華潤首陽山熱控靈活性改造典型案例分析

　　【摘要】對于國內大型現代化燃煤機組，熱控設備從設計、安裝、維護已逐步趨于成熟和完善，但由于地域差別和環境要求，以及近年來國內煤、電、人力市場的變化，從安全性、經濟性、穩定性等各方面對熱控行業也提出了更高的要求。本文介紹了該公司熱控專業的部分創新性密度計安裝方式、撈渣機水位測量、加熱器液位測量等方式改造和部分申請專利成果，以供借鑒和推廣。

　　1 概述

　　華潤首陽山在運營期間和2015年度的小修、脫硝改造、超潔凈、供熱等工程中，由于熱控設備的特點以及設計、安裝等其它各方面因素，遇到了不少問題。本文主要針對脫硫密度計準確度、撈渣機水位控制零溢流、火電廠凝汽器及高低壓加熱器液位測量等方面遇到的問題及解決過程，重點闡述該廠熱控相關的部分創新亮點。

　　2 脫硫漿液密度計取樣方式的創新優化

　　密度計作為火電廠濕法脫硫工藝控制系統的重要測量工具，對確保脫硫系統物料平衡具有不可替代的作用。通過在線測量石灰石漿液的密度來控制SO2的轉化率，可以提高脫硫系統的經濟性和運作效率。因此，精確、穩定的在線密度測量儀表對于濕法脫硫轉化率的控制至關重要，華潤電力首陽山共有6臺密度機，其均采用音叉式密度計。

　　2.1 音叉式密度計工作特性

　　2.1.1 工作原理

　　在目前的火電廠脫硫系統中，音叉密度計是應用較為廣泛的漿液密度計，音叉密度計傳感器是根據元器件振動原理而設計，此振動元件類似于兩齒的音叉，叉體因位于齒根的一個壓電晶體而產生振動，振動的頻率通過另一個壓電晶體檢測出來，通過移向和放大電路，叉體被穩定在固定諧振頻率上。當介質流經叉體時，因介質質量的改變，引起諧振頻率的變化，因此通過檢測音叉固有振動頻率，即可確定液體的密度。

　　2.1.2 工作特性

　　音叉式密度計的優點是安裝維護方便，測量精度高，可達到± 2 kg/m3。其缺點是直接與漿液接觸，易磨損、易腐蝕，在實際應用中必須采用合金材料，價格相對較高;對漿液流速要求高，需控制在0~1m/s之間。

　　2.2改造前密度計安裝方式

　　目前，根據管道尺寸及介質的流速不同，音叉密度計安裝方式有兩種，自由安裝和T

　　型套管安裝，如圖(1)、(2)所示。

　　兩種安裝方式條件及缺點如下表：

　　由于在脫硫漿液應用中，介質的流速一般大于2 m/s，因此自由安裝方式不適合，因此廣泛應用T型套管的安裝方式。

2.3 改造后密度計安裝方式

　　結合音叉式密度計的工作特性，從降低流經密度計的漿液流速和消除漿液內氣泡聚集從而提高漿液密度測量準確性為切入點，提出改造方案并加以實施，改造后的密度計安裝方式如圖3所示。

　　為控制漿液通過密度計的流速，將套管加長并在套管與主管道之間加裝連通管，從而在主管道外形成一個

　　漿液小旁路，降低了漿液流通速度。由于吸收塔底部脈沖泵和氧化風機的作用，漿液內混有大量氣泡。連通管的設計，保證了氣泡能夠隨著漿液流動帶走，避免了氣泡聚集的發生。

　　改造難點

　　(1)由于脫硫密度計分別安裝在磨機漿液泵出口管道、漿液箱供漿泵出口管道、脈沖懸浮泵出口管道。各自管道漿液性質差異較大，對套管長度設計有一定影響。

　　(2)各自泵出力不同，需考慮加裝連通管后，能否有足夠壓力使漿液通過密度計套管和連通管進入母管。

　　(3)密度計套管與主管道的連接管直徑應把握好，防止堵塞。

　　結合以上因素，需根據不同主管道漿液流速找到對應平衡點，使得密度計套管內流體流速既能滿足測量要求，又不易造成管路堵塞。

　　根據現場情況，通過實驗尋找最優取樣連通管直徑和長度，數據如下：

　　對試驗結果進行分析說明：

　　由于現場密度計安裝測點較多，管道內介質流速不一，大概流速在1~5m/s間，根據密度計安裝設計說明，3m/s是一個分界點，因此我們針對1~3m/s以及3m/s以上流速介質所需密度計取樣管長度及連通管長度分別進行分析實驗。

