真空除氧器工作原理及水位测量异常分析 

     真空除氧器工作原理及水位测量异常分析，从电厂真空除氧器的工作原理、介质工作状况入手，对真空除氧器常见测量仪表的测量原理进行了介绍，并着重阐述了差压变送器测量水位的原理。在此基础上，分析了电厂真空除氧器水位异常时的工况和机理，对差压变送器水位计在除氧器异常工况时显示的水位进行了定量计算，为水位异常的正确处理提供了理论依据。
    真空除氧器是火电厂、核电厂发电工艺流程中不可缺少的设备，主要作用是除去锅炉给水中的氧气，防止游离状态的氧在高温下与金属发生氧化反应，腐蚀金属。真空除氧器为混合式回热加热器，是加热锅炉给水的重要设备，一般有定压运行和滑压运行两种方式。从锅炉给水安全考虑，除氧器水位需要基本稳定，维持在一定范围内：真空除氧器水位过低会导致漩流吸入气体，导致给水泵汽化，继而造成给水泵损坏，锅炉给水不稳定甚至中断，机组停车等严重问题；水位过高会造成压力波动，除氧不合格等问题，高到某一规定值会自动启动事故放水门，降低水位。因此，真空除氧器水位稳定，准确测量水位，正确显示水位意义重大。
    在实际运行过程中，真空除氧器水位异常时有发生，特别是滑压运行时异常次数更多，有的电厂被迫反复更换水位测量一次仪表。经过分析可知，很多异常是测量仪器受原理限制产生的错误结果。
1除氧器工作原理
    真空除氧器除去氧气的原理主要依据“亨利定律”和“气体分压定律”。“亨利定律”是指在等温、等压下，某种挥发性溶质（一般为气体）在溶液中的溶解度与液面上该溶质的分压力成正比。“气体分压定律”是指某一气体在气体混合物中产生的分压等于在相同温度下它单独占有整个容器时所产生的压力，而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和。依据这两个原理，真空除氧器中的水就要求长期处于沸腾状态，即除氧器中的水温为对应压力下的饱和水温度。
2除氧器水位测量计的种类及测量原理
    真空除氧器普遍同时安装3种水位计：一是就地水位计，如玻璃管式、磁翻板式等；二是差压变送器式水位计，一般传输到分布式控制系统(DCS)用于数字化显示水位，并作为除氧器水位的被调节量；三是电接点水位计，用于水位高、低值报警和联动事故放水阀。
    (1)就地水位计依据连通器原理，其就地显示的水位总是与除氧器内的实际水位相同，具有直观、可靠的特点，用于现场巡检时观察，并与远传信号进行对比。
    (2)电接点水位计原理较为简单，水位计上、下部均与除氧器筒体相连。根据连通器原理，水位计水位总是与真空除氧器筒内水位相同，被水位淹没的电接点会接通电源，被淹接点的指标灯因通电亮起，显示出水位，并确定适当的电接点为高、低水位报警开关量和联动事故放水阀。
    (3)差压变送器式水位计显示相对较为复杂，安装如图1所示。差压变送器测量的差压ΔP转换成模拟量，电流模拟量传输到二次仪表或DCS,再还原成水位显示。ΔP=P下-P上=P下-P0=(P0+ρgh0)-P0=ρgh0(1)式中：P上为除氧器水位以上压力；P下为真空除氧器底部压力；P0为除氧器内汽压；ρ为除氧器工作压力P0下的饱和水密度；g为重力加速度；h0为正常运行时水位高度。二次仪表通过除以ρg,还原出水位，即二次仪表显示水位为H=ΔP/(ρg)=ρgh0/(ρg)=h0(2)式中：H为DCS显示的真空除氧器水位。可以看出，正常工况下，差压变送器输出的信号，在二次仪表中显示的水位就是真空除氧器内水位。
水位异常原因分析
    在实际工作过程中，当除氧器的工作压力P变化较快时，经常出现DCS显示水位与电接点水位不相符、DCS水位与就地水位计显示不对应的现象，甚至出现因电接点水位高，高压除压器电动溢水阀动作，而DCS中显示水位正常，变化不明显的现象。部分电厂技术人员常误以为差压变送器水位计计量不准，只能更换水位计，对导致异常的原因无法进行准确分析。下面从机理上分析水位产生异常的原因。
    (1)产生水位异常基本出现在真空除氧器压力快速下降的时候，即P0快速下降时，因真空除氧器筒内的水温T0为饱和状态，P0降为P1后，对应饱和温度值T1明显下降（即T1小于T0),筒内水必将发生剧烈沸腾，部分水闪蒸成蒸汽，产生汽水共腾现象。闪蒸就是高压的饱和液体由于容器内压力突然下降，这些饱和液体温度因高于对应压强下的饱和温度，容器内部分液体会快速蒸发为对应压力下的饱和蒸汽。闪蒸发生后，饱和水内部会产生大量汽泡，汽泡将自下向上运行，直致升高到液面后破裂，释放出饱和蒸汽，显示出液面急剧升高，即日常生活中看到的水“溢出”了，饱和水变成饱和蒸汽，吸收水中汽化潜热，降低筒内水温，直至水温与液面压力P1对应的新的饱和水温T1相等，闪蒸结束，真空除氧器内达到新的饱和水与饱和汽共存的状态，进入新的稳定状态。真空除氧器水位异常就是这一闪蒸过程中出现。
