汽液兩相流液位控制器的改進(jìn)分析

在電力、化工和石油等工業(yè)生產(chǎn)和過(guò)程控制中，很多情況下都需要在壓力容器內有進(jìn)水或凝結水和有出水并且還有氣體存在時(shí)，維持容器內液位穩定在一定范圍內。常規的電動(dòng)式、氣動(dòng)式液位控制裝置，由于執行機構動(dòng)作頻繁，普遍存在各種問(wèn)題，例如在火電廠(chǎng)中加熱器疏水調節裝置故障引起加熱器水位過(guò)高或過(guò)低，使回熱加熱器的可靠性差，嚴重影響設備和系統的安全性和經(jīng)濟性；在氨水生產(chǎn)過(guò)程中，氨水導致水位控制裝置產(chǎn)生腐蝕、泄露的情況十分突出。針對這些問(wèn)題，根據汽液兩相自平衡原理設計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)現液位自動(dòng)控制。
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計的，不需外力驅動(dòng)。該控制器動(dòng)力源來(lái)自所需控制容器內的蒸汽（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。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，汽液共存且需要維持液位穩定的容器大都滿(mǎn)足兩相流液位控制器的應用。以火電廠(chǎng)加熱器系統為例，兩相流液位控制系統如圖1所示。

圖1 兩相流液位控制器與加熱器的連接系統圖

1-加熱器2-傳感器3-閘板閥4-調節器5-旁路閥

其工作原理是，當機組負荷增大時(shí)，加熱器內水位升高，傳感器感知水位過(guò)高的信號，此時(shí)進(jìn)入傳感器的調節汽量減少，在調節器通流面積不變的情況下，調節汽量減少導致加熱器疏水管路流量增大，加熱器總疏水量增大，加熱器內水位回落；反之，當機組負荷減小時(shí)，傳感器感知水位過(guò)低的信號，傳感器內調節汽量增加，而通過(guò)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。如此往復直到加熱器內水位達到新的平衡，從而達到自動(dòng)調節加熱器內水位的目的。
與常規的水位控制裝置相比，兩相流自調節液位控制器有如下特點(diǎn)：水位調節穩定，能夠實(shí)現水位的自動(dòng)連續調節，調節能力強，在機組50%-100%負荷內滿(mǎn)足加熱器水位的控制；整個(gè)液位控制系統無(wú)活動(dòng)部件，結構簡(jiǎn)單可靠；易于安裝，降低檢修工作量；防磨防腐蝕性能好。
2 汽液兩相流液位控制器的結構改進(jìn)
通過(guò)現場(chǎng)實(shí)際運行經(jīng)驗和理論研究，汽液兩相流液位控制器主要對傳感器結構、調節器結構以及汽液混合器混合腔長(cháng)度進(jìn)行了改進(jìn)。
2.1傳感器結構的改進(jìn)
汽液兩相流液位控制器早期通過(guò)信號管感知加熱器內水位信號，信號管上下兩部分與加熱器內汽空間和水空間聯(lián)通，在實(shí)際運行中發(fā)現加熱器水位經(jīng)常出現調節偏差，經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗研究發(fā)現，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(guò)信號管時(shí)壓損不同。后來(lái)將水位傳感器由外置式改進(jìn)為內置式，信號管直接伸入加熱器內，如圖2b）所示。

圖2 水位信號傳感器改進(jìn)示意圖

a）外置式傳感器b）內置式傳感器

內置式傳感器解決了水位信號失真問(wèn)題，提高了液位控制器的調節精度，近幾年應用的兩相流液位控制器多采用內置式傳感器。
2.2調節器裝置結構的改進(jìn)
調節器作為兩相流液位控制器的核心部件，控制著(zhù)裝置的疏水量和疏汽量，對液位穩定性和大調節負荷起關(guān)鍵作用。調節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(kāi)有若干圓孔，作為調節器的通道。隨著(zhù)兩相流液位控制器的現場(chǎng)應用，剛開(kāi)始調節器能很好的維持液位，但經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間運行后，發(fā)現液位調節器不能準確的維持液位。對現場(chǎng)調節器分析發(fā)現，隨著(zhù)調節汽長(cháng)時(shí)間沖刷，進(jìn)汽孔直徑不斷增大，導致液位調節出現偏差。經(jīng)研究，將調節器混合腔結構改為“前置孔板+漸縮噴嘴”的型式，汽液兩種流體直接在混合腔內混合，調節器結構改進(jìn)如圖3所示。
改進(jìn)后的結構避免了調節汽的沖刷，改善了調節器長(cháng)時(shí)間維持液位穩定的特性，此外調節器孔板和噴嘴都采用標準件，降低了調節器的生產(chǎn)成本，延長(cháng)了調節器的使用壽命。

