热井是凝汽器下部收集凝结水的集水井。全称“凝汽器热井”,俗称“热水井”。安装在汽轮机表面式凝汽器底部的一种直立圆筒状部件。用以汇集由大量乏汽连续冷凝而生成的主凝结水。因外形似水井，故名热井。

凝汽器热井水位的准确测量对于机组的安全经济运行极为重要,在机组启、停过程中, 运行参数变化较大,对水位的严密监视显得更为重要。针对以往业主提出的凝汽器热井液位测量方案存在的问题,结合华能威海三期凝汽器热井液位自动调节系统,本文在此探讨凝汽器热井液位测量方案和热井水位的控制策略。

凝汽器水位过高和过低对机组的影响主要体现在以下3个方面:

(1)凝汽器水位过高至淹没铜管时, 会使整个凝汽器的冷却面积减少、凝汽器真空值下降和凝结水过冷却,还会使凝结水吸收空气,导致凝结水含氧量增加并加快凝汽器铜管的锈蚀, 从而降低设备使用的安全性和可靠性。同时,还会导致凝结水温度降低, 增加除氧器加热所需要的抽汽量,从而使机组的热效率降低。

(2)凝汽器水位升高至淹没空气管时, 会使射水抽气器抽水,凝汽器真空值严重下降,若在这种情况下继续带负荷,会造成机组发生超负荷运行,容易出现推力轴承乌金的磨损和轴向位移过大或轴封发生摩擦等严重故障,如果真空值下降至64kPa, 低真空保护就会动作,否则,低压缸排汽门会爆破, 致使机组被迫停止运行。

(3)凝汽器水位过低,将会引起凝结水泵气蚀, 直接影响凝结水泵安全运行,同时,会使凝结水泵出力下降,迫使除氧器的水位也跟着下降,严重时还会导致锅炉降低出力。

由于凝汽设备内部具有高度真空, 因此,液位测量装置必须保持良好的气密性, 使之不影响凝汽设备的真空度并保证液位测量的准确性。为此, 传统方法常采用平衡容器、差压变送器以及温度补偿的方式来实现(华能威海三期工程原本计划采用这种方式进行液位测量)。作者多次审查差压变送器液位测量方案并考察电厂实际应用的效果,在分析差压变送器的测量原理后,决定放弃该液位测量方案,改为导波雷达液位变送器进行液位测量。

2.1 差压变送器液位测量方案

对于整个测量单元来说, 差压变送器液位测量的准确性以及精度主要依赖于一次测量元件, 即平衡容器产生差压值的准确性和可靠性。而平衡容器差压值的准确性受到多方面因素的影响(如压力、温度、管路阀门及容器密封性),对于凝汽器热井液位测量来说,平衡容器内凝结水形成时间等方面的因素都直接影响到平衡容器差压值的准确性。测量单元投运初期,平衡容器凝水管内凝结水尚未形成或正在形成的过程中,此时, 平衡容器产生的差压值是不准确甚至是反相的,得到的液位值是不准确的,在这段时间内,控制系统因无法得到准确的液位信号而失去对液位的控制依据。在机组正常运行过程中, 热井作为一个负压容器本身的水位波动就比较大, 差压式测量容易因密封不严而造成静压补偿不足, 导致测量不准。因此,传统的差压变送器测液位的方法不适用于凝汽器热井液位的测量。

2.2 导波雷达液位变送器液位测量方案

导波雷达液位变送器采用时域反射原理, 无论被测对象参数如何变化, 导波雷达始终跟踪实际液由发生器产生1个沿导波杆(探头)向下传送的电磁脉冲波(雷达波), 当遇到比先前传导介质(空气或蒸汽)介电常数大的液体表面时,雷达波被反射,通过超高速计时电路计算出雷达波从发射到接收的传导时间, 传导时间与雷达波速度乘积的1/2即为液体表面到变送器底部位移,从而实现对液位的精确测量。测量介质压力、温度只对导波雷达探头结构有要求,不会对测量产生影响。