　　針對1~3m/s流速漿液進行實驗：

　　第一步，根據經驗值將密度計套管長度固定為37cm，連通管直徑分別從0cm到4cm安裝方式進行實驗，通過數據得出連通管直徑在2cm時誤差為6最小，太大太小都誤差都會變大，因此連通管固定為2cm;

　　第二步，在連通管直徑為2cm情況下，加長或縮短密度計取樣套管長度，通過實驗，在套管長度為35cm時測量值與手工測量值誤差絕對值最小為1kg/m3。

　　通過現場試驗，最終確定主管道漿液流速在1~3m/s內時，密度計套管長度為35cm，連通管直徑為2cm;主管道漿液流速大于3m/s內時，密度計套管長度為40cm，連通管直徑為3cm。并定期對密度計套管進行檢查，檢查磨損及堵塞情況，確保密度計準確、穩定的測量。該項目已經申請發明型專利和實用型專利

　　3 鍋爐渣水對外零排放創新優化

　　鍋爐機械除渣系統設計時采用封閉式循環水沖渣，經回水沉淀池、過濾池將水、礦渣分離，然后將沉淀后礦渣用機械撈渣等工藝過程。由于沖渣水循環反復使用，導致沖渣水水質差、循環水泵故障率高，當補水設置不當時循環過程中會造成渣水溢流出回水池，排放出的廢水對環境造成一定的影響。

　　為了節能、節約水資源、滿足環保等要求，在此系統中加入了撈渣機水封水位監視測點，以實現撈渣機水封水位的自動控制。因撈渣機水封水池環境特殊，給儀表選型、儀表的測量帶來了很大的困難，因此在設備管理過程中特別關注了這些問題，經過不斷地積累經驗，通過專業技術人員大量分析與試驗并 采取了一些有效的技術改進措施，從而確保生產的安全穩定，下面闡述該項技術創新。

　　3.1、渣水液位控制系統液位計選型

　　3.1.1非接觸式儀表

　　a、超聲波液位計

　　超聲波物位計工作原理是由超聲波換能器(探頭)發出高頻脈沖聲波遇到被測物位(物料)表面被反射折回反射回波被換能器接收轉換成電信號，聲波的傳播時間與聲波的發出到物體表面的距離成正比。

　　超聲波液位計雖能解決了沖渣水水質差的難題，工作穩定、可靠，是測量液位的理想儀表。但超聲波液位計在安裝時有特殊要求，現場撈渣機水封槽上方有大量的管道、支撐架等障礙物，因而在聲波呈發射擴散后收到管不到、支撐架的干擾，無法滿足超聲波液位計安裝要求，而且價格昂貴因此從實用、經濟的角度來說超聲波液位計也不適用。

　　b、激光液位計

　　通過多方選擇調研，我們采用了ABB激光液位計，激光液位計射程遠、且激光液位計發射端與接收端光束較小，安裝方便，只需找到適當空間便可實現水位監測。

　　經過安裝后發現整個夏季監測效果較好，但到達秋冬季節以后，撈渣機與環境溫差較大時，水面會產生較大的濃霧，而且天氣溫度越低，濃霧越大。此時激光液位計出現大幅波動，既使將激光能量調節至最大(因激光無限大對人身會有一定影響，因此激光液位計激光能量)，波動依然存在，無法顯示現場渣水系統的真實水位，因此激光液位計也不適用于此場合。

　　3.1.2接觸式儀表

　　a、投入式液位計變送器

　　投入式液位變送器有價格低、工作穩定可靠、安裝維護方便、同時又能適應水池的特殊環境等優點。它的安裝方式是：將變送器探頭經過保護套管直接投入到水池底部。工作原理當水位發生變化時，探頭壓力感應膜片將做相應的位移變化，使變送器輸出標準電流(4～20 mA)信號傳遞到智能數顯表，由智能數顯表顯示出水池實際水位情況。但由于沖渣水溫度高(約80℃)，使儀表探頭電器元件加速老化。由于水渣質較多，使探頭壓力感應膜片表面快速結垢，而改變原有的機械特性，隨著時間的延長，這種現象越來越嚴重，儀表的穩定性、可靠性、準確性就越來越差。

　　b、頂裝式磁性浮子液位計

　　頂裝式磁性翻柱液位計是以浮球組件為測量元件，通過液體浮力作用，使浮球下下移動，帶動頂桿上端的磁鋼上下變化，經磁性藕合作用，使顯示器組件的磁性翻柱翻轉達到跟蹤液體液位變化，當液位上升，翻柱由白色轉為紅色，當液位下降時翻柱由紅色轉為白色，紅白界位處就為容器內介質液位的實際高度，從而實現液位自動跟蹤顯示。配上配套儀表可用于遠傳檢測，以實現自動控制功能。 

