在電力、化工和石油等工業(yè)生產(chǎn)和過(guò)程控制中,，很多情況下都需要在壓力容器內(nèi)有進(jìn)水或凝結(jié)水和有出水并且還有氣體存在時(shí),，維持容器內(nèi)液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。常規(guī)的電動(dòng)式,、氣動(dòng)式液位控制裝置,，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁，普遍存在各種問(wèn)題,，例如在火電廠中加熱器疏水調(diào)節(jié)裝置故障引起加熱器水位過(guò)高或過(guò)低,，使回?zé)峒訜崞鞯目煽啃圆睿瑖?yán)重影響設(shè)備和系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,；在氨水生產(chǎn)過(guò)程中,，氨水導(dǎo)致水位控制裝置產(chǎn)生腐蝕、泄露的情況十分突出,。針對(duì)這些問(wèn)題,，根據(jù)汽液兩相自平衡原理設(shè)計(jì)出兩相流液位控制器，該控制器利用汽液兩相自平衡原理和液位控制理論實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制,。
1 兩相流液位控制器的原理和特點(diǎn)
兩相流液位控制器是基于流體力學(xué)及汽液兩相流理論設(shè)計(jì)的,，不需外力驅(qū)動(dòng),。該控制器動(dòng)力源來(lái)自所需控制容器內(nèi)的蒸汽（氣），由于汽液比容相差很大,，作為動(dòng)力源的蒸汽量需求很少,。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,，汽液共存且需要維持液位穩(wěn)定的容器大都滿足兩相流液位控制器的應(yīng)用,。以火電廠加熱器系統(tǒng)為例,，兩相流液位控制系統(tǒng)如圖1所示,。

圖1 兩相流液位控制器與加熱器的連接系統(tǒng)圖

1-加熱器2-傳感器3-閘板閥4-調(diào)節(jié)器5-旁路閥

其工作原理是,，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增大時(shí),，加熱器內(nèi)水位升高,，傳感器感知水位過(guò)高的信號(hào),，此時(shí)進(jìn)入傳感器的調(diào)節(jié)汽量減少，在調(diào)節(jié)器通流面積不變的情況下,，調(diào)節(jié)汽量減少導(dǎo)致加熱器疏水管路流量增大,，加熱器總疏水量增大,，加熱器內(nèi)水位回落,；反之,，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷減小時(shí),，傳感器感知水位過(guò)低的信號(hào)，傳感器內(nèi)調(diào)節(jié)汽量增加，而通過(guò)閘板閥的疏水量卻減少，加熱器總疏水量減小，加熱器水位回升。如此往復(fù)直到加熱器內(nèi)水位達(dá)到新的平衡,，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器內(nèi)水位的目的,。
與常規(guī)的水位控制裝置相比，兩相流自調(diào)節(jié)液位控制器有如下特點(diǎn)：水位調(diào)節(jié)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)水位的自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié),，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，在機(jī)組50%-100%負(fù)荷內(nèi)滿足加熱器水位的控制,；整個(gè)液位控制系統(tǒng)無(wú)活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,；易于安裝，降低檢修工作量,；防磨防腐蝕性能好,。
2 汽液兩相流液位控制器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論研究，汽液兩相流液位控制器主要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu),、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)以及汽液混合器混合腔長(zhǎng)度進(jìn)行了改進(jìn),。
2.1傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
汽液兩相流液位控制器早期通過(guò)信號(hào)管感知加熱器內(nèi)水位信號(hào)，信號(hào)管上下兩部分與加熱器內(nèi)汽空間和水空間聯(lián)通,，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)加熱器水位經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)偏差,，經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),，傳感器感知的水位信號(hào)與加熱器實(shí)際水位信號(hào)存在差異,，其本質(zhì)原因是蒸汽和水通過(guò)信號(hào)管時(shí)壓損不同,。后來(lái)將水位傳感器由外置式改進(jìn)為內(nèi)置式，信號(hào)管直接伸入加熱器內(nèi),，如圖2b）所示,。

圖2 水位信號(hào)傳感器改進(jìn)示意圖

a）外置式傳感器b）內(nèi)置式傳感器

內(nèi)置式傳感器解決了水位信號(hào)失真問(wèn)題,，提高了液位控制器的調(diào)節(jié)精度，近幾年應(yīng)用的兩相流液位控制器多采用內(nèi)置式傳感器,。
2.2調(diào)節(jié)器裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
調(diào)節(jié)器作為兩相流液位控制器的核心部件,，控制著裝置的疏水量和疏汽量,，對(duì)液位穩(wěn)定性和大調(diào)節(jié)負(fù)荷起關(guān)鍵作用。調(diào)節(jié)器的核心部件是文丘里管,，與普通文丘里管不同的是,，其喉部開(kāi)有若干圓孔，作為調(diào)節(jié)器的通道,。隨著兩相流液位控制器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,，剛開(kāi)始調(diào)節(jié)器能很好的維持液位，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,，發(fā)現(xiàn)液位調(diào)節(jié)器不能準(zhǔn)確的維持液位。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)器分析發(fā)現(xiàn),，隨著調(diào)節(jié)汽長(zhǎng)時(shí)間沖刷,，進(jìn)汽孔直徑不斷增大，導(dǎo)致液位調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差,。經(jīng)研究,，將調(diào)節(jié)器混合腔結(jié)構(gòu)改為“前置孔板+漸縮噴嘴”的型式，汽液兩種流體直接在混合腔內(nèi)混合,，調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖3所示,。
改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)避免了調(diào)節(jié)汽的沖刷，改善了調(diào)節(jié)器長(zhǎng)時(shí)間維持液位穩(wěn)定的特性,，此外調(diào)節(jié)器孔板和噴嘴都采用標(biāo)準(zhǔn)件,，降低了調(diào)節(jié)器的生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)器的使用壽命,。