圖3 調節器結構變化圖

a）改進(jìn)前b）改進(jìn)后

2.3調節器混合腔長(cháng)度的改進(jìn)
在現場(chǎng)應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，這樣的好處就調節器結構簡(jiǎn)單，無(wú)泄漏。隨著(zhù)兩相流液位控制器的廣泛應用，發(fā)現這種結構在現場(chǎng)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(lái)，發(fā)現液位控制器仍然能有效的調節水位，其結構如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的兩相流液位控制器

1- 加熱器2- 傳感器3- 孔板4- 噴嘴5- 閘板閥6- 旁路閥

與原結構相比，改進(jìn)后的液位控制器可以根據現場(chǎng)實(shí)際的需要靈活安裝調節器。
3 經(jīng)濟性分析
加熱器低（無(wú)）水位運行時(shí)由于串汽使疏水管道內為汽液兩相流動(dòng)，此時(shí)蒸汽比容增大導致汽水混合物流動(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(méi)有出系統，沒(méi)有直觀(guān)的熱量損失，但是蒸汽的能量品位卻發(fā)生貶值，使熱力系統熱經(jīng)濟性降低。
對于圖5所示的加熱器熱力系統，份額的蒸汽排擠Noj-1級抽汽，系統新蒸汽損失的功為：
ΔH=αc（hj-hn）-αc[（hj-hj-1）ηj-1]+（hj-1-hn）（1）
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—汽輪機低壓缸排氣焓，kJ/kg，
ηj-1—Noj-1加熱器抽汽效率。
系統熱經(jīng)濟性的相對變化：
δηi=-ΔH
H-ΔH×100%（2）
式中δηi—系統經(jīng)濟性變化值；
H—熱力系統新蒸汽的等效焓降，kJ/kg。

圖5 加熱器局部熱力系統圖
需要指出的是，加熱器串汽排擠的是再熱抽汽時(shí)，會(huì )導致整個(gè)機組再熱份額發(fā)生改變，從而影響蒸汽的循環(huán)吸熱量，計算應加以考慮。
其他熱經(jīng)濟指標為：
熱耗率的變化
Δq=-q·δηi（3）
式中Δq—機組熱耗變化值，kJ/（kW·h）；
q—機組熱耗，kJ/（kW·h）。
標準煤耗的變化
Δb=-b·δηi（4）
式中Δb—機組煤耗變化值，g/（kW·h）；
b—機組發(fā)電標準煤耗，g/（kW·h）。
根據以上公式可計算出某國產(chǎn)600MW機組加熱器在不同串汽份額時(shí)機組的做功能力損失，系統經(jīng)濟性相對變化值以及煤耗的變化。機組主要計算參數見(jiàn)文獻。
從表1中的計算數據可知，隨著(zhù)加熱器串汽份額的增加，機組經(jīng)濟性越來(lái)越低，煤耗不斷增加，同時(shí)排擠高能級抽汽對機組經(jīng)濟性影響更大。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)濟工作。

表1 加熱器無(wú)水位運行對機組經(jīng)濟性指標的影響
4 結語(yǔ)
兩相流液位控制器作為一種自力式液位調節器，根據汽液兩相流原理自動(dòng)維持容器液位的穩定，相比其他傳統液位調節裝置，具有結構簡(jiǎn)單，無(wú)泄漏，無(wú)運動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運行過(guò)程中，通過(guò)對傳感器和調節器等核心部件的改進(jìn)使該液位調解器的調節更加準確有效，同時(shí)延長(cháng)了使用壽命。兩相流液位控制器在火力發(fā)電廠(chǎng)高低加疏水系統的應用能有效提高回熱系統的經(jīng)濟性和安全性。隨著(zhù)該液位控制器在工程實(shí)際中的廣泛應用，對各生產(chǎn)單位提高經(jīng)濟效益實(shí)現低碳環(huán)保產(chǎn)生積極的意義。