华润首阳山热控灵活性改造典型案例分析

　　【摘要】对于国内大型现代化燃煤机组，热控设备从设计、安装、维护已逐步趋于成熟和完善，但由于地域差别和环境要求，以及近年来国内煤、电、人力市场的变化，从安全性、经济性、稳定性等各方面对热控行业也提出了更高的要求。本文介绍了该公司热控专业的部分创新性密度计安装方式、捞渣机水位测量、加热器液位测量等方式改造和部分申请专利成果，以供借鉴和推广。

　　1 概述

　　华润首阳山在运营期间和2015年度的小修、脱硝改造、超洁净、供热等工程中，由于热控设备的特点以及设计、安装等其它各方面因素，遇到了不少问题。本文主要针对脱硫密度计准确度、捞渣机水位控制零溢流、火电厂凝汽器及高低压加热器液位测量等方面遇到的问题及解决过程，重点阐述该厂热控相关的部分创新亮点。

　　2 脱硫浆液密度计取样方式的创新优化

　　密度计作为火电厂湿法脱硫工艺控制系统的重要测量工具，对确保脱硫系统物料平衡具有不可替代的作用。通过在线测量石灰石浆液的密度来控制SO2的转化率，可以提高脱硫系统的经济性和运作效率。因此，精确、稳定的在线密度测量仪表对于湿法脱硫转化率的控制至关重要，华润电力首阳山共有6台密度机，其均采用音叉式密度计。

　　2.1 音叉式密度计工作特性

　　2.1.1 工作原理

　　在目前的火电厂脱硫系统中，音叉密度计是应用较为广泛的浆液密度计，音叉密度计传感器是根据元器件振动原理而设计，此振动元件类似于两齿的音叉，叉体因位于齿根的一个压电晶体而产生振动，振动的频率通过另一个压电晶体检测出来，通过移向和放大电路，叉体被稳定在固定谐振频率上。当介质流经叉体时，因介质质量的改变，引起谐振频率的变化，因此通过检测音叉固有振动频率，即可确定液体的密度。

　　2.1.2 工作特性

　　音叉式密度计的优点是安装维护方便，测量精度高，可达到± 2 kg/m3。其缺点是直接与浆液接触，易磨损、易腐蚀，在实际应用中必须采用合金材料，价格相对较高;对浆液流速要求高，需控制在0~1m/s之间。

　　2.2改造前密度计安装方式

　　目前，根据管道尺寸及介质的流速不同，音叉密度计安装方式有两种，自由安装和T

　　型套管安装，如图(1)、(2)所示。

　　两种安装方式条件及缺点如下表：

　　由于在脱硫浆液应用中，介质的流速一般大于2 m/s，因此自由安装方式不适合，因此广泛应用T型套管的安装方式。

2.3 改造后密度计安装方式

　　结合音叉式密度计的工作特性，从降低流经密度计的浆液流速和消除浆液内气泡聚集从而提高浆液密度测量准确性为切入点，提出改造方案并加以实施，改造后的密度计安装方式如图3所示。

　　为控制浆液通过密度计的流速，将套管加长并在套管与主管道之间加装连通管，从而在主管道外形成一个

　　浆液小旁路，降低了浆液流通速度。由于吸收塔底部脉冲泵和氧化风机的作用，浆液内混有大量气泡。连通管的设计，保证了气泡能够随着浆液流动带走，避免了气泡聚集的发生。

　　改造难点

　　(1)由于脱硫密度计分别安装在磨机浆液泵出口管道、浆液箱供浆泵出口管道、脉冲悬浮泵出口管道。各自管道浆液性质差异较大，对套管长度设计有一定影响。

　　(2)各自泵出力不同，需考虑加装连通管后，能否有足够压力使浆液通过密度计套管和连通管进入母管。

　　(3)密度计套管与主管道的连接管直径应把握好，防止堵塞。

　　结合以上因素，需根据不同主管道浆液流速找到对应平衡点，使得密度计套管内流体流速既能满足测量要求，又不易造成管路堵塞。

　　根据现场情况，通过实验寻找最优取样连通管直径和长度，数据如下：

　　对试验结果进行分析说明：

　　由于现场密度计安装测点较多，管道内介质流速不一，大概流速在1~5m/s间，根据密度计安装设计说明，3m/s是一个分界点，因此我们针对1~3m/s以及3m/s以上流速介质所需密度计取样管长度及连通管长度分别进行分析实验。

