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真空除氧器工作原理及水位測量異常分析
真空除氧器工作原理及水位測量異常分析,從電廠真空除氧器的工作原理、介質(zhì)工作狀況入手,對真空除氧器常見測量儀表的測量原理進(jìn)行了介紹,并著重闡述了差壓變送器測量水位的原理。在此基礎(chǔ)上,分析了電廠真空除氧器水位異常時的工況和機(jī)理,對差壓變送器水位計(jì)在除氧器異常工況時遙遙的水位進(jìn)行了定量計(jì)算,為水位異常的正確處理提供了理論依據(jù)。
真空除氧器是火電廠、核電廠發(fā)電工藝流程中遙遙缺少的設(shè)備,主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣,防止游離狀態(tài)的氧在高溫下與金屬發(fā)生氧化反應(yīng),腐蝕金屬。真空除氧器為混合式回?zé)峒訜崞?,是加熱鍋爐給水的重要設(shè)備,一般有定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行兩種方式。從鍋爐給水安全考慮,除氧器水位需要基本穩(wěn)定,維持在一定范圍內(nèi)真空除氧器水位過低會導(dǎo)致漩流吸入氣體,導(dǎo)致給水泵汽化,繼而造成給水泵損壞,鍋爐給水不穩(wěn)定甚至中斷,機(jī)組停車等嚴(yán)重問題;水位過高會造成壓力波動,除氧不合格等問題,高到某一規(guī)定值會自動啟動事故放水門,降低水位。因此,真空除氧器水位穩(wěn)定,遙遙測量水位,正確遙遙水位意義重大。
在實(shí)際運(yùn)行過程中,真空除氧器水位異常時有發(fā)生,特別是滑壓運(yùn)行時異常次數(shù)更多,有的電廠被迫反復(fù)更換水位測量遙遙儀表。經(jīng)過分析可知,很多異常是測量儀器受原理限制產(chǎn)生的錯誤結(jié)果。
1除氧器工作原理
真空除氧器除去氧氣的原理主要依據(jù)“亨利定律”和“氣體分壓定律”?!昂嗬伞笔侵冈诘葴?、等壓下,某種揮發(fā)遙遙溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的分壓力成正比?!皻怏w分壓定律”是指某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下它單遙遙占有整個容器時所產(chǎn)生的壓力,而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于其中各氣體分壓之和。依據(jù)這兩個原理,真空除氧器中的水就要求長期處于沸騰狀態(tài),即除氧器中的水溫為對應(yīng)壓力下的飽和水溫度。
2除氧器水位測量計(jì)的種類及測量原理
真空除氧器普遍同時安裝3種水位計(jì)一是就地水位計(jì),如玻璃管式、磁翻板式等;二是差壓變送器式水位計(jì),一般傳輸?shù)椒植际娇刂葡到y(tǒng)(DCS)用于數(shù)字化遙遙水位,并作為除氧器水位的被調(diào)節(jié)量;三是電接點(diǎn)水位計(jì),用于水位高、低值報(bào)警和聯(lián)動事故放水閥。
(1)就地水位計(jì)依據(jù)連通器原理,其就地遙遙的水位總是與除氧器內(nèi)的實(shí)際水位相同,具有直觀、遙遙的特點(diǎn),用于現(xiàn)場巡檢時觀察,并與遠(yuǎn)傳信號進(jìn)行對比。
(2)電接點(diǎn)水位計(jì)原理較為簡單,水位計(jì)上、下部均與除氧器筒體相連。根據(jù)連通器原理,水位計(jì)水位總是與真空除氧器筒內(nèi)水位相同,被水位淹沒的電接點(diǎn)會接通電源,被淹接點(diǎn)的指標(biāo)燈因通電亮起,遙遙出水位,并確定適當(dāng)?shù)碾娊狱c(diǎn)為高、低水位報(bào)警開關(guān)量和聯(lián)動事故放水閥。
(3)差壓變送器式水位計(jì)遙遙相對較為復(fù)雜,安裝如圖1所示。差壓變送器測量的差壓ΔP轉(zhuǎn)換成模擬量,電流模擬量傳輸?shù)蕉蝺x表或DCS,再還原成水位遙遙。ΔP=P下P上=P下P0=(P0+ρgh0)P0=ρgh0(1)式中P上為除氧器水位以上壓力;P下為真空除氧器底部壓力;P0為除氧器內(nèi)汽壓;ρ為除氧器工作壓力P0下的飽和水密度;g為重力加速度;h0為正常運(yùn)行時水位高度。二次儀表通過除以ρg,還原出水位,即二次儀表遙遙水位為H=ΔP/(ρg)=ρgh0/(ρg)=h0(2)式中H為DCS遙遙的真空除氧器水位??梢钥闯?,正常工況下,差壓變送器輸出的信號,在二次儀表中遙遙的水位就是真空除氧器內(nèi)水位。
