数据可视技术在1 000 MW机组高加水位波动分析中的应用

2022-04-22李峥磊刘建东杜洋洋

能源环境保护 2022年2期

徐科，韦康，唐桦，陈斌，李峥磊，刘建东，杜洋洋

(上海外高桥第三发电有限责任公司，上海 200137)

0 引言

回热系统是火电厂热力系统的核心，其运行可靠性和经济性直接影响整个机组的经济性[1-6]。加热器作为回热系统的主要设备，分为混合式(接触式)和表面式两类。在现代火电厂中，除氧器采用混合式加热器，高压加热器和低压加热器一般采用表面式加热器[7-8]。

1 给水系统介绍

上海外高桥第三发电有限责任公司#8机组于2008年6月投产，建设期间集成了众多创新技术，其中包括单列高压加热器布置、单台给水泵布置等技术，详见图1。

图1 给水系统图Fig.1 Diagram of feed water supply system

给水从除氧器出发，经过前置泵、给水泵升压后，依次经过六号高加、七号高加、八号高加，在这些高加内部给水被对应的抽汽加热，最终流向锅炉。

1.1 高加结构介绍

高加分水侧和汽侧两部分，水侧由受热面管束的管内部分和水室所组成，汽侧由加热器外壳及管束外表面空间组成。水侧介质为给水，其压力、温度参数为给水泵出口的参数；汽侧介质为抽汽以及其冷却产生的疏水，其压力、温度参数为抽汽运行参数，因此汽侧压力大大低于水侧压力。加热蒸汽进入汽侧后，在导流板引导下成S形均匀流经全部管束外表面进行放热，最后冷凝成疏水由加热器疏水口排出。

外三#8机组三台高加都采用U型管板式换热器，这种结构的换热器结构简单，外形尺寸小，水阻小。

1—筒体；2—管板；3—过热段包壳；4—过热段外包壳；5—不锈钢防冲板；6—导流板；7—支撑板；8—拉杆；9—防冲板；10—疏水段包壳；11—疏水段端板；12—疏水段入口；13—疏水出口；14—水室分隔板；15—人孔图2 高加结构示意图[1]Fig.2 Schematic diagram of HP Heater [1]

1.2 高加水位测量原理

外三高加采用单室平衡容器测量高加水位，差压计的测量值按图3为[9]：

Δp=ρ1gL-[ρ′gH+ρ″g(L-H)]

(1)

由此可计算得到高加水位H为：

(2)

Δp——高加水位的差压，Pa;

L——高加水位最大测量范围，m;

H——以最低水位为基准的高加水位高度，m；

ρ′、ρ″、ρ1——分别为高加内饱和水、饱和蒸汽和平衡容器内水的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

1—单室平衡容器；2—取压导管；3—差压计；4—高加图3 高加水位测量图Fig.3 The measuring principle of water level of HP Heater

1.3 高加水位控制

高加设备在运行中需要控制水位。水位过低，疏水无法淹没疏水段入口，此时饱和蒸汽将进入疏水段和管道，会造成疏水段和管道的振动，影响设备和系统的安全运行，也影响机组的经济性。水位过高，一方面造成换热管束的淹没，减少了饱和蒸汽和给水的换热面积；另外一方面也不利于汽轮机的防进水保护[10-17]。因此制造厂一般都会给出一个合理的水位运行区间。

2 #8机组六号高加水位波动缺陷

2.1 六号高加正常运行水位

根据制造厂提供的设计资料(图4)，将正常水位设置为0水位，按此设置，低水位为-38 mm，高Ⅰ水位为38 mm，高Ⅱ水位为88 mm，高Ⅲ水位为138 mm。

2.2 六号高加实际水位运行情况

图5为#8机组2021年7月4日至2021年7月6日期间的负荷和六号高加运行水位曲线。不难发现，高负荷阶段(800 MW以上)时六号高加水位控制比较正常，在+20 mm左右波动。但是当负荷降低至800 MW以下后，六号高加水位马上出现大幅波动情况(-50 mm～+100 mm)，严重影响设备的安全运行。

