汽包"虛假水位"的產(chǎn)生機理和控制策略分析

引言

鍋爐穩(wěn)定運行時,鍋爐給水流量與蒸汽流量存在對應關(guān)系,當給水量大于蒸汽量時,汽包水位上升,反之則下降。正常工況下,三沖量自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對汽包水位良好的自動調(diào)節(jié),不用人為干預。事故時,工況急劇變化,在汽包水位的最初變化里往往會出現(xiàn)短暫而劇烈的相反趨勢(持續(xù)10～20s）,這種帶有欺騙性的相反趨勢,我們稱之為“虛假水位"?！疤摷偎?其實并非虛假,它是短暫而劇烈的真實水位變化。汽包“虛假水位"問題,已經(jīng)有大批人員對其進行了分析探討、試驗研究以及系統(tǒng)優(yōu)化,但到目前為止,工況急劇變化下的汽包水位仍無法實現(xiàn)良好的自動調(diào)節(jié),需及時介入調(diào)整?！疤摷偎?問題常常成為操作人員的困擾項,所以下面筆者將理論結(jié)合實際地對其進行一番論述,希望對相關(guān)工作人員能有所啟發(fā)和幫助。

1汽包“虛假水位"的產(chǎn)生機理

汽包“虛假水位"的產(chǎn)生不是由于給水量與蒸發(fā)量之間的物料平衡關(guān)系破壞所引起的,而是由于工況劇烈變化,使水體的汽泡含量突然增多或減少,引起工質(zhì)體積突然地短時膨脹或收縮,造成汽包水位突然地短時升高或下降。

1.1水的熱力特性是引起水體中汽泡含量變化的本質(zhì)原因

1.1.1飽和狀態(tài)的定義

當液體在有限的密閉空間中蒸發(fā)時,液體分子通過液體表面進入上面的空間,成為蒸汽分子。蒸汽分子處于紊亂的熱運動之中,相互碰撞并和容器壁以及液面碰撞,在和液面碰撞時,一部分蒸汽分子重新返回液體中。開始蒸發(fā)時,進入空間的分子數(shù)多于返回液體中的分子數(shù),隨著蒸發(fā)進行,液面上方蒸汽分子的密度不斷增大,使得返回液體中的分子數(shù)也不斷增多。當單位時間內(nèi)進入蒸汽空間的分子數(shù)與返回液體中的分子數(shù)相等時,則蒸發(fā)與凝結(jié)處于動平衡狀態(tài),此時雖然蒸發(fā)和凝結(jié)仍在進行,但空間中蒸汽分子的密度不再增大,此時的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下的液體稱為飽和液體,其對應的蒸汽是飽和蒸汽。

1.1.2飽和狀態(tài)下水的熱力特性

飽和蒸汽的溫度與壓力一一對應,當飽和液體所處空間的蒸汽壓力降低時,對應的飽和溫度隨之降低,一方面,由于此時液體的實際溫度高于此時蒸汽壓力對應的飽和溫度,液體分子變得活躍,產(chǎn)生大量汽泡,逃逸出液面變成蒸汽分子,蒸汽分子吸收了液體的熱量,使得液體實際溫度降低:另一方面,液面上方的蒸汽分子越來越多以后,汽壓上升,使對應的飽和溫度提高,直至與不斷降低的液體實際溫度相同,新的動態(tài)平衡建立。也就是說,當處于汽水飽和狀態(tài)的動態(tài)平衡被打破時,水的蒸發(fā)效應會被短暫加強或者減弱,從而引起水中汽泡的增減,但最終會自發(fā)地達到新的動態(tài)平衡。

1.2汽泡含量的變化引起水體比容的變化是引起“虛假水位"的關(guān)鍵因素

隨著壓力和溫度變化,水單相時的比容變化很小,而兩相時的比容變化倍數(shù)卻很大,通過查閱水蒸氣表,可以計算出不同壓力下飽和蒸汽比容相比于飽和液體比容的倍數(shù),如表1所示。

2汽包“虛假水位"的具體原因和變化趨勢

對于汽包水位的研究,國內(nèi)已有研究人員建立了合理簡化的汽包汽水動態(tài)模型,根據(jù)汽包汽水的質(zhì)量守恒、體積守恒和能量守恒的原理,并推導出了最終的方程(詳細模型建立和方程推導可見參考文獻,限于篇幅這里只給出結(jié)論）,直接引用如下:

上式中等號右邊第一項為進出汽包的質(zhì)量流量不平衡引起的水位變化,第二項為汽壓變化使得汽水體積變化引起的水位變化,第三項為水位以下蒸汽體積變化引起的水位變化。第一項可以理解為汽包真實水位的來源,而第二項和第三項則是“虛假水位"的組成部分。

實際運行工作中,“虛假水位"產(chǎn)生的常見原因可以概括為以下幾類:

2.1汽機側(cè)原因引起的主蒸汽壓力急劇變化

當汽機側(cè)負荷突然降低時,主蒸汽調(diào)門隨之突然關(guān)小,主蒸汽壓力和汽包壓力隨之升高,一方面,給水與汽包的壓力差增大,進入汽包的給水量受到阻滯而減少:另一方面,由于汽包壓力升高,此時汽包內(nèi)實際給水溫度低于新壓力下對應的飽和溫度,汽包水體內(nèi)部汽化受到抑制,水面下的汽泡數(shù)量大大減少,汽水混合物的體積相應收縮。兩方面共同作用,很快形成短暫的"虛假水位"(一般持續(xù)10～20s）。隨著時間的推進,汽包水位又上升,汽包水位呈現(xiàn)先降后升的趨勢,最終回到"0"位附近。當汽機側(cè)負荷突然增加時,水位變化情況相反。

2.2鍋爐側(cè)原因引起的汽包和水冷壁水溫急劇變化

當燃燒突然大幅減弱時,一方面,由于爐膛急劇降溫,水冷壁吸熱量急劇減少,汽包中的給水汽化受到強烈抑制:另一方面,由于給水溫度急劇降低,汽包和水冷壁中的給水體積急劇收縮。兩方面共同作用形成較強的"虛假水位",此后汽包水位又上升,汽包水位呈現(xiàn)先降后升的趨勢,最終回到"0"位附近。燃燒突然增強時,水位變化情況相反。

2.3給水溫度和流量的變化

當給水溫度突然降低時(例如高低加退出）,如調(diào)節(jié)汽包水位,會遇到"越加給水,水位越降,越減給水,水位越漲"的"虛假水位"現(xiàn)象。這是由于給汽包大量增加溫度較低的給水時,汽包內(nèi)的飽和水會迅速減少,逐漸變?yōu)榍凤柡退?因水溫低而使得汽包水體體積收縮,同時由于進入水冷壁中的水溫下降,水冷壁中的沸騰起始位置上移,造成水冷壁內(nèi)汽水混合物中飽和汽的含量減少而使得水體體積進一步收縮,汽包水位快速下降。給水溫度升高時,水位變化情況相反。

2.4其他各種原因

例如安全閥啟閉、四管泄漏、給水泵跳閘、爐水循環(huán)泵啟停等等。

3事故工況時汽包水位的控制策略

3.1事故工況

我廠#1、#2鍋爐采用亞臨界中間再熱強制循環(huán)鍋爐,配置三臺爐水循環(huán)泵、兩臺汽動給水泵和一臺電動給水泵。2018年,#l鍋爐A、B、C三套制粉系統(tǒng)同時故障,總煤量瞬間由136t/h降至35t/h,此時出現(xiàn)了很強的汽包"虛假水位",這是因為燃燒突然大幅減弱,汽包內(nèi)的汽泡大量破裂,水位突然短時下降(如圖1所示,大約持續(xù)20s）。

3.2控制策略

（1）及時切至手動調(diào)節(jié),在調(diào)節(jié)過程中,要能判明其變化趨勢和延續(xù)時長,不能因為短時的高水位或低水位,而手動過快過多減水或加水:

(2）此時總體趨勢是負荷下降,主蒸汽流量下降,從而對應給水流量減少,應根據(jù)當前總煤量下對應的主蒸汽流量來實時調(diào)整給水流量:

(3）保持汽包水位低位運行,給水上水量寧少勿多,如果不小心加多了,可以通過汽包放水門進行放水,注意及時關(guān)閉:

(4）手動跟蹤主蒸汽壓力,保持汽包壓力穩(wěn)定,使給水泵出力穩(wěn)定:

(5）工況和汽包水位穩(wěn)定后,一臺汽動給水泵保持固定轉(zhuǎn)速帶固定流量,另一臺汽動給水泵降低轉(zhuǎn)速不出水留作備用,防止兩臺汽泵的再循環(huán)門一直動作,也防止兩臺汽泵互相搶水,用電動給水泵進行水位微調(diào),注意電動給水泵不要超電流。

4結(jié)語

水的熱力特性是引起水體中汽泡含量變化的本質(zhì)原因,汽泡含量的變化引起水體比容的變化是出現(xiàn)"虛假水位"的關(guān)鍵因素。形成汽包"虛假水位"的具體原因有:汽機側(cè)原因引起的主蒸汽壓力急劇變化、鍋爐側(cè)原因引起的汽包和水冷壁水溫急劇變化、給水溫度和流量的變化、其他原因等。事故工況下的汽包"虛假水位"是事故處理時的誤導項,是操作的難點,作為一名合格的發(fā)電廠集控運行人員,應能較好地理解和掌握汽包水位以及"虛假水位"的產(chǎn)生機理、具體原因、變化趨勢和控制策略,方能保證事故處理時各項操作的及時性和正確性。