　　此液位計特點①測量范圍大，不受容器高度限制;②顯示器組件與被測介質完全隔離，故密封性好可靠安全;③結構簡單，安裝方便，維修簡易;④價格低廉。通過與制造商進行溝通，將液位計(如圖5)的保護管和浮球設計為耐腐蝕材料。在安裝過程中我們根據頂裝式磁性浮子液位計的安裝要求進行安裝。

　　由于撈渣機的運行，水封槽內的渣水隨之發生流動，所以保護管不能夠舍棄，否則長時間的運行會造成液位計浮球的頂桿變形，進而導致液位計無法繼續使用。 經過認真的分析，我們在順著水流方向保護管的兩側略微偏斜的位置切割約20mm左右的一個縫隙，目的可以確保保護管的渣水能夠流動起來，流動的渣水沖刷保護管內壁以及浮球表面，通過測試，發現進行適當的改造后保護管內壁以及浮球表面灰渣的附著程度大大降低。

　　經過近一個月的觀察，液位計液位運行指示良好，通過液位合理的控制，撈渣機水封槽渣水基本實現零溢流，有效解決了渣水系統存在的諸多難題，該項目已經申請國家發明型和實用型專利，正在公示階段。

　　4 加熱器測量液位方式優化

　　給水加熱器是電廠回熱系統的重要輔機之一，汽輪發電機組設有多臺低壓加熱器和高壓加熱器，低壓加熱器用來加熱由凝汽器至除氧器的凝結水，以保證除氧器的除氧效果;高壓加熱器用來加熱除氧器至給水泵至鍋爐省煤器的給水。給水加熱器高效精確的液位控制，可以降低能量損失并顯著節約燃料成本，有計算結果表明，投入高壓加熱器可降低發電煤耗7g，可見高壓加熱器對節能降耗有重要作用，但是液位控制關鍵要因就是要個穩定可控的液位測量。

　　4.1加熱器水位高低對加熱器及設備影響分析

　　加熱器液位控制不準確，有效的換熱表面積減少，會降低熱交換效率，液位過低蒸汽和水的混合物吹掃過加熱器降低了熱交換效率，出現兩相流和閃蒸 – 傷害設備本體，給水端差、疏水端差、加熱器溫度提升的速度降低。液位過高緊急輸水打開以排水 -- 損失效率，并可能傷害設備本體。所以加熱器水位應保持在規定值范圍內，否則會給安全、經濟運行造成不良后果，尤其是高壓加熱器水位急劇上升時會導致汽輪機葉片汽蝕產生嚴重后果。

　　加熱器的水位是由高溫高壓的汽輪機抽汽在加熱器內與管道內的給水進行熱交換凝結而成。高壓加熱器水位之間受熱力系統的影響而相互影響，熱力系統中高壓加熱器疏水由最高壓力的加熱器通過調節閥流到較低壓力的高壓加熱器，最后到最低壓力的高壓加熱器。低壓水位之間的也是相互影響的，與高壓加熱器一樣，低壓加熱器疏水由最高壓力的低壓加熱器通過調節閥流到較低壓力的低壓加熱器，最后到最低壓力的低壓加熱器。

　　4.2凝汽器加熱器水位高低對加熱器及設備影響分析

　　凝汽器是補充水系統，由于發電廠系統內部存在設備本身和系統造成的蒸汽和凝結水的損失以及系統對外有供熱設備，因此存在著蒸汽和凝結水的損失(汽水損失)，它直接影響著發電廠的安全經濟運行。凝汽器是汽輪機的主要輔助設備，它的主要作用是回收做過功的蒸汽，是負壓容器，對化學補充水進行初級除氧，補充水溫度較低可在凝汽器中吸收排氣熱量，提高凝汽器真空，進而提高機組熱效率。