2.3 系统液位测量

华能威海三期汽轮机厂家要求凝汽器热井液位控制在数字电液控制系统中实现, DEH要求3个热井液位信号。鉴于凝汽器热井液位在机组安全稳定运行中的重要性,需要对液位测量装置进行冗余设置。由于凝汽器高背压侧和低背压侧热井之间有连通管道,热井里的水从高背压侧热井流向低背压侧热井, 在两侧热井液位建立动态平衡的过程中,低背压侧热井液位更能相对准确的反应凝汽器热井液位的当前值。该工程在高背压侧热井设置2个导波雷达液位计, 1个液位信号送往数字电液控制系统,另一个送往分散控制系统DCS(DistributedControlSys-tem);在低背压侧设置3个导波雷达液位计, 2个液位信号送往DEH, 1个送往DCS。由于热井水位降低至低二值时,联锁启动另外一台化学补充水泵,化学水可编程控制器PLC(ProgrammableLogicControl-ler)需要一热井液位信号, 所以, 在低背压侧再设置1个导波雷达液位计,信号通过硬接线送往化学水PLC。

在高低背压侧热井上分别配置1个磁翻板液位计, 方便巡检人员就地监视水位。方案更改之后,凝汽器本体配供的6套单室平衡容器不再使用, 施工单位在现场拆除平衡容器筒体, 保留平衡容器与凝汽器本体间的取源管、阀门等配套附件,将6个导波雷达液位计按照上述安装位置进行安装。

凝汽器水位控制系统通常选择单回路调节方案, 被控变量选择凝汽器水位,控制变量选择凝结水补水调节阀。当机组负荷发生大幅度变化时, 凝汽器内的凝结水量也随之发生变化。由于凝汽器热井容积较小,故其水位变化十分明显, 此时,单凭凝汽器水位信号的变化来控制凝汽器补水调节阀就会造成凝汽器水位的大幅度波动而使水位不易控制。凝汽器热井作为1个容器,其凝汽器热井水位发生变化时,必定会影响除氧器的水位。由于除氧器的水箱容积较大, 除氧器水位允许变化的范围也较大。因此,为使各关联系统均能在最合理、最经济的状态下工作,采用增加前馈信号的办法来提高调节系统的应变和处理能力,以减少外扰对系统的不良影响。前馈信号采取除氧器水位控制系统中PID调节器的输出,把它加在凝汽器水位PI调节器的输入端, 可和当前值与设定值的差值信号叠加, 来作为控制系统的最终输入。这样,凝汽器水位调节器可提前作出判断,发出对应的响应指令,使系统在负荷变化时能保证凝汽器水位在允许范围内变化, 同时,也使除氧器水位在动态过程中可得到较好的控制。,设置凝汽器水位控制器参数时,由于水位响应迟延较大,超调量较大, 再由于对象惯性较大, 积分调整时间长, 反映到实际过程中,凝汽器补水调节阀开度变化幅度大,水位的调整波峰多,衰减稳定周期长。为解决此问题, 根据凝汽器补水调节阀阀门开度对水位的扰动试验, 阀门开度增量与水位纯延迟时间和上升速度的乘积之间存在线性定量关系,即水位偏差与阀位偏差的定量关系,框图中K 值根据此计算所得。控制器比例增益设置为1,积分参数按照常态设置,该方案的控制结果将阀门衰减振荡波峰缩减为1 ～2个,凝汽器补水调节阀的动作频率大幅度减少,有效缩短了水位的调整振荡过程,同时改善了被控变量和控制变量的品质。由于实际定值里包含了阀位的初始位置值,该方案的水位实时参数与定值之间会存在一个恒差, 适用于被控变量可长期有差, 控制精确度要求不大的系统。此恒差经验证不大于3 mm,可以满足系统控制精度要求。

本文提出的凝汽器热井液位测量方案和控制策略已经应用于华能威海电厂三期工程的控制系统中,在不久前的调试过程中,取得了良好的测量和控制效果。该液位测量控制方案和控制策略是作者结合工程实践得出的经验和体会,该方案可稳定地控制凝汽器热井水位,有效缩短调节回路的振荡周期, 从而有利于机组的安全稳定运行, 给类似工程凝汽器热井液位的测量和控制提供参考和借鉴。