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汽液两相流疏水器自动调节液位控制阀工作原理及使用，汽液两相流自调节液位控制器是根据汽、液两相流体的物理特征及动力学原理设计而成的,介绍了汽液两相流液位控制器的原理、特点、结构等。实践表明,该液位控制器运行稳定,可靠性高,提高了机组的经济性,在电力、石油和化工等需要控制液位的行业,具有广泛的应用前景。

我国电力行业发展迅速,高参数、大容量机组是发展的趋势,这就使加热器的运行条件变得较为复杂。加热器出现故障不能正常运行,就会影响主机和其他设备的安全运行。如果加热器内换热管泄漏、电动进气门内漏、疏水管道、空气管道、温度测点等泄漏、机组负荷低等都会造成加热器的停运,其中疏水调节装置出现故障,不能使加热器维持正常的水位所占的比重是比较大的。传统的疏水调节装置,如水封管、浮子式疏水器、疏水调节阀都存在一些不足,且它们的执行机构因动作频繁,更易出现卡涩、磨损、腐蚀、泄漏等问题。

2两相流液位控制器的原理

加热器内水位上升,疏水压差就会增大,经过主调节阀进入汽液两相流疏水器的水量增大,此时信号管内的水位也随着上升,调节汽管内通过的汽量就会减小,信号管发送的调节汽量就会减少,水量增加。此时,汽液两相流疏水器中通过的汽量减少水量增加,总的疏水量变大,加热器水位下降。反之,加热器水位下降时,疏水压差减小,经过主调节阀进入汽液两相流疏水器的疏水量减小。调节汽管内通过的水量因加热器内水位的下降而减小,汽量却增加,汽液两相流疏水器总的疏水量减小,使加热器内水位逐渐上升。

3控制器的改进之处及优缺点

目前使用的两相流液位控制器,主要对水位信号传感器和汽液两相流疏水器进行了改进。改进前,液位控制器的水位信号传感器进入加热器时,是通过汽平衡管和水平衡管分别与加热器汽空间和水空间相连,信号管将水位信号传给汽液两相流疏水器。常发现水位信号传感器内的水位不能真实反映加热器的水位,经研究,是由于流体流经汽平衡管和水平衡管的压力损失不相等造成的。后来将信号管直接伸入到加热器内部,解决了压力损失不等的问题,水位信号管才能真实地反映加热器的水位,并能正确、及时的将水位信号传给汽液两相流疏水器,信号管的布置如图1所示。

1.加热器;2.汽阀;3.汽液两相流疏水器;4.主调节阀;5.旁路调节阀;6.信号管;7.调节汽管

图1两相流自调节液位控制器系统

现在汽液两相流疏水器的结构为“前置孔板+渐缩喷嘴”,进汽方式为直接进汽,效果更好。两相流液位控制器的优点:

(1)可实现自动连续调节,使水位保持相对稳定;

(2)无任何运动部件,无机械及电、气传动装置,设计原理先进,安全可靠;

(3)采用全封闭结构,无泄漏;

(4)系统结构简单,易于安装、施工及现场维护与检修,能长期运行;

(5)采用不锈钢制造,耐腐蚀、磨损小,成本较低,能长期使用。

该控制器也存在不足之处:当控制器有调节作用时,存在着少量的蒸汽和不凝结气体进入疏水管路,对下一级加热器抽汽有排挤作用,且不凝结气体的存在也会影响下一级加热器的换热性能。大量的疏水会从调节汽管路进入下级加热器,然而,这部分疏水并没有经过加热器疏水冷却段,这就使疏水端差增大,影响了机组的经济性,因此,该控制器仍有需改进之处。

4两相流液位控制器的主要结构

4.1调节汽管

调节汽管是汽液两相流体的通道,根据现场情况将控制器安装好后,它的位置、管道的几何尺寸就定了,要尽量减小沿程阻力损失,根据沿程阻力计算知,应使管段长度l越小越好,以减d2g少这些不变的阻力。管道直径要能使调节汽量都进入汽液两相流疏水器,选择调节汽所通过管道小截面处,即汽液两相流疏水器喉部为设计依据,汽液两相流疏水器喉部通过的调节汽量G:G=0.βAminp1ρ1其中:Amin:汽液两相流疏水器的喉部截面积,即渐缩喷嘴的出口面积(m2);β:流量比即彭台门系数,引入此系数后,无论是渐缩还是缩放喷嘴,都不必先判断是否在临界状态下工作,即可使用上述公式。调节汽管的直径D为:4G0.πβ22-k-1饱和汽时k=1.,过热汽时k=1.4;p1,ρ1:喷嘴前的滞止压力(Pa),密度(kg/m3);p2:汽液两相流疏水器出口处即喷嘴后压力(Pa)。