　　针对1~3m/s流速浆液进行实验：

　　第一步，根据经验值将密度计套管长度固定为37cm，连通管直径分别从0cm到4cm安装方式进行实验，通过数据得出连通管直径在2cm时误差为6最小，太大太小都误差都会变大，因此连通管固定为2cm;

　　第二步，在连通管直径为2cm情况下，加长或缩短密度计取样套管长度，通过实验，在套管长度为35cm时测量值与手工测量值误差绝对值最小为1kg/m3。

　　通过现场试验，最终确定主管道浆液流速在1~3m/s内时，密度计套管长度为35cm，连通管直径为2cm;主管道浆液流速大于3m/s内时，密度计套管长度为40cm，连通管直径为3cm。并定期对密度计套管进行检查，检查磨损及堵塞情况，确保密度计准确、稳定的测量。该项目已经申请发明型专利和实用型专利

　　3 锅炉渣水对外零排放创新优化

　　锅炉机械除渣系统设计时采用封闭式循环水冲渣，经回水沉淀池、过滤池将水、矿渣分离，然后将沉淀后矿渣用机械捞渣等工艺过程。由于冲渣水循环反复使用，导致冲渣水水质差、循环水泵故障率高，当补水设置不当时循环过程中会造成渣水溢流出回水池，排放出的废水对环境造成一定的影响。

　　为了节能、节约水资源、满足环保等要求，在此系统中加入了捞渣机水封水位监视测点，以实现捞渣机水封水位的自动控制。因捞渣机水封水池环境特殊，给仪表选型、仪表的测量带来了很大的困难，因此在设备管理过程中特别关注了这些问题，经过不断地积累经验，通过专业技术人员大量分析与试验并 采取了一些有效的技术改进措施，从而确保生产的安全稳定，下面阐述该项技术创新。

　　3.1、渣水液位控制系统液位计选型

　　3.1.1非接触式仪表

　　a、超声波液位计

　　超声波物位计工作原理是由超声波换能器(探头)发出高频脉冲声波遇到被测物位(物料)表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号，声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。

　　超声波液位计虽能解决了冲渣水水质差的难题，工作稳定、可靠，是测量液位的理想仪表。但超声波液位计在安装时有特殊要求，现场捞渣机水封槽上方有大量的管道、支撑架等障碍物，因而在声波呈发射扩散后收到管不到、支撑架的干扰，无法满足超声波液位计安装要求，而且价格昂贵因此从实用、经济的角度来说超声波液位计也不适用。

　　b、激光液位计

　　通过多方选择调研，我们采用了ABB激光液位计，激光液位计射程远、且激光液位计发射端与接收端光束较小，安装方便，只需找到适当空间便可实现水位监测。

　　经过安装后发现整个夏季监测效果较好，但到达秋冬季节以后，捞渣机与环境温差较大时，水面会产生较大的浓雾，而且天气温度越低，浓雾越大。此时激光液位计出现大幅波动，既使将激光能量调节至最大(因激光无限大对人身会有一定影响，因此激光液位计激光能量)，波动依然存在，无法显示现场渣水系统的真实水位，因此激光液位计也不适用于此场合。

　　3.1.2接触式仪表

　　a、投入式液位计变送器

　　投入式液位变送器有价格低、工作稳定可靠、安装维护方便、同时又能适应水池的特殊环境等优点。它的安装方式是：将变送器探头经过保护套管直接投入到水池底部。工作原理当水位发生变化时，探头压力感应膜片将做相应的位移变化，使变送器输出标准电流(4～20 mA)信号传递到智能数显表，由智能数显表显示出水池实际水位情况。但由于冲渣水温度高(约80℃)，使仪表探头电器元件加速老化。由于水渣质较多，使探头压力感应膜片表面快速结垢，而改变原有的机械特性，随着时间的延长，这种现象越来越严重，仪表的稳定性、可靠性、准确性就越来越差。

　　b、顶装式磁性浮子液位计

　　顶装式磁性翻柱液位计是以浮球组件为测量元件，通过液体浮力作用，使浮球下下移动，带动顶杆上端的磁钢上下变化，经磁性藕合作用，使显示器组件的磁性翻柱翻转达到跟踪液体液位变化，当液位上升，翻柱由白色转为红色，当液位下降时翻柱由红色转为白色，红白界位处就为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位自动跟踪显示。配上配套仪表可用于远传检测，以实现自动控制功能。 