    (2)当饱和水闪蒸时，水中出现大量水泡，这时我们假定除氧器内进、出水量相等，即存量水维持相对不变状态，在不变水量中产生大量水泡后，其体积必然膨胀，表现出水位明显升高，如上文所述的电接点水位计和就地水位计显示的原理，这时，两种水位计会正确显示出筒内水位。但差压变送器显示的水位就不一定能正确显示筒中水位了，即二次仪表显示水位会异常，下面就其显示的水位进行分析。
    (3)根据式(1),这时差压变送器测量出的差压ΔP=ρgh0,闪蒸过程中，真空除氧器中液体因掺有大量汽泡，体积急剧膨胀，液体的平均密度ρ会明显减小，式中的液位h0也会明显升高，其乘积的变化不便分析，但从式(1)可以看出，差压ΔP实际测量的是除氧器筒内的水柱质量，如果忽略液体中的汽体质量（相对完全可以忽略），闪蒸过程中，液柱的高度变大了，但质量是没有变化的，即差压ΔP仍保持不变，也即差压变送器发送给二次仪表的电流信号强度未变。差压变送器转化出的电信号，在二次仪表中显示过程中，水位H1依据公式(2)显示，即：H1=ΔP/(ρ1g)=ρgh0/(ρ1g)=ρh0/ρ1(3)式中：ρ1为闪蒸压力下对应的饱和水密度；H1为闪蒸发生时DCS中显示的水位。在真空除氧器压力和温度变化不大时，可以近似认为饱和水的密度不变，即ρ=ρ1,则可以得出：H1=h0(4)也就是说，差压变送器的信号在二次仪表中仍显示闪蒸前水位，水位不变，这就出现了就地仪表和电接点水位计显示水位与差压变送器显示水位不同的现象。这就是发生汽水共腾时差压变送器水位计不能正确显示水位的原理。
4差压变器液位计显示饱和温度状态液体液位异常的普遍性
    (1)差压变送器液位计具有可靠性强、信号便于向远方传递、在DCS中容易实现还原性显示、成本低、可安装在容器外等优点，尽管在饱和液体闪蒸时液位出现液位显示异常，但一般闪蒸发生的概率低，且闪蒸过程短，在无闪蒸发生时仍为液位测量方便可靠的测量方式，建议不要轻易换型。操作人员要正确判断生产过程中的异常现象，便于快速、正确处理生产异常情况，认识这一现象具有很强的指导意义。
    (2)阐述了差压变送器式水位计在真空除氧器水位异常的机理，这种机理在各种生产过程中具有一定普遍性，可参照本文方式正确分析。具有这种现象的有汽轮机高压加热器水位，锅炉汽包水位，常温常压下为气态的液化化工原料的液位等。
5水位异常时应采取的措施
    真空除氧器在运行过程中，因调整不当或机组工况急剧变化时，除氧器内压力就会出现快速下降情况，特别是滑压运行的真空除氧器，在机组负荷或锅炉主汽压力快速下降等情况出现时（如锅炉熄火），汽轮机至真空除氧器抽汽口的抽汽压力也会快速下降，这种工况容易造成除氧器发现闪蒸现象，出现水位异常。
    只要认识到真空除氧器在闪蒸发生时各种水位计显示水位的差异，就能准确判断原因，也就不会再对这种差异产生困惑，不用在仪表硬件上查找原因。
    真空除氧器闪蒸现象对系统安全运行是存在危险的，一是要尽力避免发生，二是在发生后要正确处理，主要措施有：
    (1)机组运行时，尽可能保持各运行参数稳定，避免闪蒸的发生。
    (2)多种水位计水位不相符，且就地水位计、电接点水位计水位快速升高，而差压变送器水位计显示变化很小时，如果同步有真空除氧器压力快速下降，可以判定为真空除氧器发生了闪蒸。
    (3)出现二次仪表（多为DCS)显示真空除氧器水位正常，而真空除氧器电动溢水阀动作时，不必对电动溢水阀进行干预，这时的溢水是必要的，可以保证真空除氧器不满水，防止水面封堵各除氧器各种进出汽口，出现除氧器工作异常的危险发生。
    (4)闪蒸发生时，要防止汽泡进入下水管，造成高压给水泵汽蚀，甚至锅炉给水中断，停炉、停机，这时可快速加大真空除氧器进水量，降低除氧器内水温，使水温低于相应压力下的饱和值，结束闪蒸。
    (5)真空除氧器水位异常，且给水泵出口压力有摆动现象，电动给水泵有电流不稳现象时，说明给水泵已经开始汽化，锅炉给水有中断危险，甚至损坏给水泵，这时在正确判断的前提下，应快速增加真空除氧器进汽量，达到提高真空除氧器压力，结束闪蒸，并同步提高了给水泵入口压力，结束给水泵汽化，防止锅炉给水中断。
    当容器内有一定量液体，且液体长期为对应压力下的饱和温度状态，当液面压力快速下降时，容器内液体会出现闪蒸，导致液位急剧升高，但差压变送器水位计受测量原理限制，显示液位不会体现这种升高。这种液位异常在真空除氧器较为常见，火力发电厂的高压加热器汽侧工作状况相似，也可能因闪蒸出现液位异常现象。发生这种情况时，快速、准确的判断是正确处理的前提，通过采取正确的措施可以避免险情发生，保证机组安全稳定运行。