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探討儲槽液位計如何對汽輪機蒸汽管道積水進行自動檢測與控制
【摘 要】本文通過對汽輪機運行中蒸汽管道積水的各類自動檢測方法的可靠性、經濟性、實用性等方面進行探討和比較，總結出較為可行的實施方法和控制策略，適用于大部分熱電廠汽輪機組的運行情況。
1 汽輪機進水的危害性
眾所周知， 國內外的熱電領域曾發生過多起汽輪機進水及進冷蒸汽造成機組大規模故障的嚴重事故。 汽輪機組啟動、停運，跳閘，負荷變更時，蒸汽可能會因大幅度降溫造成部分蒸汽凝結成水， 可能會順著蒸汽流動的方向竄進入汽輪機汽缸內，造成以下嚴重損害：部件局部永久變形；葉片在 水的沖擊下很容易損傷和開裂； 轉子和靜止套件之間容易產生動靜摩擦、碰撞；更嚴重的是，可能會產生*大的熱應力，造成大軸彎曲、接合面變形等。 因此，如何對管道積水進行可靠的自動檢測并及時疏水， 是涉及到汽輪機組是否能安全穩定運行的重要因素。
2 蒸汽管道積水的原因
鍋爐運行時，當燃燒負荷出現大幅度變化，汽包達到滿水位狀態，主蒸汽溫度無法穩定控制，此時主蒸汽管道內容易產生積水， 同時還可能伴隨著冷蒸汽， 容易隨著管道進入主汽門；鍋爐蒸發量浮動太大，造成蒸汽成分不均勻，也可能造成主蒸汽管道積水現象；另外，汽輪機若處在滑停過程中，保持汽壓不變，降低汽溫，容易使蒸汽在低溫下達到飽和狀態，在管道中形成積水，積水過多可能會竄入汽輪機。
抽汽式的汽輪機組運行中， 有可能會因各種控制問題或故障等原因，出現除氧器、高/低溫加熱器滿水等情況，都有可能使相應抽汽管道產生積水，直接威脅到汽輪機的安全運行。汽輪機本體汽封及本體疏水系統，在機組剛開始啟動時，可能會因為汽封供汽管道預熱不夠產生積水。 甚至除氧器故障或漏水的情況下，也可能從汽閥桿漏氣接口倒灌至汽輪機，造成汽輪機進水。
3 蒸汽管道積水的自動檢測與控制
3.1 各類自動檢測方法的比較
3.1.1 上下管壁溫差法
在蒸汽管道上設置表面熱電阻/偶，測量其上下壁的溫度（T1、T2）， 當產生積水時， 上下管壁會有一定溫度差異 （T1－T2），結合主蒸汽溫度、壓力等其他參數的實時情況，以此來作為判斷條件啟動疏水閥。 此方法也被很多熱電廠家大量采用。
（1）測點位置的選擇：通常情況下，主蒸汽管道的測點設置在電動主蒸汽閘閥前管段及主汽門前管段上； 而抽汽管道上通常設置在抽汽逆止閥后的直管段位置。
（2）積水判斷：過熱蒸汽溫度大幅度下降，造成低溫飽和，在管道下方產生少量積水，下方管壁由于受到積水的影響，溫度相比上方管壁要略低一些。 根據經驗蒸汽管道上下壁溫差（T1－T2）大于 40℃，或者溫差的變化趨勢大于 5℃/min 時，可以初步判斷蒸汽管道可能帶有積水，DCS 系統可以 根據此參數作為條件之一參與聯鎖判斷，開啟相應的疏水閥。
蒸汽管道上下壁溫積水判斷方法雖然較為方便， 簡單易實現，但其缺點也較為明顯：由于通常蒸汽管壁較厚，測溫元件對其管內積水的判斷較為遲緩。 產生積水時，其上下壁溫差值跟很多工藝參數有關，如管徑、積水厚度、蒸汽的各種參數等，還需機組人員掌握一定的實際運行經驗。
3.1.2 疏水罐水位測量法
在蒸汽管道的低處及主蒸汽電動閥前后、主汽門前、抽汽逆止閥前等位置設置管道疏水點，根據國內外的經驗，多數采用 疏 水 罐（一 般 約 為 DN150 口 徑）的 形 式，下方再接疏水管（約為 DN50），疏水管上設置可聯動控制的疏水閥。 對疏水罐進行水位測量，可以判斷所在蒸汽管道是否有積水。 根據目前常用的測量手段，可以用電接點水位計、差壓液位計、浮球液位開關等測量儀表來實現。 由于儲槽液位計尺寸較大，對空間要求較高，在此不做考慮。
（1）開關量水位測量法 1（采用電接點水位計）：此方法主要利用水與蒸汽的導電特性存在明顯差異，來實現水位的測量，當罐內產生積水時，浸入水中的電*（*先是下端 H） 所在的儀表設備回路里對地的電阻表現為高阻狀態，此時可以進行系統報警，當水位達到上端 HH 電*時，聯鎖疏水閥進行疏水。
采用電接點水位計的缺點主要是電*在高溫高壓環境下易損壞造成密封性問題， 接線較復雜， 對周圍空間的要求較高，不易于安裝，同時價格較為昂貴。