　　此液位计特点①测量范围大，不受容器高度限制;②显示器组件与被测介质完全隔离，故密封性好可靠安全;③结构简单，安装方便，维修简易;④价格低廉。通过与制造商进行沟通，将液位计(如图5)的保护管和浮球设计为耐腐蚀材料。在安装过程中我们根据顶装式磁性浮子液位计的安装要求进行安装。

　　由于捞渣机的运行，水封槽内的渣水随之发生流动，所以保护管不能够舍弃，否则长时间的运行会造成液位计浮球的顶杆变形，进而导致液位计无法继续使用。 经过认真的分析，我们在顺着水流方向保护管的两侧略微偏斜的位置切割约20mm左右的一个缝隙，目的可以确保保护管的渣水能够流动起来，流动的渣水冲刷保护管内壁以及浮球表面，通过测试，发现进行适当的改造后保护管内壁以及浮球表面灰渣的附着程度大大降低。

　　经过近一个月的观察，液位计液位运行指示良好，通过液位合理的控制，捞渣机水封槽渣水基本实现零溢流，有效解决了渣水系统存在的诸多难题，该项目已经申请国家发明型和实用型专利，正在公示阶段。

　　4 加热器测量液位方式优化

　　给水加热器是电厂回热系统的重要辅机之一，汽轮发电机组设有多台低压加热器和高压加热器，低压加热器用来加热由凝汽器至除氧器的凝结水，以保证除氧器的除氧效果;高压加热器用来加热除氧器至给水泵至锅炉省煤器的给水。给水加热器高效精确的液位控制，可以降低能量损失并显著节约燃料成本，有计算结果表明，投入高压加热器可降低发电煤耗7g，可见高压加热器对节能降耗有重要作用，但是液位控制关键要因就是要个稳定可控的液位测量。

　　4.1加热器水位高低对加热器及设备影响分析

　　加热器液位控制不准确，有效的换热表面积减少，会降低热交换效率，液位过低蒸汽和水的混合物吹扫过加热器降低了热交换效率，出现两相流和闪蒸 – 伤害设备本体，给水端差、疏水端差、加热器温度提升的速度降低。液位过高紧急输水打开以排水 -- 损失效率，并可能伤害设备本体。所以加热器水位应保持在规定值范围内，否则会给安全、经济运行造成不良后果，尤其是高压加热器水位急剧上升时会导致汽轮机叶片汽蚀产生严重后果。

　　加热器的水位是由高温高压的汽轮机抽汽在加热器内与管道内的给水进行热交换凝结而成。高压加热器水位之间受热力系统的影响而相互影响，热力系统中高压加热器疏水由最高压力的加热器通过调节阀流到较低压力的高压加热器，最后到最低压力的高压加热器。低压水位之间的也是相互影响的，与高压加热器一样，低压加热器疏水由最高压力的低压加热器通过调节阀流到较低压力的低压加热器，最后到最低压力的低压加热器。

　　4.2凝汽器加热器水位高低对加热器及设备影响分析

　　凝汽器是补充水系统，由于发电厂系统内部存在设备本身和系统造成的蒸汽和凝结水的损失以及系统对外有供热设备，因此存在着蒸汽和凝结水的损失(汽水损失)，它直接影响着发电厂的安全经济运行。凝汽器是汽轮机的主要辅助设备，它的主要作用是回收做过功的蒸汽，是负压容器，对化学补充水进行初级除氧，补充水温度较低可在凝汽器中吸收排气热量，提高凝汽器真空，进而提高机组热效率。

