80年代末，在火電廠節能診斷工作中，發現一個問題，某火電廠的200MW機組高壓加熱器投運率雖然達98%左右，符合電力行業的要求，但高壓加熱器卻長期無水位運行。經進一步了解，才知無水位的問題是由於高壓加熱器的疏水器不能正常使用，使本級加熱器的蒸汽隨著疏水一同流入下一級高壓加熱器，這種運行的方式嚴重影響機組的安全經濟性。帶著這一問題，進行了廣泛的調研，發現這不僅僅是一個火電廠加熱器的問題，而是帶有一定的普遍性。關鍵問題是目前使用的幾種疏水調節器一直存在著執行機構運行頻繁、易磨損、易腐蝕及可靠性差等問題。由此開始了近10a的研究，開發出一種新型水位控制器。
1 加熱器無水位運行的危害性
火電廠的高、低壓加熱器疏水調節器不能正常運行，導致加熱器長期無水位運行，給設備帶來一系列安全、經濟性的問題。
(1)安全性方面
疏水器故障，導致加熱器長期處於無水位運行狀態，大量的汽水混合物沿著加熱器進入疏水管道，造成管子強烈振動。某廠125MW機組靠除氧器的一級高壓加熱器，由於其疏水引入除氧器的管路很長，振動很大，威脅著設備的安全。
同時加熱器無水位運行還造成加熱器的疏水管道及彎頭的嚴重沖刷，管壁很快就變薄，以致在運行中，發生爆破，造成事故。1998年初某台125MW汽輪機檢修人員發現加熱器的疏水管有滲水現象，在運行檢查中，突發疏水管破裂，造成一亡一傷的重大事故。再例如一台320MW機組的高壓加熱器的疏水彎頭，由於汽水的沖刷，管壁減薄，在運行中破裂，壓力疏水噴至電氣設備上，造成發電機跳閘事故。
(2)經濟性方面
加熱器無水位運行就是指疏水調節器故障，本級加熱器疏水逐級自流到下一級加熱器，與此同時大量的蒸汽串入下一級加熱器，造成機組的熱經濟性大幅度降低。其原因之一是高能級抽汽貶為低能級使用；其二加熱器的傳熱惡化造成加熱器出口水溫降低。
下面就來計算機組加熱器無水位運行對其經濟性的影響。為簡化計算，假設加熱器無水位運行時不影響換熱特性，即加熱器的進出口水溫都不變，且本級加熱器無水位運行時，其抽汽串入下一級加熱器，完全排擠了下一級加熱器的抽汽。對於如圖1所示的局部熱力系統，根據等效熱降理論，機組單位新蒸汽作功量的變化值為：
加熱器熱力系統局部示意圖
ΔH=αj-1qj-1(ηj-1-ηj)
(kJ/kg)
式中 αj-1——下一級加熱器的抽汽份額；
qj-1——下一級加熱器的抽汽放熱量，kJ/kg；
ηj，ηj-1——本級及下一級加熱器的抽汽效率，%。
對於用再熱冷段之前抽汽加熱的加熱器，當其無水位運行之時，會使機組的再熱份額發生變化，從而影響循環吸熱量：
ΔQ=σ.Δαzr (kJ/kg)
式中 σ——單位再熱蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg；
Δαzr——再熱份額的變化，可按照等效熱降理論計算。
在求出單位新蒸汽作功及吸熱的變化后，機組循環效率、發電標準煤耗率、年標準煤耗量的變化分別為：
Δb=-b0δη
ΔB=-B0δη
式中 δη——機組循環效率的相對變化值，%
ηi——額定工況下機組的循環效率，%；
Δb——機組發電標準煤耗率的變化值，g/(kW.h)；
b0——額定工況下機組的發電標準煤耗率，g/(kW.h)；
ΔB——機組年發電標準煤耗量的變化值，t/a；
B0——機組年發電標準煤耗量，t/a。
根據上述公式，應用文獻［1］中的數據，求出N300-165/550/550國產型機組的8號、7號、6號高壓加熱器及4號、3號低壓加熱器無水位運行時對經濟性的影響結果如表1所示。由此可知，加熱器無水位運行對機組的經濟性的影響是很大的。
表1
300 MW機組加熱器無水位運行對經濟性的影響
