凝汽器水位测量的改进及新方法

摘 要:论述凝汽器在特殊的工作环境中利用差压变送器测量凝汽器水位所遇到

的问题以及相应改进措施，结合目前仍然存在的缺点，通过分析汽轮机凝汽器液面测量中出现的问题，介绍测量的原理及测量的优势所在，选择取适合凝汽器水位实用测量系统。

关键词:凝汽器 水位液面测量差压式液位计 导波雷达物位计

中图分类号：O4-34文献标识码： A

维持汽轮机凝汽器水位在正常允许范围内对确保机组安全、经济运行起到重要作用。汽轮机凝汽器的任务有两个：一是在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空。以增加汽轮机蒸汽的可用焓降。提高汽轮机的热效率；二是将汽轮机排汽凝结成水，送回锅炉中重复使用。凝结器的工作是否正常直接影响到汽轮发电机的运行。而保证凝结器能够正常工作的重要参数就是维持并保证凝结器的水位在规定范围变化。水位太高或太低都影响到汽轮机组的真空，真空是影响机组经济运行的主要参数之一。由此可见。凝结器水位控制与测量是确保汽轮机组安全运行的关键参数之一。无论发生哪种异常工况都会直接影响到机组的经济性和安全性。

在火力发电厂凝汽式机组中，遵循物理学重度测量原理，应用电子式差压变送器测量凝汽器水位一直是普遍采用的方法。

1、 水位测量仪表的物理特性

用差压变送器测量诸如锅炉汽包水位、汽机高加水位或除氧器水位(测量系统见图1)都是在蒸汽侧信号取样管上安装冷凝器来建立一个恒定的基准压头。根据热力学原理，冷凝器凝结水的速度与压力容器的工作温度、压力以及环境温度有关。容器内的压力、温度越高，饱和蒸汽和水的比容越小。与环境温度相比，压力容器温度越高，冷凝器恒定压头建立的越快、保持得越稳定。如果承压容器的温度比环境温度高得不多或几乎相等，冷凝器就很难贮存到水或根本不会有水．也就无法产生恒定的压头。所以，在额定工况下启动锅炉汽包水位表比除氧器水位表要快得多。

与工作在正压的容器不同，汽轮机凝汽器的运行工况有其自身的特殊性，凝汽器内部工质的变化是利用循环冷却水把汽轮机低压缸排汽热量带走，将蒸汽凝结为水的过程．工作压力低于大气压力，也就是我们通常所说的真空状态，因此有两方面的因素对凝汽器水位测量仪表正压侧冷凝器聚集冷凝水造成不利影响。

1）蒸汽比容大，近乎无汽可凝。凝汽器与低压加热器、除氧器、锅炉汽包等相比，饱和蒸汽比容明显变大，从几十倍到几百倍不等。例如和0.12MPa的饱和蒸汽相比，凝汽器比容就已经高出了20倍。

2）工质与环境温差小，有汽难凝。大型汽轮机发电机组凝汽器的设计压力(绝对)通常在55kPa左右，从水蒸汽特性表上可以查到对应温度也就在35℃上下。把环境温度受季节变化的影响考虑在内，凝汽器的排汽温度和环境温度的最大差值也不会超过20℃。

2、凝汽器水位表的改进

早期差压变送器用于凝汽器水位表测量，取样装置和除氧器水位相类似。受汽轮机凝汽器饱和蒸汽比容大、凝结温差小的影响，正压冷凝式水位测量系统在应用中出现许多问题。

1）凝集到可供凝汽器水位表正常运行所需的冷凝水花费时间长，形成监视凝汽器水位时间上的“盲区”。

2）运行中正压侧冷凝器内的水会逐渐散失又无法观察，水位表产生不确定测量误差。

3）真空系统对测量管路的严密性要求极高，稍有泄漏．测量管路内的凝结水就会被吸入凝汽器，水位表因此而无法工作。

因此，上个世纪60年代，采取了在水位变送器正压侧冷凝器上设置注水丝堵的方法，仪表启动前进行人工注水以求改善仪表运行条件。但是实施这种措施的同时就暴露出操作不便，冲洗测量管路水量不足，不易维护等缺点。

所以上个世纪70年代就有增加辅助注水系统的改进方案。从凝结水泵的出口引接补水管路至水位表正压侧冷凝罐，用于在仪表启动前对冷凝器充水。不过，这种改进仅仅有限的减轻了人工补水的不便，并没有从根本上全面解决凝汽器水位表测量中存在的问题。

后来根据凝汽器工作特性，凝汽器水位表的测量采用了重度式凝汽器水位测量的方式。这种测量方式不同于前面提到的方法-干脆取消了用于正压头的冷凝器，并且将水位变送器的正、负压侧信号取样管对调，正压倒取自凝汽器热水井底部，负压侧引接凝汽器上部蒸汽侧-它的优点是无需冷凝水，水位表的负压管和凝汽器连通，管路从取样点水平引出后，再垂直向上至少800mm防止饱和蒸汽在管路中凝结，然后向下连接到变送器。目前这种测量方式已经成为大型机组凝汽器水位测量的典型设计。