（2）開關量水位測量法 2（采用浮球水位開關）：這是國內外大型機組常用的測量方法。 浮球液位開關測量原理為：若疏水罐中有積水時，通過開關的浮球隨水位變化而浮動，觸發磁性開關輸出水位高 H、超高 HH 信號，打開疏水閥疏水并報警。 可以設置 2 個浮球液位開關，來分別實現高H、超高 HH 水位的接點信號要求。
采用浮球開關測量疏水罐水位，缺點主要是空間問題，對安裝的要求較高，要保證垂直安裝，水位的設定較復雜需要根據實際情況調試。
（3）模擬量水位測量法（采用磁性浮子液位計）：在水位的模擬量測量中，常見的有磁性浮子液位計、超聲波液位計等，考慮到經濟性及安裝空間的要求，磁性浮子液位計的優點較為明顯，以下僅對此法進行探討。
采用磁性浮子液位計，機組人員可以從 DCS 上采集的數據觀察到罐中水位的變化趨勢，同時取壓較為方便。 但疏水罐的體積有限，在有限的空間下，罐中積水的正常情況下的水位對應的壓力差都較小， 精度和可靠性較高的變送器品*也不一定能保證實際使用的效果。 同時，罐內積水的密度和溫度**可能變化，一定程度上也影響了水位的測量精度。
3.1.3 疏水罐測溫法
在疏水罐上預留溫度測點接口，采用插入式熱電阻/偶對罐內的介質進行測量。 根據熱力基本理論可知，水/蒸汽在不同壓力環境下，對應不同的水/蒸汽飽和溫度，實際測量出的罐內介質溫度（T3），可以與當前蒸汽壓力下的飽和溫度理論值（T4）相比較，從而判斷出當前介質處于過冷、飽和或過熱狀態。
（1）采用熱電廠專用的熱套式熱電阻/偶，選配與罐體相同材質的焊接套管，套管用焊接的方式安裝在罐體上，可以很好地滿足高溫高壓的工作環境要求，更換時直接將舊熱電阻/偶旋出，新的重新插入套管扭緊即可，非常方便維護檢修；機組人員監控介質溫度的變化， 有較好的操作準備環境和報警心理前置環境。
（2）若當前介質處于過冷或飽和狀態，可以啟動疏水閥進行疏水。
（3）大致來看，國內的汽輪機正常運行下需求主蒸汽溫度的過熱度不小于 50℃。 于是汽輪機主蒸汽管道防進水的聯鎖保護設定值可以為 T4＋50℃。
疏水罐測溫法優點很明顯， 在積水產生初期就可以及時預知， 無需像其他測量方式那樣等積水達到一定程度才有效果，但對 DCS 組態整定的要求較高，需將水/蒸汽對應壓力下的飽和溫度曲線運用到策略組態當中。 隨著技術的進步，以目前工業自控系統的發展水平，已較容易實現。
3.1.4 推薦采用的測量與控制方式
綜合以上各種蒸汽管道積水測量方法的實際操作性、便捷性、經濟性來看，有以下方法及建議：
（1）主蒸汽管道積水的自動檢測與控制。推薦采用上下壁溫差法與疏水罐測溫法結合的形式，自動檢測主蒸汽管道的積水情況，不僅造價較低，還比單獨某種測量方法的可靠性要高很多，如圖 1 所示。
結合主蒸汽管道積水的上下壁溫差法與疏水罐測溫法結合自動檢測方法， 主蒸汽管道防積水可以采用如圖 2 所示中的控制邏輯與策略。
（2）抽汽管道積水的自動檢測與控制。
對于抽氣管道的積水情況， 仍采用上下壁溫差法自動檢測，控制邏輯與策略如圖 3 所示。
3.2 疏水閥類型的選擇
可選用于蒸汽管道疏水閥的類型通常有電磁閥、電動閥、及氣動閥。
（1）電磁閥適用于小口徑管道，開關速度很快，但不耐電壓沖擊，頻繁動作易損壞失效；
（2）電動閥通常用于大管道，一般均可適應高溫高壓環境，除了全開、全關，還可以實現中停，缺點是開關速度慢執行機構長時間會出現卡齒現象，不耐潮濕環境；
（3）氣動閥對大多數氣體介質和小管徑流體使用效果較好，成本低，維護方便。 響應速度相比電動閥要來得快、精度更高。 缺點是易受空壓氣壓力波動的影響，需要穩定的氣源。綜上所述，汽輪機蒸汽管道疏水閥建議選用氣動閥，結合疏水的使用要求，采用常閉式，得氣開啟的閥門類型。
4 結束語
本文通過對汽輪機運行中蒸汽管道積水的各類自動檢測方法的可靠性、經濟性、實用性等方面進行探討和比較，同時結合汽輪機系統的運行特點， 總結出較為可行的實施方法和控制策略，適用于大部分熱電廠汽輪機組的運行情況，為行業內提供一些參考。
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