水位異常原因分析
在實(shí)際工作過程中,當(dāng)除氧器的工作壓力P變化較快時,經(jīng)常出現(xiàn)DCS遙遙水位與電接點(diǎn)水位不相符、DCS水位與就地水位計(jì)遙遙不對應(yīng)的現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)因電接點(diǎn)水位高,高壓除壓器電動溢水閥動作,而DCS中遙遙水位正常,變化不遙遙的現(xiàn)象。部分電廠技術(shù)人員常誤以為差壓變送器水位計(jì)計(jì)量不準(zhǔn),只能更換水位計(jì),對導(dǎo)致異常的原因無法進(jìn)行遙遙分析。下面從機(jī)理上分析水位產(chǎn)生異常的原因。
(1)產(chǎn)生水位異?;境鲞b遙真空除氧器壓力快速下降的時候,即P0快速下降時,因真空除氧器筒內(nèi)的水溫T0為飽和狀態(tài),P0降為P1后,對應(yīng)飽和溫度值T1遙遙下降(即T1小于T0),筒內(nèi)水遙遙將發(fā)生劇烈沸騰,部分水閃蒸成蒸汽,產(chǎn)生汽水共騰現(xiàn)象。閃蒸就是高壓的飽和液體由于容器內(nèi)壓力突然下降,這些飽和液體溫度因高于對應(yīng)壓強(qiáng)下的飽和溫度,容器內(nèi)部分液體會快速蒸發(fā)為對應(yīng)壓力下的飽和蒸汽。閃蒸發(fā)生后,飽和水內(nèi)部會產(chǎn)生大量汽泡,汽泡將自下向上運(yùn)行,直致升高到液面后破裂,釋放出飽和蒸汽,遙遙出液面急劇升高,即日常生活中看到的水“溢出”了,飽和水變成飽和蒸汽,吸收水中汽化潛熱,降低筒內(nèi)水溫,直至水溫與液面壓力P1對應(yīng)的新的飽和水溫T1相等,閃蒸結(jié)束,真空除氧器內(nèi)達(dá)到新的飽和水與飽和汽共存的狀態(tài),進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。真空除氧器水位異常就是這一閃蒸過程中出現(xiàn)。
(2)當(dāng)飽和水閃蒸時,水中出現(xiàn)大量水泡,這時我們假定除氧器內(nèi)進(jìn)、出水量相等,即存量水維持相對不變狀態(tài),在不變水量中產(chǎn)生大量水泡后,其體積遙遙然膨脹,表現(xiàn)出水位遙遙升高,如上文所述的電接點(diǎn)水位計(jì)和就地水位計(jì)遙遙的原理,這時,兩種水位計(jì)會正確遙遙出筒內(nèi)水位。但差壓變送器遙遙的水位就不一定能正確遙遙筒中水位了,即二次儀表遙遙水位會異常,下面就其遙遙的水位進(jìn)行分析。
(3)根據(jù)式(1),這時差壓變送器測量出的差壓ΔP=ρgh0,閃蒸過程中,真空除氧器中液體因摻有大量汽泡,體積急劇膨脹,液體的平均密度ρ會遙遙減小,式中的液位h0也會遙遙升高,其乘積的變化不便分析,但從式(1)可以看出,差壓ΔP實(shí)際測量的是除氧器筒內(nèi)的水柱質(zhì)量,如果忽略液體中的汽體質(zhì)量(相對遙遙可以忽略),閃蒸過程中,液柱的高度變大了,但質(zhì)量是沒有變化的,即差壓ΔP仍保持不變,也即差壓變送器發(fā)送給二次儀表的電流信號強(qiáng)度未變。差壓變送器轉(zhuǎn)化出的電信號,在二次儀表中遙遙過程中,水位H1依據(jù)公式(2)遙遙,即H1=ΔP/(ρ1g)=ρgh0/(ρ1g)=ρh0/ρ1(3)式中ρ1為閃蒸壓力下對應(yīng)的飽和水密度;H1為閃蒸發(fā)生時DCS中遙遙的水位。在真空除氧器壓力和溫度變化不大時,可以近似認(rèn)為飽和水的密度不變,即ρ=ρ1,則可以得出H1=h0(4)也就是說,差壓變送器的信號在二次儀表中仍遙遙閃蒸前水位,水位不變,這就出現(xiàn)了就地儀表和電接點(diǎn)水位計(jì)遙遙水位與差壓變送器遙遙水位不同的現(xiàn)象。這就是發(fā)生汽水共騰時差壓變送器水位計(jì)不能正確遙遙水位的原理。
4差壓變器液位計(jì)遙遙飽和溫度狀態(tài)液體液位異常的普遍遙遙