　　凝汽器热井水位过低或过高，也要影响机组的安全经济运行。当凝汽器热井水位过高淹没铜管时，会使凝结水过冷度增加，使溶于凝结水中的氧气增多导致凝汽器到除氧器之间的管道阀门和加热器受到腐蚀，而且凝结水过冷使冷却水带走的热量增大，回热系统加热凝结水的热量增加，降低汽轮机的经济性。因此凝汽器热井水位的自动控制系统是非常重要的，这个过程中就需要准确的测量凝汽器的液位。

      4.3加热器差压测量方式和浮筒测量方式分析比较

　　我司原有的加热器和凝汽器液位测量装置其测量方式采用的是差压式测量变送器，该测量方式是基于压力差值变化测量液位，影响测量结果的因数很多，特别是：1)平衡容器处于真空环境，对变送器感应膜片造成影响，输出虚假读数;2)取样管路上接头、阀门较多，真空环境下取样管路细小的泄露就会导致平衡容器基准液位发生变化，导致测量偏差。测量不准确直接带来的就是以上分析造成的机组热效率低。

        浮筒式测量方式的液位计导波雷达液位计或磁致伸缩液位计(如下图所示)是一种可进行连续液位、界面测量，并提供用于监视和控制的模拟信号输出的高精度的测量仪表。下面重点介绍一下磁致伸缩液位计构成及工作原理，磁致伸缩液位计由三部分组成: 1)360度内磁浮子;2) 传感器 (压磁传感器和磁致传感管);3) 塑封全智能化电子装置。可智能化编程，带有液晶显示，可显示总体液位，界面液位以及温度输出的电信号，实际液位值、温度值、带有偏移量的实际液位值等。磁致伸缩液位计工作原理：在一非磁性传感管内装有一根磁致伸缩线，在磁致伸缩线一端装有一个压磁传感器，该压磁传感器每秒发出10个电流脉冲信号给磁致伸缩线，开始计时，该电流脉冲同磁性浮子的磁场产生相互作用，在磁致伸缩线上产生一个扭应力波，这个扭应力波以已知的速度从浮子的位置沿磁致伸缩线向两端传送。直到压磁传感器收到这个扭应力信号为止，压磁传感器可测量出起始脉冲和返回扭应力波间的时间间隔，根据时间间隔大小来判断浮子的位置，由于浮子总是悬浮在液面上，且磁浮子位置随液面的变化而变化， 即时间间隔大小也就是液面的高低，然后通过全智能化电子装置将时间间隔大小信号转换与被测液位成比例的4-20mA信号(HART)进行输出。

　　经过现场实际案例分析、比较，室外差压变送器导压管冬天用伴热不当会造成导压管内的液体汽化，必需定期进行排气和充隔离液，当物料有杂质时会造成仪表堵塞，仪表维护人员工作量大，采用浮筒式液位计后仪表维护量减少很多。这种改造后的浮筒液位计测量精度高，精度不受工艺参数变化影响，通常这种改造对管道变化要求最小，体积变小，有效避免测量介质气体、真空、液体对液位测量的影响，通过改造，测量数据真实可靠，保证系统能按照合适的液位控制，实现机组的节能，右图所示我司凝汽器和低压加热水位随升降负荷时液位变化曲线图，测量真实的反应了在负荷变化时凝器液位随负荷进行变化反应了凝汽器内部液位真实值的变化以便于运行人员进行操作判断，高低压加热器水位在整个过程中测量准确。

　　4.4液位测量方式的选用

　　浮筒式的磁致伸缩液位计和导波雷达式液位计作为新兴的测量仪表，这种测量方式具有精度高、稳定性和可靠性好的优点。在我厂成功的应用，经观察和分析这两种测量装置长期稳定性好，并且维护简便，对于国内其它电厂需要小量程高精度液位测量的监测项目，具有很好的借鉴与推广意义。

　　通过以上这些典型问题的分析解决，河南华润电力首阳山有限公司热控设备的可靠性得到了大幅的提升，机组安全运行也有了保证，我们将继续进行不断的设备优化改造和创新使热控设备的测量准确和保护动作更加可靠。