高压加热器水位控制与保护系统介绍

董 慧，张志鹏

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046）

1 概 述

高压给水加热器（以下简称高加）是火力发电厂给水回热系统的重要设备，其性能和可靠性直接影响机组整体运行的经济性，还影响到机组的稳发、满发和安全运行。高加若不能正常运行，会影响到主机或其他设备的安全运行，严重时甚至会引起设备损坏及人员伤亡事故，尤其对于现在的大容量机组而言，更应充分考虑高加系统的安全性。高加的给水系统及疏水系统，见图1所示。

2 高压加热器工作原理

图1 高加给水系统及疏水系统示意图

高压加热器是表面式给水加热器，其特点是加热工质与被加热工质相互不混合，通过U形管的管壁来传递热量。蒸汽放出热量并逐渐凝结成水，由高加的疏水口排出。由于加热蒸汽通常具有一定的过热度，为使给水温度达到所期望的值，设置了过热蒸汽冷却段，以充分利用抽汽的过热度。在凝结段内，蒸汽凝结后相变成为饱和水，同时放出汽化潜热，这是高加的主要换热区段，管内给水大部分的焓升是由这一区段提供的。为进一步降低热耗并使疏水顺利地排入下一级换热设备，高加需要设置疏水冷却段，使饱和疏水在这一区段里进一步放出热量，再以过冷水排出。

典型的高压加热器工作流程为：给水从进水口进入水室，因分程隔板的阻挡，迫使给水流入管板上的管口进入换热管，加热蒸汽的热量通过换热管传递给管内给水，给水流经U形管被加热后进入水室的出口侧，经出水口流出加热器进入下一级设备。加热蒸汽在壳体内被冷却凝结成水，再从疏水出口处流出。

3 高压加热器结构

高压加热器的结构分为壳侧和管侧。在壳侧，加热蒸汽进入高加内部后，由于包壳的作用，蒸汽通过小包壳的导流进入大包壳内，经过过热段内隔板的折流，与换热管进行换热。

凝结段是利用蒸汽冷凝时的潜热加热给水，进入凝结段的蒸汽由饱和蒸汽冷凝成饱和水，并汇集至加热器的底部。

疏水冷却段使进入的疏水温度降至饱和温度以下，疏水冷却段利用包壳的密封作用，且因凝结段保持了一定的水位，使疏水段密封。疏水进入后经隔板导流，从疏水出口处流出进入下一级换热设备。在水侧，高加水室由分程隔板分为两部分，给水从给水入口处进入高加水室，再进入U形换热管，回流至高加水室后，由给水出口处流出。高加的外形简图，见图2所示。

图2 高压加热器

4 水位测量

水位是指容器中液体介质液面的高低。水位测量在机组运行过程中具有重要作用，通过水位测量可确定设备容器中液体介质的存量位置，连续监测或调节流入或流出容器内物料的平衡，使之保持在特定的水位，以保证设备运行安全。目前，常用的测量方法有直读法、浮力法、差压法、电容法、核辐射法、超声波法、激光法以及微波法等。高压加热器的水位测量采用直读法和差压法，常用的测量设备为液位计及差压变送器等设备。

5 高压加热器的水位异常与处理措施

5.1 水位异常的危害

当高加水位过高时，会使一部分换热管浸入到水中，造成这部分传热面积失效，使高加实际换热面积降低。若水位升到过热蒸汽冷却段出口时，会在该处造成汽水对冲，对换热管损害较大。

当高加水位过低时，会使上级高加与本级高加的级间水封丧失，上级高加疏水口就成为本级高加一个压力等级更高的新蒸汽进口，即下一级高加的加热蒸汽，是由上一级高加增加额外抽汽量来供给，而本级高加的蒸汽口自动被堵塞。这种情况下，上一级高加的进汽量将成倍增加，使上级高加蒸汽冷却段蒸汽流速增快，造成上级高加过热段的换热管损坏。

5.2 处理措施

首先应校验各水位计，确认是否反映了水位的实际位置。如果发现水位超出正常规定范围时，应调整疏水调节阀的开度；如调节阀失灵或水位上升到高二水位，应开启事故疏水阀，进行水位调节；如升到高三水位，则应解列高加并关闭抽汽逆止阀，停机检查并分析水位异常的原因。

6 高压加热器水位的测量及保护

6.1 水位的测量

高压加热器一般装有1个就地磁翻板水位计，就地监测高加内的水位；3个单室平衡容器用以提取高加的水位信号；一对或多对液位开关安装接口，用来安装液位开关。液位开关能发送水位报警信号，将信号传送至DCS系统，进行连锁控制保护。

6.2 异常水位保护系统

高加设置有单室平衡容器，以提取高加内的水位信号，当水位高于或低于正常水位一定值时，平衡容器发出的水位信号，经过压差变送器变成电信号将其传送到DCS系统，由自动水位调节装置进行调节，使高压加热器水位能保持在正常水位上。每台高压加热器设置正常疏水调节阀和危急疏水阀，整台高加机组设置1个三通阀和1个闸阀。

根据加热器的设计特点及运行要求，将水位分为低水位、正常水位、高一水位、高二水位及高三水位，并在各水位分别控制并联动不同的保护装置，以使高加安全平稳地运行。

在低水位时，为防止高加低水位运行对系统各设备造成的危害，水位报警器报警并关闭疏水阀。

在高一水位时，有报警讯号，但并不联动保护装置，提醒操作人员注意巡查，查找报警原因，并及时解决。

在高二水位时，有报警讯号，为防止壳侧超压和延迟壳侧满水时间，进行故障处理，减少高加停用次数，使联动保护装置的危急疏水阀门打开，进行事故疏水。

在高三水位时，为防止壳侧满水而使水进入汽轮机，隔离抽汽止回阀，打开给水旁路三通阀、关闭上级高加来疏水、关闭疏水至除氧器的截止门和运行排气门、打开启停放水门、使高加解列。高压加热器的水位控制，见图3所示。