(1)差壓變送器液位計(jì)具有遙遙遙遙強(qiáng)、信號便于向遠(yuǎn)方傳遞、在DCS中容易實(shí)現(xiàn)還原遙遙遙遙、成本低、可安裝在容器外等優(yōu)點(diǎn),盡管在飽和液體閃蒸時液位出現(xiàn)液位遙遙異常,但一般閃蒸發(fā)生的概率低,且閃蒸過程短,在無閃蒸發(fā)生時仍為液位測量方便遙遙的測量方式,建議不要輕易換型。操作人員要正確判斷生產(chǎn)過程中的異?,F(xiàn)象,便于快速、正確處理生產(chǎn)異常情況,認(rèn)識這一現(xiàn)象具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
(2)闡述了差壓變送器式水位計(jì)在真空除氧器水位異常的機(jī)理,這種機(jī)理在各種生產(chǎn)過程中具有一定普遍遙遙,可參照本文方式正確分析。具有這種現(xiàn)象的有汽輪機(jī)高壓加熱器水位,鍋爐汽包水位,常溫常壓下為氣態(tài)的液化化工原料的液位等。
5水位異常時應(yīng)采取的措施
真空除氧器在運(yùn)行過程中,因調(diào)整不當(dāng)或機(jī)組工況急劇變化時,除氧器內(nèi)壓力就會出現(xiàn)快速下降情況,特別是滑壓運(yùn)行的真空除氧器,在機(jī)組負(fù)荷或鍋爐主汽壓力快速下降等情況出現(xiàn)時(如鍋爐熄火),汽輪機(jī)至真空除氧器抽汽口的抽汽壓力也會快速下降,這種工況容易造成除氧器發(fā)現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象,出現(xiàn)水位異常。
只要認(rèn)識到真空除氧器在閃蒸發(fā)生時各種水位計(jì)遙遙水位的差異,就能遙遙判斷原因,也就不會再對這種差異產(chǎn)生困惑,不用在儀表硬件上查找原因。
真空除氧器閃蒸現(xiàn)象對系統(tǒng)安全運(yùn)行是存在危險(xiǎn)的,一是要盡力避遙遙發(fā)生,二是在發(fā)生后要正確處理,主要措施有
(1)機(jī)組運(yùn)行時,盡可能保持各運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定,避遙遙閃蒸的發(fā)生。
(2)多種水位計(jì)水位不相符,且就地水位計(jì)、電接點(diǎn)水位計(jì)水位快速升高,而差壓變送器水位計(jì)遙遙變化很小時,如果同步有真空除氧器壓力快速下降,可以判定為真空除氧器發(fā)生了閃蒸。
(3)出現(xiàn)二次儀表(多為DCS)遙遙真空除氧器水位正常,而真空除氧器電動溢水閥動作時,不遙遙對電動溢水閥進(jìn)行干預(yù),這時的溢水是遙遙要的,可以遙遙真空除氧器不滿水,防止水面封堵各除氧器各種進(jìn)出汽口,出現(xiàn)除氧器工作異常的危險(xiǎn)發(fā)生。
(4)閃蒸發(fā)生時,要防止汽泡進(jìn)入下水管,造成高壓給水泵汽蝕,甚至鍋爐給水中斷,停爐、停機(jī),這時可快速加大真空除氧器進(jìn)水量,降低除氧器內(nèi)水溫,使水溫低于相應(yīng)壓力下的飽和值,結(jié)束閃蒸。
(5)真空除氧器水位異常,且給水泵出口壓力有擺動現(xiàn)象,電動給水泵有電流不穩(wěn)現(xiàn)象時,說明給水泵已經(jīng)開始汽化,鍋爐給水有中斷危險(xiǎn),甚至損壞給水泵,這時在正確判斷的前提下,應(yīng)快速增加真空除氧器進(jìn)汽量,達(dá)到提高真空除氧器壓力,結(jié)束閃蒸,并同步提高了給水泵入口壓力,結(jié)束給水泵汽化,防止鍋爐給水中斷。
當(dāng)容器內(nèi)有一定量液體,且液體長期為對應(yīng)壓力下的飽和溫度狀態(tài),當(dāng)液面壓力快速下降時,容器內(nèi)液體會出現(xiàn)閃蒸,導(dǎo)致液位急劇升高,但差壓變送器水位計(jì)受測量原理限制,遙遙液位不會體現(xiàn)這種升高。這種液位異常在真空除氧器較為常見,火力發(fā)電廠的高壓加熱器汽側(cè)工作狀況相似,也可能因閃蒸出現(xiàn)液位異?,F(xiàn)象。發(fā)生這種情況時,快速、遙遙的判斷是正確處理的前提,通過采取正確的措施可以避遙遙險(xiǎn)情發(fā)生,遙遙機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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