2 新型水位控制器系統及工作原理
國內300MW以上機組的高、低壓加熱器均採用卧式布置。其加熱器的水位控制早期投運機組的低壓加熱器採用機械式疏水器，例如姚孟電廠等。近期投運的機組大多採用氣動式或電動式疏水調節閥。由於加熱器採用卧式布置，所以水空間的高度相對立式加熱器較小，不允許水位有較大的波動，一般為正負幾十毫米左右，對水位控制器的要求比較高。
汽液兩相流自調節水位控制器是基於流體力學理論，利用汽液兩相流的流動特性設計的一種新型水位控制器。氣液的一個顯著的特點是其比容相差上千倍，這一自身介質的物性，以及流動特性是新型水位控制方法的理論根據，是賴以實現無運動部件、無觸點、無外力源的自動控制的基本出發點，由此達到控制水位的目的。它勿需外力驅動，屬自力式智能調節。它的執行機構的動力源來自本級加熱器的蒸汽，所需蒸汽量約為加熱器疏水量的1%～2%。這部分蒸汽含加熱器正常排放的不凝氣體，代替了原排空氣管中所排出的空氣和蒸汽混合物。汽液兩相流自調節水位控制器的系統示意圖見圖2，相應自動控制方框圖見圖3。
圖2 汽液兩相流自調節水位控制器系統示意圖
1—卧式加熱器；2—信號感測器；3—調節器；4—調節閥；5—旁路調節閥
圖3 汽液兩相流自調節水位控制系統主框圖
註：1.虛線為汽液兩相澈睚調節水位控制系統主框圖
2.實線為常規自控制系統方框圖
自調節水位控制器主要由感測變送器和調節器兩部分組成如圖2所示。感測變送器的作用是發送水位信號和變送調節用汽量，完成常規自控制裝置中的測量、變送、給定值設定、偏差比較、放大運算功能。調節器的作用是控制出口水量，相關於常規自動控制裝置的執行機構。其調節原理是：當加熱器的水位上升時，感測變送器內的水位隨之上升，導致發送的調節汽量減少，因而流過調節器中兩相流的汽量減少、水量增加，加熱器的水位隨之下降。反之亦然。由此實現了加熱器水位的自動控制。
3 應用情況及效果
新型水位控制器自1994年投入現場應用，先後在200MW以下機組的高低壓加熱器上改裝，已得到廣泛的應用。1997年開始在姚孟電廠、西柏坡電廠、大壩電廠等300MW機組的卧式加熱器上應用，取代了國產、日本和美國(Fisher)的疏水調節器。由於新型水位控制器的原理新穎，系統簡單，設備小巧緊湊，價格遠低於國外同類產品，便於現場改造。從現場運行情況看，調試操作簡單方便，一次調整到位后再不需進一步調整，可做到不用操作隨機啟停。
由於新型水位控制器同原水位調節器相比，無機械運行部件和電氣、氣動控制元件，因此水位器的故障率大幅度降低，減輕了現場檢修人員的維護工作量，使用壽命長。由於新型水位器是全密封裝置，因此無泄露且安全可靠。在現場投運正常，自調節能力強，水位穩定，減輕了運行人員的維護管理工作量。原有水位調節器的熱工控制系統和裝置全部取消，免除了熱工人員的維護管理。
現場運行實踐表明，機組負荷在100%～50%範圍內變化時，其水位波動值為50～100mm，滿足大機組卧式加熱器的水位要求。
4 結束語
新型自調節水位控制器與原有的幾種電動、氣動控制系統中的調節閥不同，汽液兩相流水位控制裝置的調節器沒有一般調節閥門的開關動作，是靠自汽液兩相流的自反饋特性來改變流量的大小，達到控制水位的目的。實踐證明，該自調節水位控制器水位穩定，安全可靠，不僅適用於現有電廠的技術改造，也適用於新機組設計採用，在電力及其它工業領域具有廣闊的推廣應用前景。
參考文獻
[1] 林萬超.火電廠熱系統節能理論.西安：西安交通大學出版社，1994
[2] 唐明輝.熱工自動控制儀錶.北京：水利電力出版社，1989
[3] 韓立人.管道與閥門.北京：水利電力出版社，1988
