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 技术论文

 两相流技术在电站锅炉连续排污流量测量中的应用

张殿樑 盖新华
江苏省新海发电有限公司(连云港222023)

  摘 要 如何准确测量电站锅炉连续排污水流量,不仅在保证锅炉本体安全、提高发电机组经济性方面有重要意义,而且也为在类似工业场合下应用两相流技术提供了借鉴。介绍了新海发电有限公司利用两相流技术测量锅炉连续排污流量的应用实践和实际效果,并对多两相流技术测量连续排污水流量的原理和在现场如何进行实流标定以确定测量精度和重复性作了阐述。
  主题词 两相流 电站锅炉 流量 测量
  Abstract How to accurately measure continuous discharge capacity of power station boilers is not only important in assuring the safety of boilers and in increasing economic benefit of power sets, but also provides lessons for the use of two-phase flow techniques in similar industrial cases. The applying practice and achieved effects of this technique in Xinhai Power Generation Co., Ltd. Are introduced. The principle for measuring continuous discharge capacity and the method of actual flow calibration for measuring accuracy and repetitivity are also described.
  Subject Headings Two-phase flow, Power station, Flow rate, Measurement


概  


  电站锅炉除了要对汽轮机提供稳定压力和温度的过热蒸汽外,还必须对蒸汽中的杂质进行处理,以保证汽轮机和锅炉的安全性和经济性。对杂质的处理就是将锅炉汽包中部分盐度较高及含有磷酸盐处理后形成的软质沉淀物炉水排走,这就是所谓的排污,通常有定期和连续排污两种方法。长期以来,电厂一般都是使用常规方法设计的标准流量孔板测量锅炉汽包连续排污水流量的,但是用这种方法测量流量的准确性和稳定性极差,根本就没有数据参考价值,更谈不上在运行状态下正确地指导连续排污的操作,以致于电厂为了保证锅炉水质只能将连续排污调整门开度固定在较大范围,而无法顾及由此造成的热量损失。形成此种现象的根本原因是从锅炉汽包中排出的污水是压力、温度都比较高的饱和水,当其由汽包中排出后,由于压力陡降,部分介质发生相变,形成了既有汽又有水的两相流体混合物,而常规的标准流量孔板只适用于对水或蒸汽的单相流体的流量进行测量,对两相流体的流量进行测量就很难保证其测量的精度和稳定性。多年来,多相流流量的测量问题由于在多领域应用的特殊性而一直受到国内外的广泛关注,但目前还没有一套通用而完整的解决方法,具体到对锅炉连续排污水这种两相流体流量的测量,是国内一直未得到彻底解决的老大难问题。采用多相流的研究成果,攻克这一难题,对火力发电厂节能降耗、安全经济生产有着十分突出的意义。基于这种情况,新海发电有限公司和西安交通大学共同合作,利用两相流技术研制了电站锅炉连续排污流量测量装置,较好地解决了两台670t/h锅炉连续排污流量的测量问题,获得了可观的经济效益。


原理简介


  对电站锅炉连续排污流量的测量是依据了汽水两相流的原理,当饱和水流经管路系统和几何尺寸一定的节流件时,节流件前后将产生一定的压降△Pr,该压降大小随来流的干度(含汽率)x、来流压力PL和排污流量G的改变而改变,即:
                △Pr=f1(x,PL,G)
  由热力学原理可知,在汽包压力一定时,可确定其饱和焓,排污介质流动过程为节流过程,该过程为等焓过程,测量汽包到节流装置前管道中来流的压降(PQ PL),可确定来流的干度
                x= f2(PQ,PQ- PL
  实测压降△Pr与汽包压力PQ、来流压力PL和排污流量G有关
                △Pr=f3(PQ,PL,G)
  由此可知,通过对汽包压力PQ、来流压力PL和节流件前后压差△Pr的测量,就可以计算出排污流量G值
                G=f4(PQ,PL,△Pr)
  此关系可根据两相流有关方面理论确定,首先,由分相流动模型出发,建立实际压降△Pr与折算为单相介质的等效压降之间的关系,再由等效压降△P计算流过节流件的排污流量G。多相流分相流动模型的运算过程比较复杂,在利用两相流技术测量电站锅炉连续排污流量的装置中是通过98/96系列单片微机的强大运算功能实现的。
  由于测量的锅炉汽包排污水是典型的汽水混合物,并含有杂质,若采用标准的同心孔板,介质流过孔板会产生分离并沉积在上游侧,无法得到正确稳定的流量信号,难于实现对锅炉排污流量的测量,为此采用了非标准的异形孔板,圆满地解决了差压信号的稳定性问题。


