汽包"虚假水位"的产生机理和控制策略分析

引言

锅炉稳定运行时,锅炉给水流量与蒸汽流量存在对应关系,当给水量大于蒸汽量时,汽包水位上升,反之则下降。正常工况下,三冲量自动控制系统可以实现对汽包水位良好的自动调节,不用人为干预。事故时,工况急剧变化,在汽包水位的最初变化里往往会出现短暂而剧烈的相反趋势(持续10～20s）,这种带有欺骗性的相反趋势,我们称之为“虚假水位"。“虚假水位"其实并非虚假,它是短暂而剧烈的真实水位变化。汽包“虚假水位"问题,已经有大批人员对其进行了分析探讨、试验研究以及系统优化,但到目前为止,工况急剧变化下的汽包水位仍无法实现良好的自动调节,需及时介入调整。“虚假水位"问题常常成为操作人员的困扰项,所以下面笔者将理论结合实际地对其进行一番论述,希望对相关工作人员能有所启发和帮助。

1汽包“虚假水位"的产生机理

汽包“虚假水位"的产生不是由于给水量与蒸发量之间的物料平衡关系破坏所引起的,而是由于工况剧烈变化,使水体的汽泡含量突然增多或减少,引起工质体积突然地短时膨胀或收缩,造成汽包水位突然地短时升高或下降。

1.1水的热力特性是引起水体中汽泡含量变化的本质原因

1.1.1饱和状态的定义

当液体在有限的密闭空间中蒸发时,液体分子通过液体表面进入上面的空间,成为蒸汽分子。蒸汽分子处于紊乱的热运动之中,相互碰撞并和容器壁以及液面碰撞,在和液面碰撞时,一部分蒸汽分子重新返回液体中。开始蒸发时,进入空间的分子数多于返回液体中的分子数,随着蒸发进行,液面上方蒸汽分子的密度不断增大,使得返回液体中的分子数也不断增多。当单位时间内进入蒸汽空间的分子数与返回液体中的分子数相等时,则蒸发与凝结处于动平衡状态,此时虽然蒸发和凝结仍在进行,但空间中蒸汽分子的密度不再增大,此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体,其对应的蒸汽是饱和蒸汽。

1.1.2饱和状态下水的热力特性

饱和蒸汽的温度与压力一一对应,当饱和液体所处空间的蒸汽压力降低时,对应的饱和温度随之降低,一方面,由于此时液体的实际温度高于此时蒸汽压力对应的饱和温度,液体分子变得活跃,产生大量汽泡,逃逸出液面变成蒸汽分子,蒸汽分子吸收了液体的热量,使得液体实际温度降低:另一方面,液面上方的蒸汽分子越来越多以后,汽压上升,使对应的饱和温度提高,直至与不断降低的液体实际温度相同,新的动态平衡建立。也就是说,当处于汽水饱和状态的动态平衡被打破时,水的蒸发效应会被短暂加强或者减弱,从而引起水中汽泡的增减,但最终会自发地达到新的动态平衡。

1.2汽泡含量的变化引起水体比容的变化是引起“虚假水位"的关键因素

随着压力和温度变化,水单相时的比容变化很小,而两相时的比容变化倍数却很大,通过查阅水蒸气表,可以计算出不同压力下饱和蒸汽比容相比于饱和液体比容的倍数,如表1所示。

2汽包“虚假水位"的具体原因和变化趋势

对于汽包水位的研究,国内已有研究人员建立了合理简化的汽包汽水动态模型,根据汽包汽水的质量守恒、体积守恒和能量守恒的原理,并推导出了最终的方程(详细模型建立和方程推导可见参考文献,限于篇幅这里只给出结论）,直接引用如下:

上式中等号右边第一项为进出汽包的质量流量不平衡引起的水位变化,第二项为汽压变化使得汽水体积变化引起的水位变化,第三项为水位以下蒸汽体积变化引起的水位变化。第一项可以理解为汽包真实水位的来源,而第二项和第三项则是“虚假水位"的组成部分。

实际运行工作中,“虚假水位"产生的常见原因可以概括为以下几类:

