汽液两相流液位控制器的改进分析

在电力、化工和石油等工业生产和过程控制中，很多情况下都需要在压力容器内有进水或凝结水和有出水并且还有气体存在时，维持容器内液位稳定在一定范围内。常规的电动式、气动式液位控制装置，由于执行机构动作频繁，普遍存在各种问题，例如在火电厂中加热器疏水调节装置故障引起加热器水位过高或过低，使回热加热器的可靠性差，严重影响设备和系统的安全性和经济性；在氨水生产过程中，氨水导致水位控制装置产生腐蚀、泄露的情况十分突出。针对这些问题，根据汽液两相自平衡原理设计出两相流液位控制器，该控制器利用汽液两相自平衡原理和液位控制理论实现液位自动控制。
1 两相流液位控制器的原理和特点
两相流液位控制器是基于流体力学及汽液两相流理论设计的，不需外力驱动。该控制器动力源来自所需控制容器内的蒸汽（气），由于汽液比容相差很大，作为动力源的蒸汽量需求很少。工业生产过程中，汽液共存且需要维持液位稳定的容器大都满足两相流液位控制器的应用。以火电厂加热器系统为例，两相流液位控制系统如图1所示。

图1 两相流液位控制器与加热器的连接系统图

1-加热器2-传感器3-闸板阀4-调节器5-旁路阀

其工作原理是，当机组负荷增大时，加热器内水位升高，传感器感知水位过高的信号，此时进入传感器的调节汽量减少，在调节器通流面积不变的情况下，调节汽量减少导致加热器疏水管路流量增大，加热器总疏水量增大，加热器内水位回落；反之，当机组负荷减小时，传感器感知水位过低的信号，传感器内调节汽量增加，而通过闸板阀的疏水量却减少，加热器总疏水量减小，加热器水位回升。如此往复直到加热器内水位达到新的平衡，从而达到自动调节加热器内水位的目的。
与常规的水位控制装置相比，两相流自调节液位控制器有如下特点：水位调节稳定，能够实现水位的自动连续调节，调节能力强，在机组50%-100%负荷内满足加热器水位的控制；整个液位控制系统无活动部件，结构简单可靠；易于安装，降低检修工作量；防磨防腐蚀性能好。
2 汽液两相流液位控制器的结构改进
通过现场实际运行经验和理论研究，汽液两相流液位控制器主要对传感器结构、调节器结构以及汽液混合器混合腔长度进行了改进。
2.1传感器结构的改进
汽液两相流液位控制器早期通过信号管感知加热器内水位信号，信号管上下两部分与加热器内汽空间和水空间联通，在实际运行中发现加热器水位经常出现调节偏差，经过理论分析和实验研究发现，传感器感知的水位信号与加热器实际水位信号存在差异，其本质原因是蒸汽和水通过信号管时压损不同。后来将水位传感器由外置式改进为内置式，信号管直接伸入加热器内，如图2b）所示。

图2 水位信号传感器改进示意图

a）外置式传感器b）内置式传感器

内置式传感器解决了水位信号失真问题，提高了液位控制器的调节精度，近几年应用的两相流液位控制器多采用内置式传感器。
2.2调节器装置结构的改进
调节器作为两相流液位控制器的核心部件，控制着装置的疏水量和疏汽量，对液位稳定性和大调节负荷起关键作用。调节器的核心部件是文丘里管，与普通文丘里管不同的是，其喉部开有若干圆孔，作为调节器的通道。随着两相流液位控制器的现场应用，刚开始调节器能很好的维持液位，但经过长时间运行后，发现液位调节器不能准确的维持液位。对现场调节器分析发现，随着调节汽长时间冲刷，进汽孔直径不断增大，导致液位调节出现偏差。经研究，将调节器混合腔结构改为“前置孔板+渐缩喷嘴”的型式，汽液两种流体直接在混合腔内混合，调节器结构改进如图3所示。
改进后的结构避免了调节汽的冲刷，改善了调节器长时间维持液位稳定的特性，此外调节器孔板和喷嘴都采用标准件，降低了调节器的生产成本，延长了调节器的使用寿命。