标定的方法


  多相流技术是近30年发展起来的一门新兴学科,多相流流量的测量是该学科的重要分支。由于发展的时间较短,目前国内外还未形成多相流流量方页的标准,也无国家授权认证的标准计量装置,因此如何在工业现场标定连续排污流量装置的测量精度和重复性是一个重要的课题。目前对两相流体流量的标定方法采用的是间接测量法,已知的有闪蒸标定法、凝结法和混合凝结法,其中闪蒸法由于仅需测量相应时间间隔的排污水量,无需改动热力系统,不增加换热设备,无需消耗冷却水量或循环水量,省时省力而适用于现场。
  闪蒸法标定的原理为:当流量为G的锅炉排污水从汽包排出经过异形孔板节流件进入扩容器后,由于扩容器内压力比汽包压力低得多,必然有一部分污水通过闪蒸变为饱和蒸汽而进入除氧器。若设扩容器内剩余的污水量为G1,闪蒸为饱和蒸汽的污水量为G2,考虑到介质流动为等焓过程,根据质量和能量守恒定律,得到闪蒸扩容系数
            C=G1/G=(i"1-i)/(i"1-i'1
其中 i——汽包内饱和水的比焓
   i"1——扩容器内饱和蒸汽的比焓
   i'1——扩容器内饱和水的比焓
  从而得到锅炉的排污水流量为
                G=G1/C
  如果将扩容器作为测量剩余污水量的标准容器,在任一稳定工况下,测量零水位到满水位的时间间隔,依据事先标定的水位与水量的关系,求出锅炉排污水量G,与连排流量计相应时间间隔的平均流量相比较,即可确定连排流量计的准确度和重复性,达到实流标定的目的。在目前尚无多相流流量测量标准的情况下,采用闪蒸法的方法进行汽水两相流的实流标定,物理概念清晰,测试数据是可信的。


实际应用及效果


  新海发电有限公司两台670t/h锅炉系北京巴威公司生产R WB-670-13.7-M型锅炉,自1990年、1991年投产以来,两台锅炉的连续排污流量测量装置一直运行不正常,无法为运行人员提供稳定可信的数据,运行人员不能合理控制连续排污的流量,为保证锅炉本体的安全,运行人员只能将连续排污调整门的开度固定在70%到80%之间,增加了不必要的能源损失,如此长时间的运行了近10年,其间的热量损失是非常惊人的。为了解决这个问题,我们于1998年12月在两台670t/h锅炉上使用了运用两相流技术测量锅炉排污流量的装置(如图1)。该装置主要由异形孔板节流件、压力/差压变送器、二次仪表组成,#11炉异形孔板节流件位于排污调整门后,#12炉异形孔板节流件位于排污调整门前,具体安装位置见锅炉连续排污流量系统布置图。当锅炉排污水流过异形孔板节流件时,其前后将产生压力差△Pr,压力/差压变送器分别将汽包压力PQ、来流压力PL和节流件前后压差信号△Pr转换成4~20mA的标准电流信号后送入二次仪表。在二次仪表中,三个输入信号经过电流/电压转换电路、光耦隔离电路送入98/96系列单片微机输入口,再经过两相流分相流动模型的计算和处理则得出排污流量的瞬时值和累计值。