7 高加系统对运行水位的影响及控制

7.1 超压保护系统

高加的超压保护系统要确保高加保持在正常水位运行，如高加发生故障而保护系统未能正常运行，高加内凝结水会发生因水位过高而使凝结水进入过热段入口处，造成汽水两相冲蚀换热管，所以超压保护系统对高加水位的正常运行有着重要的作用。

（1）管侧超压保护

为防止加热器在给水进出口阀门关闭时，因汽侧进汽阀门关闭不严等原因会使管侧封存的水受热膨胀而超压，这种情况下会严重威胁管板和管子胀口的安全，甚至引起管束爆破，故在给水进、出口阀之间设置1个安全阀，按美国HEI的规定，其安全阀的最小直径为3／4英寸。此外，管侧最低点要设置放水阀，在最高点设置放气阀。

（2）汽侧超压保护

图3 高压加热器水位控制简图

由于汽侧设计压力低于管侧设计压力，为防止管子破裂使给水进入壳侧而造成汽侧超压，故应设置安全阀。其排放量按如下原则取较大者并有10%裕量：通过加热器的最大超负荷给水流量的10%；当1根传热管完全断裂时，通过2个断口排放的流量。

式（1）中：qv—— 水温为21℃时的体积流量，m3／s；

pt—— 管侧设计压力，Pa；

psh—— 壳侧设计压力，Pa；

d21—— 传热管内径，mm。

7.2 疏水系统

高加的疏水采用逐级自流，即疏水是靠上下两级高加汽侧的压力差，将疏水自动导入压力较低的下一级高加的汽侧空间，最后一级高加的疏水则自流到除氧器或凝汽器。每两级高加疏水管路设置疏水电动调节阀并布置在管路的末端，依靠阀门调节高加的水位，使高加在正常水位安全平稳地运行。疏水系统的布置，如图1所示。

在疏水系统中须注意的是管道尺寸、调节装置通流能力要与疏水量、压差等参数相适应。在实际运行中，许多电厂存在疏水管道的冲刷破裂、疏水管道振动、加热器疏水流出不畅等问题，因此，较合理设计是：

（1）高加本体设置疏水冷却段，运行中保持正常水位，使疏水在各种工况下都有一定的过冷度，这样能使疏水在流动过程中不致于汽化。

（2）加大疏水管路的管径，降低疏水流速及减少弯头，尽可能缩短管路的长度，以减少管程的阻力损失并合理选择调节阀的通流能力，解决疏水不畅通的问题。

（3）由于调节阀的压差较大，因此饱和水在经过阀门后，会汽化产生汽液两相流，易引起管路冲刷破裂及管路堵塞。采取的措施是将调节阀布置在管路的末端，并在阀后管路中采用厚壁管。

7.2.1 调节阀的口径选择

选择了合适的管径，同样需要与之匹配的调节阀门来控制水位，在自动控制系统中，应根据调节阀的流量特性，选择调节阀。调解阀的流量特性是指流过调节阀的相对流量与调节阀相对开度之间的关系。调解阀的流量大小与阀的开度和阀前、阀后压差有关，当阀的开度变化时，阀的前、后压差会发生变化。

高压加热器疏水量分为正常疏水和附加疏水量，在选取高加危急疏水阀时，主要考虑附加疏水量的大小。

高加附加疏水量计算：

（1）从2根完全断裂的传热管（4个端口）喷出的水量。

（2）相当于给水流量的10%的水量。两者取较大值，作为附加疏水量。

调解阀的口径应根据阀门的流通能力选择。流通能力C值的计算公式为：

式（2）中：Q —— 体积流量，m3／h；

G —— 质量流量，kg／h；

p1、p2—— 阀前、后绝对压力，Pa；

ρ —— 液体密度，g／m3。

7.2.2 疏水接管管径的计算

管径的选择对于水位的控制很重要，根据通过介质的最大流速和允许的压力损失，计算管子内径，由于管内工质流速的平方与压力损失成正比，所以允许的压力损失与流速有对应关系。为设计方便，常给出介质的允许流速来代替管道的允许压力损失。

对于单相流体管道，由选定的允许流速和已知流量，根据连续方程式，管子的流通截面积A的计算式为：

式（3）中：Dn——管子内径，mm；

Qv——通过管子的介质的体积流量，m3／s；

Qm——通过管子的介质质量流量，kg／h；

v——介质的比容，m3／kg；

c——介质的允许流速，m／s。

由式（3）得出：

对汽水两相流体的管道，应按有关规定计算。利用式（4）求得的管子内径称为管道的计算内径。由介质的种类、参数、管材性能及价格等因数确定管材后，再根据管材及计算内径数值，参照国家标准选择管子的公称直径。为保证流通能力，所选管子的内径应等于或稍大于计算内径。

8 结 语

高压加热器水位的控制与调节，关系到电厂运行的经济效益和高加的安全运行，对高加运行及控制系统进行合理调整，设置适当的高加运行水位，准确把握高加正常运行情况，可提高高压加热器系统的安全性和经济性。

［1］蔡锡琮.高压给水加热器［M］.北京：水利电力出版社，1995.

［2］叶之奎.发电厂热力系统及辅助设备［M］.北京；水利电力出版社，1991.

［3］程广振.热工测量与控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.