图3 调节器结构变化图

a）改进前b）改进后

2.3调节器混合腔长度的改进
在现场应用的两相流液位控制的喷嘴和孔板处于一个封闭的混合腔内，这样的好处就调节器结构简单，无泄漏。随着两相流液位控制器的广泛应用，发现这种结构在现场安装时有局限性，因此将孔板和喷嘴从混合腔中分离出来，发现液位控制器仍然能有效的调节水位，其结构如图4所示。

图4 改进后的两相流液位控制器

1- 加热器2- 传感器3- 孔板4- 喷嘴5- 闸板阀6- 旁路阀

与原结构相比，改进后的液位控制器可以根据现场实际的需要灵活安装调节器。
3 经济性分析
加热器低（无）水位运行时由于串汽使疏水管道内为汽液两相流动，此时蒸汽比容增大导致汽水混合物流动阻力增加，汽泡很可能阻塞疏水管道，加热器的蒸汽随疏水流向下一级加热器，其串汽份额为。根据排挤下一级加热器抽汽程度，可分为排挤部分下一级抽汽，排挤全部下一级抽汽，排挤更远一级加热器抽汽三种情况。排挤抽汽虽然蒸汽热量和工质没有出系统，没有直观的热量损失，但是蒸汽的能量品位却发生贬值，使热力系统热经济性降低。
对于图5所示的加热器热力系统，份额的蒸汽排挤Noj-1级抽汽，系统新蒸汽损失的功为：
ΔH=αc（hj-hn）-αc[（hj-hj-1）ηj-1]+（hj-1-hn）（1）
式中ΔH—新蒸汽损失的功，kJ/kg；
hj—Noj加热器抽汽焓，kJ/kg；
hj-1—Noj-1加热器抽汽焓，kJ/kg；
αc—Noj加热器串汽份额；
hn—汽轮机低压缸排气焓，kJ/kg，
ηj-1—Noj-1加热器抽汽效率。
系统热经济性的相对变化：
δηi=-ΔH
H-ΔH×100%（2）
式中δηi—系统经济性变化值；
H—热力系统新蒸汽的等效焓降，kJ/kg。

图5 加热器局部热力系统图
需要指出的是，加热器串汽排挤的是再热抽汽时，会导致整个机组再热份额发生改变，从而影响蒸汽的循环吸热量，计算应加以考虑。
其他热经济指标为：
热耗率的变化
Δq=-q·δηi（3）
式中Δq—机组热耗变化值，kJ/（kW·h）；
q—机组热耗，kJ/（kW·h）。
标准煤耗的变化
Δb=-b·δηi（4）
式中Δb—机组煤耗变化值，g/（kW·h）；
b—机组发电标准煤耗，g/（kW·h）。
根据以上公式可计算出某国产600MW机组加热器在不同串汽份额时机组的做功能力损失，系统经济性相对变化值以及煤耗的变化。机组主要计算参数见文献。
从表1中的计算数据可知，随着加热器串汽份额的增加，机组经济性越来越低，煤耗不断增加，同时排挤高能级抽汽对机组经济性影响更大。两相流液位控制器能有效维持加热器水位，使加热器安全经济工作。

表1 加热器无水位运行对机组经济性指标的影响
4 结语
两相流液位控制器作为一种自力式液位调节器，根据汽液两相流原理自动维持容器液位的稳定，相比其他传统液位调节装置，具有结构简单，无泄漏，无运动部件等优点。在实际运行过程中，通过对传感器和调节器等核心部件的改进使该液位调解器的调节更加准确有效，同时延长了使用寿命。两相流液位控制器在火力发电厂高低加疏水系统的应用能有效提高回热系统的经济性和安全性。随着该液位控制器在工程实际中的广泛应用，对各生产单位提高经济效益实现低碳环保产生积极的意义。