圖3 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)變化圖

a）改進(jìn)前b）改進(jìn)后

2.3調(diào)節(jié)器混合腔長(zhǎng)度的改進(jìn)
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的兩相流液位控制的噴嘴和孔板處于一個(gè)封閉的混合腔內(nèi),，這樣的好處就調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)泄漏,。隨著兩相流液位控制器的廣泛應(yīng)用,，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)有局限性，因此將孔板和噴嘴從混合腔中分離出來(lái),，發(fā)現(xiàn)液位控制器仍然能有效的調(diào)節(jié)水位,，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的兩相流液位控制器

1- 加熱器2- 傳感器3- 孔板4- 噴嘴5- 閘板閥6- 旁路閥

與原結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)后的液位控制器可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要靈活安裝調(diào)節(jié)器,。
3 經(jīng)濟(jì)性分析
加熱器低（無(wú)）水位運(yùn)行時(shí)由于串汽使疏水管道內(nèi)為汽液兩相流動(dòng),，此時(shí)蒸汽比容增大導(dǎo)致汽水混合物流動(dòng)阻力增加，汽泡很可能阻塞疏水管道,，加熱器的蒸汽隨疏水流向下一級(jí)加熱器,，其串汽份額為。根據(jù)排擠下一級(jí)加熱器抽汽程度,，可分為排擠部分下一級(jí)抽汽,，排擠全部下一級(jí)抽汽，排擠更遠(yuǎn)一級(jí)加熱器抽汽三種情況,。排擠抽汽雖然蒸汽熱量和工質(zhì)沒(méi)有出系統(tǒng),，沒(méi)有直觀的熱量損失，但是蒸汽的能量品位卻發(fā)生貶值,，使熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性降低,。
對(duì)于圖5所示的加熱器熱力系統(tǒng)，份額的蒸汽排擠Noj-1級(jí)抽汽,，系統(tǒng)新蒸汽損失的功為：
ΔH=αc（hj-hn）-αc[（hj-hj-1）ηj-1]+（hj-1-hn）（1）
式中ΔH—新蒸汽損失的功,，kJ/kg；
hj—Noj加熱器抽汽焓,，kJ/kg,；
hj-1—Noj-1加熱器抽汽焓，kJ/kg,；
αc—Noj加熱器串汽份額,；
hn—汽輪機(jī)低壓缸排氣焓，kJ/kg,，
ηj-1—Noj-1加熱器抽汽效率,。
系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的相對(duì)變化：
δηi=-ΔH
H-ΔH×100%（2）
式中δηi—系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性變化值；
H—熱力系統(tǒng)新蒸汽的等效焓降,，kJ/kg,。

圖5 加熱器局部熱力系統(tǒng)圖
需要指出的是，加熱器串汽排擠的是再熱抽汽時(shí),，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組再熱份額發(fā)生改變,，從而影響蒸汽的循環(huán)吸熱量，計(jì)算應(yīng)加以考慮,。
其他熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：
熱耗率的變化
Δq=-q·δηi（3）
式中Δq—機(jī)組熱耗變化值,，kJ/（kW·h）；
q—機(jī)組熱耗,，kJ/（kW·h）,。
標(biāo)準(zhǔn)煤耗的變化
Δb=-b·δηi（4）
式中Δb—機(jī)組煤耗變化值,，g/（kW·h）；
b—機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗,，g/（kW·h）,。
根據(jù)以上公式可計(jì)算出某國(guó)產(chǎn)600MW機(jī)組加熱器在不同串汽份額時(shí)機(jī)組的做功能力損失，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化值以及煤耗的變化,。機(jī)組主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn),。
從表1中的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，隨著加熱器串汽份額的增加,，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越低,，煤耗不斷增加，同時(shí)排擠高能級(jí)抽汽對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響更大,。兩相流液位控制器能有效維持加熱器水位,，使加熱器安全經(jīng)濟(jì)工作。

表1 加熱器無(wú)水位運(yùn)行對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響
4 結(jié)語(yǔ)
兩相流液位控制器作為一種自力式液位調(diào)節(jié)器,，根據(jù)汽液兩相流原理自動(dòng)維持容器液位的穩(wěn)定,，相比其他傳統(tǒng)液位調(diào)節(jié)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，無(wú)泄漏,，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,，通過(guò)對(duì)傳感器和調(diào)節(jié)器等核心部件的改進(jìn)使該液位調(diào)解器的調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確有效,，同時(shí)延長(zhǎng)了使用壽命。兩相流液位控制器在火力發(fā)電廠高低加疏水系統(tǒng)的應(yīng)用能有效提高回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性,。隨著該液位控制器在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，對(duì)各生產(chǎn)單位提高經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保產(chǎn)生積極的意義,。