汽液兩相流液位控制器的改進分析

在電力、化工和石油等工業生產和過程控制中，很多情況下都需要在壓力容器內有進水或凝結水和有出水并且還有氣體存在時，維持容器內液位穩定在一定范圍內。常規的電動式、氣動式液位控制裝置，由于執行機構動作頻繁，普遍存在各種問題，例如在火電廠中加熱器疏水調節裝置故障引起加熱器水位過高或過低，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濟性；在氨水生產過程中，氨水導致水位控制裝置產生腐蝕、泄露的情況十分突出。針對這些問題，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現液位自動控制。
1 兩相流液位控制器的原理和特點
兩相流液位控制器是基于流體力學及汽液兩相流理論設計的，不需外力驅動。該控制器動力源來自所需控制容器內的蒸汽（氣），由于汽液比容相差很大，作為動力源的蒸汽量需求很少。工業生產過程中，汽液共存且需要維持液位穩定的容器大都滿足兩相流液位控制器的應用。以火電廠加熱器系統為例，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，加熱器內水位升高，傳感器感知水位過高的信號，此時進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，傳感器感知水位過低的信號，傳感器內調節汽量增加，而通過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：水位調節穩定，能夠實現水位的自動連續調節，調節能力強，在機組50%-100%負荷內滿足加熱器水位的控制；整個液位控制系統無活動部件，結構簡單可靠；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
通過現場實際運行經驗和理論研究，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度進行了改進。
2.1傳感器結構的改進
汽液兩相流液位控制器早期通過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通，在實際運行中發現加熱器水位經常出現調節偏差，經過理論分析和實驗研究發現，傳感器感知的水位信號與加熱器實際水位信號存在差異，其本質原因是蒸汽和水通過信號管時壓損不同。后來將水位傳感器由外置式改進為內置式，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
調節器作為兩相流液位控制器的核心部件，控制著裝置的疏水量和疏汽量，對液位穩定性和大調節負荷起關鍵作用。調節器的核心部件是文丘里管，與普通文丘里管不同的是，其喉部開有若干圓孔，作為調節器的通道。隨著兩相流液位控制器的現場應用，剛開始調節器能很好的維持液位，但經過長時間運行后，發現液位調節器不能準確的維持液位。對現場調節器分析發現，隨著調節汽長時間沖刷，進汽孔直徑不斷增大，導致液位調節出現偏差。經研究，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，調節器結構改進如圖3所示。
改進后的結構避免了調節汽的沖刷，改善了調節器長時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成本，延長了調節器的使用壽命。

圖3 調節器結構變化圖

a）改進前b）改進后

2.3調節器混合腔長度的改進
在現場應用的兩相流液位控制的噴嘴和孔板處于一個封閉的混合腔內，這樣的好處就調節器結構簡單，無泄漏。隨著兩相流液位控制器的廣泛應用，發現這種結構在現場安裝時有局限性，因此將孔板和噴嘴從混合腔中分離出來，發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，改進后的液位控制器可以根據現場實際的需要靈活安裝調節器。
3 經濟性分析
加熱器低（無）水位運行時由于串汽使疏水管道內為汽液兩相流動，此時蒸汽比容增大導致汽水混合物流動阻力增加，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沒有出系統，沒有直觀的熱量損失，但是蒸汽的能量品位卻發生貶值，使熱力系統熱經濟性降低。
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。
系統熱經濟性的相對變化：
δηi=-ΔH
H-ΔH×100%（2）
式中δηi—系統經濟性變化值；
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，會導致整個機組再熱份額發生改變，從而影響蒸汽的循環吸熱量，計算應加以考慮。
其他熱經濟指標為：
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—機組發電標準煤耗，g/（kW·h）。
根據以上公式可計算出某國產600MW機組加熱器在不同串汽份額時機組的做功能力損失，系統經濟性相對變化值以及煤耗的變化。機組主要計算參數見文獻。
從表1中的計算數據可知，隨著加熱器串汽份額的增加，機組經濟性越來越低，煤耗不斷增加，同時排擠高能級抽汽對機組經濟性影響更大。兩相流液位控制器能有效維持加熱器水位，使加熱器安全經濟工作。

表1 加熱器無水位運行對機組經濟性指標的影響
4 結語
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，具有結構簡單，無泄漏，無運動部件等優點。在實際運行過程中，通過對傳感器和調節器等核心部件的改進使該液位調解器的調節更加準確有效，同時延長了使用壽命。兩相流液位控制器在火力發電廠高低加疏水系統的應用能有效提高回熱系統的經濟性和安全性。隨著該液位控制器在工程實際中的廣泛應用，對各生產單位提高經濟效益實現低碳環保產生積極的意義。