虽然忽略了喷嘴的流量系数μ,β的计算公式仍是一个精确公式,但该式计算复杂,应用时很不方便。应用椭圆方程代替,计算结果误差不大,且计算简单,2,且有εcr=r,其中:pcr:临界压力;εcr:临界压力比,过热蒸汽εcr=0.,饱和蒸汽εcr=0.,计算时,可先根据上式算出pcr,然后再求β。基于管道损失及安全性考虑,求出调节汽管的直径D,并需乘以安全系数ξ,ξ=2.05～2.1。信号管管芯从管口开始沿轴线开了1条倒“U”形槽,经实验研究后,改为平口管,效果更好。调节汽在进入汽液两相流疏水器时,会与疏水形成汽液两相流动,汽液两相流动复杂,且会对管道、喷嘴等进行腐蚀,影响其使用寿命。进汽方向若能与疏水成一钝角,疏水就会阻碍调节汽的流动,使调节汽的速度降低,同时调节汽对疏水也有阻碍作用,疏水速度就会减慢,这样汽液两相流的速度就会降低,也就减小了对管道的腐蚀、振动,有利于其安全运行。

4.2汽液两相流疏水器

汽液两相流疏水器的结构对控制器有很大的影响,加热器水位过高时,淹没了部分有效换热面,降低机组的经济性,还有可能造成疏水进入汽轮机,使汽轮机叶片断裂、大轴弯曲,引起重大事故。水位过低或无水位运行,蒸汽就会进入疏水冷却段,冲刷疏水冷却段内的换热管,同时,汽液两相流动也会侵蚀管束、隔板等,引起管道的振动。该控制系统主要就是维持压力容器内的水位,使其正常的运行。单相流体流过孔板时,通过伯努利定律和连续性方程,可建立通过孔板的质量流量与孔板前后压力差的关系,W=YψCA(2ΔPsρs)/[1-(d/D)4]或ΔPs=W(-Y4]其中:W:单相流体的质量流量(kg/s);Y:单相流体膨胀系数;ψ:孔板热膨胀系数;C:孔板流量系数;A:孔口截面积(m2);ρs:单相流体密度(kg/m3);ΔPs:单相流体流过孔板时的压力降(Pa);d/D:孔口直径与管子内直径之比。在进行汽液两相流疏水器内部结构设计时,电厂必须准确提供加热器本级及上级疏水量及各级压力。否则,在实际运行中,汽液两相流疏水器疏水量可能满足不了实际要求,控制器不能有效地调节水位。汽液两相流疏水器的喉部直径,也就是渐缩喷嘴的喉部直径是关键部位,通过喷嘴的流体为汽液两相流体,但以单相水通过喷嘴为基准,计算其喉部直径,满足大疏水量的几何直径也一定满足汽体的流量要求。喷嘴与孔板的工作原理相同,只是结构不同,式中的系数不同而已,根据伯努利定律与连续性方程,得:ΔP=G2[s1)4]整理后得:D2=式中:G:凝结水大工况疏水量(m3/s);μ:喷嘴的流量系数;ΔP:喷嘴前后的压差(Pa);ψ:喷嘴的热膨胀系数;D1:管子内直径(m);D2:喷嘴喉部直径(m);A:喷嘴喉部截面积(m2);ρs:单相流体密度,(kg/m3)。为防止水位太高,上式求出的直径好乘以1个安全系数k=1.1～1.3。由于流体流经管道存在着压力损失,所以压差的选取,至少要能保证调节汽进入汽液两相流疏水器。汽液两相流疏水器原来的结构核心为一文丘利管,改进后的汽液两相流疏水器结构为“前置孔板+渐缩喷嘴”,如图2所示。

图2改进后的汽液两相流疏水器的结构剖面图

其中:流路1是调节汽管来的汽水混合物,流路2是加热器的疏水,且这部分疏水经过加热器的疏水冷却段,流路3是流路1和流路2混合后,经过喷嘴流向下级加热器的疏水,且含有少量的汽体。

因此,调试时,用试验的方法确定其佳正常水位,使两相流液位控制器能更有效地工作。两相流液位控制器不需要外力驱动,是自力式智能汽液两相流疏水器,其执行机构的动力源来自所需控制液位的设备。两相流液位控制器能够很好地维持加热器的正常水位,能够减少检修和维护人员的工作量,提高机组的热经济性,现已得到广泛的应用,并取得了很好的经济效益。