图4 六号高加水位设置图Fig.4 Level design of No.6 HP Heater

图5 2021年7月4日～7月6日期间六号高加水位随负荷波动曲线Fig.5 The level variation of No.6 HP Heater with loadduring 2021.07.04～2021.07.06

3 六号高加水位变化数据分析

汽机专业利用SIS系统汇总了2011～2020年的运行数据，通过Python的Pandas模块将这些运行数据按照年份切块及可视化处理[18]，找出水位变化的起始年份以及引起水位波动的原因。

3.1 六号高加水位波动的发生时间

根据2011～2020年六号高加水位变化(图6)，不难发现从2015年开始400 MW负荷阶段六号高加水位出现发散，从2017年开始加剧，而且年份越往后，发散程度越加剧。随着时间的往后，出现水位波动的负荷也逐渐增加，2017年时，发生水位波动的最大负荷约为650 MW，至2020年时，发生水位波动的最大负荷约为800 MW。

3.2 六号高加相关温度参数变化情况

进一步分析，由于六号高加水位只是在低负荷阶段呈现发散的情况，因此可以排除换热管泄漏，而且每次检修都会检查高加换热管的泄漏情况，一旦发现，都会及时封堵。

因此分析主要针对六号高加相关的进水温度、出水温度、疏水温度、七号高加疏水温度等参数展开。

3.2.1 六号高加疏水温度变化情况

结合这十年的运行数据(见图7)，从2013年开始六号高加疏水温度逐渐偏离其热平衡图对应的疏水温度曲线，并且在低负荷阶段逐渐靠近六号高加抽汽压力对应的饱和温度，也即意味着在低负荷阶段，疏水产生汽化现象，导致水位波动。

从2017年开始，六号高加疏水发生汽化的负荷段逐渐上升，这与图6中发生水位波动的最大负荷值逐渐上升相吻合。

图6 2011～2020年六号高加水位随负荷变化图Fig.6 The level variation of No.6 HP Heater with load between years 2011～2020

图7 2011～2020年六号高加相关温度参数随负荷变化图Fig.7 The related temperature changes of No.6 HP Heater with load between years 2011～2020

3.2.2 六号高加进水温度变化情况

结合图7和图8，不难发现从2013年开始，六号高加进水温度逐渐升高，至2019年时，六号高加进水温度平均值甚至超过热平衡图中对应的六号高加疏水温度(图8中蓝色曲线)，也即意味着进水温度平均值至少提高5.6 ℃(5.6 ℃为疏水温度与进水温度的设计端差)。

图8 2011～2020年六号高加进水温度参数随负荷变化图Fig.8 The inlet water temperature changes of No.6HP Heater with load between years 2011～2020

3.2.3 六号高加其他相关温度变化情况

六号高加出水温度、七号高加疏水温度、六号高加抽汽压力对应的饱和温度在2011～2020年中基本保持稳定。

3.2.4 六号高加水位波动原因分析

结合六号高加相关温度参数的分析，可以推断，六号高加进水温度升高是导致六号高加水位波动的主要原因。

六号高加进水温度升高后，在换热端差存在的情况下，六号高加疏水温度会不可避免地提高。特别是低负荷阶段，此时由于六号高加抽汽压力降低，其对应的饱和温度和六号高加疏水温度之间的差值明显减小，因此升高后的六号高加疏水温度更易接近甚至超过六号高加抽汽压力对应的饱和温度，引起疏水的汽化，产生虚假水位，并且降低了疏水阀的通流能力。一旦汽化完成，疏水又恢复过冷态后，六号高加水位也因为汽泡的挤出以及疏水阀通流能力的恢复，水位快速下降，由此造成六号高加水位的大幅波动。