平衡容器的水位测量中具有一定的参考意义。

参考文献：

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[2]周波，张志挺，武云鹏.新型外置蒸汽冷却器在1 000 MW 机组的应用[J].浙江电力，2016，35（6）∶33-37.

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[4]吴业飞，时敏.双室平衡容器汽包水位测量及其补偿系统的应用[J].自动化仪表，2004，25（7）∶33-37.

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[10]鲁松林，代家元，周春蕾，等.基于积分制的燃煤机组节能减排综合绩效评估方法与应用[J].江苏电机工程，2016，35（5）∶90-93.