图1 锅炉连续排污流量系统布置图

  安装时应注意将异形孔板节流件的缺口置于上方,节流件前直管段长≥30Dn(Dn为管道公称直径),节流件后直管段长≥5 Dn,呈水平布置。
  为防止介质中的气体进入导压管和差压变送器,差压变送器布置在节流件的下方。
主要技术指标:
  ·测量介质:汽水两相混合物(可含杂质)或带汽泡、含杂质的液体
  ·介质压力:0~32MPa
  ·介质温度:20~400oC
  ·流量范围:3~30t/h
  ·精度:2.5级
  ·重复性≤1%·FS
  ·线性度≤1%·FS
  为了验证锅炉连续排污水流量测量装置的准确性和稳定性,新海发电有限公司以闪蒸法原理为依据,于1999年2月和同年11月共同组织对11#炉的连续排污流量测量装置进行了测试和现场标定。测试记录见表1,标定数据如表2。

表1 #11炉连续排污流量测试记录

序号
时间
h:min:s
汽包压力
(MPa)
来流压力
(MPa)
节流件差压△Pr
(kPa)
瞬时流量G
(t/h)
1
10:05:06
14.70
2.83
453.309
19.16
2
10:06:52
14.57
2.66
397.003
17.46
3
10:07:12
14.47
2.33
368.670
15.62
4
10:08:19
14.81
1.47
72.028
5.63
5
10:09:46
14.89
0.50
184.244
4.27
6
10:10:29
14.88
0.26
120.306
2.29
7
10:13:42
14.79
0.21
70.944
1.67
8
10:15:24
14.84
0.18
37.772
1.15
9
10:17:06
14.87
0.17
26.910
0.96

表2 #11炉标定数据

序号
时间间隔
(s)
汽包压力
(MPa)
扩容器压力
(MPa)
水位变化
(mm)
扩容系数
实际流量
(t/h)
显示流量
(t/h)
绝对误差
(t/h)
1
206.67
13.04
0.481
300
0.58303
16.544
16.62
0.076
2
349.67
14.11
0.457
500
0.56055
16.649
16.80
0.15
3
363.48
13.47
0.406
500
0.56744
15.820
16.12
0.30
4
256.33
12.35
0.390
500
0.58686
21.694
21.40
-0.29
5
511.42
11.17
0.315
500
0.58917
10.831
11.02
0.19

  从表1中可看出,在汽包压力基本稳定的情况下,来流压力随排污调整门开度变化而变化,开度越大,来流压力越高;排污瞬时流量与来流压力和节流件差压有关,若来流压力不变,差压增加,瞬时流量相应增大。
  从表2中可以看出,连续排污流量测量装置的最大绝对误差△=0.30t/h,装置的量程G=20t/h,于是可得该装置的最大相对误差为:
              γ=△/G×100%=1.5%
  考虑到连续排污流量测量装置系统综合误差是由实际流量误差(和含水位计误差、时间间隔测量误差、扩容器容积测量误差、扩容系数计算误差)装置的最大相对误差合成所得为:2.45%,小于2.5%的精度指标要求。
  上述测试和实流标定结果表明锅炉连续排污流量测量装置设计正确、合理,性能指标能满足现场的技术要求。
  LGPW系列锅炉排污流量装置自1998年12月投运以来测量数据准确,二次仪表反映灵敏,信号稳定,抗干扰能力强,工作可靠。当调整排污阀开度变化时,排污流量表能连续平稳地变化,无跳变现象,而当徘污阀开度不变时,排污流量表指示稳定,LGPW系列锅炉排污流量装置的使用解决了锅炉连续排污水量流量测量的准确性和稳定性问题。该装置的投运为分析汽水品质、确定排污水量,合理调整排污门开度提供了科学依据,保证了机组的安全、经济运行,从而为新海发电有限公司汽水平衡、热平衡、热力系统能损分析提供了可靠的数据,提高了能源管理水平。
  新海发电有限公司在两台670t/h锅炉上应用两相流技术成功解决了长期困扰该厂锅炉连续排污流量测量问题,证明锅炉连续排污流量测量装置在电站锅炉连续排污流量的测量方面有着广阔的应用前景,能够获得十分可观的经济效益,该装置同时也可以在类似的汽水两相流场合进行推广。


(本文编辑:黄永场 收稿日期:2001-04-18)

 
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