　　凝汽器熱井水位過低或過高，也要影響機組的安全經濟運行。當凝汽器熱井水位過高淹沒銅管時，會使凝結水過冷度增加，使溶于凝結水中的氧氣增多導致凝汽器到除氧器之間的管道閥門和加熱器受到腐蝕，而且凝結水過冷使冷卻水帶走的熱量增大，回熱系統加熱凝結水的熱量增加，降低汽輪機的經濟性。因此凝汽器熱井水位的自動控制系統是非常重要的，這個過程中就需要準確的測量凝汽器的液位。

      4.3加熱器差壓測量方式和浮筒測量方式分析比較

　　我司原有的加熱器和凝汽器液位測量裝置其測量方式采用的是差壓式測量變送器，該測量方式是基于壓力差值變化測量液位，影響測量結果的因數很多，特別是：1)平衡容器處于真空環境，對變送器感應膜片造成影響，輸出虛假讀數;2)取樣管路上接頭、閥門較多，真空環境下取樣管路細小的泄露就會導致平衡容器基準液位發生變化，導致測量偏差。測量不準確直接帶來的就是以上分析造成的機組熱效率低。

        浮筒式測量方式的液位計導波雷達液位計或磁致伸縮液位計(如下圖所示)是一種可進行連續液位、界面測量，并提供用于監視和控制的模擬信號輸出的高精度的測量儀表。下面重點介紹一下磁致伸縮液位計構成及工作原理，磁致伸縮液位計由三部分組成: 1)360度內磁浮子;2) 傳感器 (壓磁傳感器和磁致傳感管);3) 塑封全智能化電子裝置?？芍悄芑幊?，帶有液晶顯示，可顯示總體液位，界面液位以及溫度輸出的電信號，實際液位值、溫度值、帶有偏移量的實際液位值等。磁致伸縮液位計工作原理：在一非磁性傳感管內裝有一根磁致伸縮線，在磁致伸縮線一端裝有一個壓磁傳感器，該壓磁傳感器每秒發出10個電流脈沖信號給磁致伸縮線，開始計時，該電流脈沖同磁性浮子的磁場產生相互作用，在磁致伸縮線上產生一個扭應力波，這個扭應力波以已知的速度從浮子的位置沿磁致伸縮線向兩端傳送。直到壓磁傳感器收到這個扭應力信號為止，壓磁傳感器可測量出起始脈沖和返回扭應力波間的時間間隔，根據時間間隔大小來判斷浮子的位置，由于浮子總是懸浮在液面上，且磁浮子位置隨液面的變化而變化， 即時間間隔大小也就是液面的高低，然后通過全智能化電子裝置將時間間隔大小信號轉換與被測液位成比例的4-20mA信號(HART)進行輸出。

　　經過現場實際案例分析、比較，室外差壓變送器導壓管冬天用伴熱不當會造成導壓管內的液體汽化，必需定期進行排氣和充隔離液，當物料有雜質時會造成儀表堵塞，儀表維護人員工作量大，采用浮筒式液位計后儀表維護量減少很多。這種改造后的浮筒液位計測量精度高，精度不受工藝參數變化影響，通常這種改造對管道變化要求最小，體積變小，有效避免測量介質氣體、真空、液體對液位測量的影響，通過改造，測量數據真實可靠，保證系統能按照合適的液位控制，實現機組的節能，右圖所示我司凝汽器和低壓加熱水位隨升降負荷時液位變化曲線圖，測量真實的反應了在負荷變化時凝器液位隨負荷進行變化反應了凝汽器內部液位真實值的變化以便于運行人員進行操作判斷，高低壓加熱器水位在整個過程中測量準確。

　　4.4液位測量方式的選用

　　浮筒式的磁致伸縮液位計和導波雷達式液位計作為新興的測量儀表，這種測量方式具有精度高、穩定性和可靠性好的優點。在我廠成功的應用，經觀察和分析這兩種測量裝置長期穩定性好，并且維護簡便，對于國內其它電廠需要小量程高精度液位測量的監測項目，具有很好的借鑒與推廣意義。

　　通過以上這些典型問題的分析解決，河南華潤電力首陽山有限公司熱控設備的可靠性得到了大幅的提升，機組安全運行也有了保證，我們將繼續進行不斷的設備優化改造和創新使熱控設備的測量準確和保護動作更加可靠。