2.1汽机侧原因引起的主蒸汽压力急剧变化

当汽机侧负荷突然降低时,主蒸汽调门随之突然关小,主蒸汽压力和汽包压力随之升高,一方面,给水与汽包的压力差增大,进入汽包的给水量受到阻滞而减少:另一方面,由于汽包压力升高,此时汽包内实际给水温度低于新压力下对应的饱和温度,汽包水体内部汽化受到抑制,水面下的汽泡数量大大减少,汽水混合物的体积相应收缩。两方面共同作用,很快形成短暂的"虚假水位"(一般持续10～20s）。随着时间的推进,汽包水位又上升,汽包水位呈现先降后升的趋势,最终回到"0"位附近。当汽机侧负荷突然增加时,水位变化情况相反。

2.2锅炉侧原因引起的汽包和水冷壁水温急剧变化

当燃烧突然大幅减弱时,一方面,由于炉膛急剧降温,水冷壁吸热量急剧减少,汽包中的给水汽化受到强烈抑制:另一方面,由于给水温度急剧降低,汽包和水冷壁中的给水体积急剧收缩。两方面共同作用形成较强的"虚假水位",此后汽包水位又上升,汽包水位呈现先降后升的趋势,最终回到"0"位附近。燃烧突然增强时,水位变化情况相反。

2.3给水温度和流量的变化

当给水温度突然降低时(例如高低加退出）,如调节汽包水位,会遇到"越加给水,水位越降,越减给水,水位越涨"的"虚假水位"现象。这是由于给汽包大量增加温度较低的给水时,汽包内的饱和水会迅速减少,逐渐变为欠饱和水,因水温低而使得汽包水体体积收缩,同时由于进入水冷壁中的水温下降,水冷壁中的沸腾起始位置上移,造成水冷壁内汽水混合物中饱和汽的含量减少而使得水体体积进一步收缩,汽包水位快速下降。给水温度升高时,水位变化情况相反。

2.4其他各种原因

例如安全阀启闭、四管泄漏、给水泵跳闸、炉水循环泵启停等等。

3事故工况时汽包水位的控制策略

3.1事故工况

我厂#1、#2锅炉采用亚临界中间再热强制循环锅炉,配置三台炉水循环泵、两台汽动给水泵和一台电动给水泵。2018年,#l锅炉A、B、C三套制粉系统同时故障,总煤量瞬间由136t/h降至35t/h,此时出现了很强的汽包"虚假水位",这是因为燃烧突然大幅减弱,汽包内的汽泡大量破裂,水位突然短时下降(如图1所示,大约持续20s）。

3.2控制策略

（1）及时切至手动调节,在调节过程中,要能判明其变化趋势和延续时长,不能因为短时的高水位或低水位,而手动过快过多减水或加水:

(2）此时总体趋势是负荷下降,主蒸汽流量下降,从而对应给水流量减少,应根据当前总煤量下对应的主蒸汽流量来实时调整给水流量:

(3）保持汽包水位低位运行,给水上水量宁少勿多,如果不小心加多了,可以通过汽包放水门进行放水,注意及时关闭:

(4）手动跟踪主蒸汽压力,保持汽包压力稳定,使给水泵出力稳定:

(5）工况和汽包水位稳定后,一台汽动给水泵保持固定转速带固定流量,另一台汽动给水泵降低转速不出水留作备用,防止两台汽泵的再循环门一直动作,也防止两台汽泵互相抢水,用电动给水泵进行水位微调,注意电动给水泵不要超电流。

4结语

水的热力特性是引起水体中汽泡含量变化的本质原因,汽泡含量的变化引起水体比容的变化是出现"虚假水位"的关键因素。形成汽包"虚假水位"的具体原因有:汽机侧原因引起的主蒸汽压力急剧变化、锅炉侧原因引起的汽包和水冷壁水温急剧变化、给水温度和流量的变化、其他原因等。事故工况下的汽包"虚假水位"是事故处理时的误导项,是操作的难点,作为一名合格的发电厂集控运行人员,应能较好地理解和掌握汽包水位以及"虚假水位"的产生机理、具体原因、变化趋势和控制策略,方能保证事故处理时各项操作的及时性和正确性。