在应用中，特别提请使用者注意两点问题。一个是要正确计算出变送器的迁移零点，也就是从正压侧取样点中心线到水位变送器膜盒中心线的铅垂距离是零点迁移的几何尺寸，再经过管路内介质密度换算后，得出零点迁移的数据。第二点就是运行一段时间以后，负压侧会产生积水，这是造成该种安装方式测量不准的主要原因。防范措施是在管路的最低点加装沉降器并定期排水。

3、正压恒流注水式凝汽器水位测量系统

珠海某发电厂（600MW超临界机组)的凝汽器水位测量则采取了一种全新的方式，如图2所示。我们称之为：正压恒流注水式测量法。

图2正压恒流注水式测量系统结构示意图

主要特点体现在建立水位变送器正压头的方式上。水位测量正压取样装置(贮水筒)安装在凝汽器热水井内，水位测量范围决定了贮水筒的高度，从水位表负压侧取样管中心线到贮水筒注水管中心线为1000mm，筒体直径Φ180mm左右，底端封闭，顶端敞开。补充注水管引自凝结水母管．穿过凝汽器外壁接入贮水筒的顶部，只要机组运行注水管就始终有水流通-连续恒流对水位变送器的正压头补水。注水管保持平稳、适量的注水流量，以防止补水流动动量增加变送器的附加测量误差，贮水筒盛满水以后多余的水溢流到凝汽器内。水位变送器的正压信号取样管取自贮水筒的底部，负压信号取样管取自凝汽器热水井。

这种测量方法的特点在于：

针对凝汽器工作在真空状态，内外温差小，水位测量仪表正压冷凝器凝结不到水或即使有水也保存不住的难题．既然不能“节流”．那就反其道而行之，采取“开源”的方法，从凝结水母管吸水建立水位测量仪表恒定的正压头，就算是遇到机组临时停机备用，容积足够太的贮水筒仍然能保持启动仪表所需要的正压头在允许范围内。应该说，这种设计构思别具一格．以量变求质变．虽然和我们前面介绍的第一种测量方法中的间断补水改进方案只有一步之差，其效果则全然不同。

这种测量方法的优点：

1）测量仪表正压头长期稳定，保证了仪表的准确性和可靠性；

2）仪表启动快，减少了仪表盲区时间：自动定量补水，方便了维护。

3）减小了仪表信号管路、阀门轻微泄漏对仪表测量的影响，不致于信号测量管路些许泄漏测量仪表立刻失灵而造成突发故障。

它的不足之处：如果在机组运行的情况下，凝汽器的真空度高，进行仪表投运是非常之困难的。

4、导波雷达物位的测量

导波雷达物位计进行界面的测量不受负荷变化的影响，和真空变化的影响，具有老系统无法比拟的界面测量效果，导波雷达物位测量技术是微波物位计的一种变型．是采用TDR时域反射原理进行工作。通常采用脉冲波方式工作，与微波物位计不同点在于微波脉冲不是通过空间传播，而是通过一根（或两根）从罐顶伸入，直达罐底的导波体传播，导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳，微波脉冲沿导波杆或缆绳外测向下传播电磁脉冲波，当电磁波在被测物料表面上被反射将会沿着导波杆反射回去，被天线（压电晶体）接收，由发射脉冲到接收到回波脉冲的时间差即可计算传播的距离。它可以测量的范围包括液体和固体物位．以及非导电液体与导电液体的分界面。

导波雷达物位测量的优点：

1）电磁波信号沿导波杆传输可消除假回波信号，减少信号的丢失。

2）整个测量装置无活动部件，无机械磨损。

3）安装调试方便。

4）不受大气情况和介质密度变化的影响。

5）适用于高温、高压的物位测量，导波雷达液位计能做到耐高压34.5Mpa(20℃)，同时耐高温高压的可达到200℃(29Mpa)、450℃(13.5Mpa)。

6）测量无“死区”精度高，全线性化，测量范围从0.6ｍ到30.5ｍ。

经过已上几种水位测量的方式对比应采用导波雷达，优于上述各种水位测量的方式。导波雷达液位计在许多复杂条件下使用时，综合性能优于其他常规液位测量技术。导波雷达液位计不受工艺复杂条件的限制，如低介电常数和变介电常数（会影响射频导纳/电容式液面计工作）、变介质密度(影响浮筒和压力/差压式液面计工作)、气化、泡沫/液面波动(影响超声波液面计工作)等的影响，很好地解决这些介质条件下的液位测量。

5、结束语

导波雷达液位计在某电厂发电机组上通过近几年的试运行收到良好的效果，是改造前机组在同系统下无法比拟的效果，该测量调节系统调试时间最短，收到的效果最好，满足了生产工艺对该系统的要求。