摘要:從電廠(chǎng)高壓除氧器的工作原理、介質(zhì)工作狀況入手，對除氧器常見(jiàn)測量?jì)x表的測量原理進(jìn)行了介紹，并著(zhù)重闡述了差壓變送器測量水位的原理。在此基礎上，分析了電廠(chǎng)高壓除氧器水位異常時(shí)的工況和機理，對差壓變送器水位計在除氧器異常工況時(shí)顯示的水位進(jìn)行了定量計算，為水位異常的正確處理提供了理論依據。

高壓除氧器是火電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)發(fā)電工藝流程中不可缺少的設備，主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣，防止游離狀態(tài)的氧在高溫下與金屬發(fā)生氧化反應，腐蝕金屬。高壓除氧器為混合式回熱加熱器，是加熱鍋爐給水的重要設備，一般有定壓運行和滑壓運行兩種方式。從鍋爐給水安全考慮，除氧器水位需要基本穩定，維持在一定范圍內:高壓除氧器水位過(guò)低會(huì )導致漩流吸入氣體，導致給水泵汽化，繼而造成給水泵損壞，鍋爐給水不穩定甚至中斷，機組停車(chē)等嚴重問(wèn)題;水位過(guò)高會(huì )造成壓力波動(dòng)，除氧不合格等問(wèn)題，高到某一規定值會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)事故放水門(mén)，降低水位。因此，高壓除氧器水位穩定，準確測量水位，正確顯示水位意義重大。

在實(shí)際運行過(guò)程中，高壓除氧器水位異常時(shí)有發(fā)生，特別是滑壓運行時(shí)異常次數更多，有的電廠(chǎng)被迫反復更換水位測量一次儀表。經(jīng)過(guò)分析可知，很多異常是測量?jì)x器受原理限制產(chǎn)生的錯誤結果。

1 除氧器工作原理

除氧器除去氧氣的原理主要依據“亨利定律”和“氣體分壓定律”［1 －2］。“亨利定律”是指在等溫、等壓下，某種揮發(fā)性溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的分壓力成正比。“氣體分壓定律”是指某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下它單好占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力，而氣體混合物的總壓強等于其中各氣體分壓之和。依據這兩個(gè)原理，高壓除氧器中的水就要求長(cháng)期處于沸騰狀態(tài)，即除氧器中的水溫為對應壓力下的飽和水溫度。

2 除氧器水位測量計的種類(lèi)及測量原理

除氧器普遍同時(shí)安裝 3 種水位計:一是就地水位計，如玻璃管式、磁翻板式等;二是差壓變送器式水位計，一般傳輸到分布式控制系統(DCS)用于數字化顯示水位，并作為除氧器水位的被調節量;三是電接點(diǎn)水位計，用于水位高、低值報警和聯(lián)動(dòng)事故放水閥。

(1)就地水位計依據連通器原理，其就地顯示的水位總是與除氧器內的實(shí)際水位相同，具有直觀(guān)、可靠的特點(diǎn)，用于現場(chǎng)巡檢時(shí)觀(guān)察，并與遠傳信號進(jìn)行對比。

(2)電接點(diǎn)水位計原理較為簡(jiǎn)單，水位計上、下部均與除氧器筒體相連。根據連通器原理，水位計水位總是與除氧器筒內水位相同，被水位淹沒(méi)的電接點(diǎn)會(huì )接通電源，被淹接點(diǎn)的指標燈因通電亮起，顯示出水位，并確定適當的電接點(diǎn)為高、低水位報警開(kāi)關(guān)量和聯(lián)動(dòng)事故放水閥。

(3)差壓變送器式水位計顯示相對較為復雜，安裝如圖1 所示。差壓變送器測量的差壓 ΔP轉換成模擬量，電流模擬量傳輸到二次儀表或DCS，再還原成水位顯示。

式中:P 上 為除氧器水位以上壓力;P 下為除氧器底部壓力;P 0 為除氧器內汽壓;ρ 為除氧器工作壓力 P 0 下的飽和水密度;g 為重力加速度;h0 為正常運行時(shí)水位高度。二次儀表通過(guò)除以 ρg，還原出水位，即二次儀表顯示水位為

式中:H 為 DCS 顯示的除氧器水位�？梢钥闯�，正常工況下，差壓變送器輸出的信號，在二次儀表中顯示的水位就是高壓除氧器內水位。

3 水位異常原因分析

在實(shí)際工作過(guò)程中，當除氧器的工作壓力 P變化較快時(shí)，經(jīng)常出現 DCS 顯示水位與電接點(diǎn)水位不相符、DCS 水位與就地水位計顯示不對應的現象，甚至出現因電接點(diǎn)水位高，高壓除壓器電動(dòng)溢水閥動(dòng)作，而 DCS 中顯示水位正常，變化不明顯的現象。部分電廠(chǎng)技術(shù)人員常誤以為差壓變送器水位計計量不準，只能更換水位計，對導致異常的原因無(wú)法進(jìn)行準確分析。下面從機理上分析水位產(chǎn)生異常的原因。

(1)產(chǎn)生水位異�；�本出現在高壓除氧器壓力快速下降的時(shí)候，即 P 0 快速下降時(shí)，因高壓除氧器筒內的水溫 T 0 為飽和狀態(tài)，P 0 降為 P 1 后，對應飽和溫度值 T 1 明顯下降(即 T 1 小于 T 0 )，筒內水必將發(fā)生劇烈沸騰，部分水閃蒸成蒸汽，產(chǎn)生汽水共騰現象［3］ 。閃蒸就是高壓的飽和液體由于容器內壓力突然下降，這些飽和液體溫度因高于對應壓強下的飽和溫度，容器內部分液體會(huì )快速蒸發(fā)為對應壓力下的飽和蒸汽。閃蒸發(fā)生后，飽和水內部會(huì )產(chǎn)生大量汽泡，汽泡將自下向上運行，直致升高到液面后破裂，釋放出飽和蒸汽，顯示出液面急劇升高，即日常生活中看到的水“溢出”了，飽和水變成飽和蒸汽，吸收水中汽化潛熱，降低筒內水溫，直至水溫與液面壓力 P 1 對應的新的飽和水溫 T 1 相等，閃蒸結束，高壓除氧器內達到新的飽和水與飽和汽共存的狀態(tài)，進(jìn)入新的穩定狀態(tài)。高壓除氧器水位異常就是這一閃蒸過(guò)程中出現。

(2)當飽和水閃蒸時(shí)，水中出現大量水泡，這時(shí)我們假定除氧器內進(jìn)、出水量相等，即存量水維持相對不變狀態(tài)，在不變水量中產(chǎn)生大量水泡后，其體積必然膨脹，表現出水位明顯升高，如上文所述的電接點(diǎn)水位計和就地水位計顯示的原理，這時(shí)，兩種水位計會(huì )正確顯示出筒內水位。但差壓變送器顯示的水位就不一定能正確顯示筒中水位了，即二次儀表顯示水位會(huì )異常，下面就其顯示的水位進(jìn)行分析。

(3)根據式(1)，這時(shí)差壓變送器測量出的差壓 ΔP = ρgh 0 ，閃蒸過(guò)程中，高壓除氧器中液體因摻有大量汽泡，體積急劇膨脹，液體的平均密度 ρ會(huì )明顯減小，式中的液位 h 0 也會(huì )明顯升高，其乘積的變化不便分析，但從式(1) 可以看出，差壓ΔP 實(shí)際測量的是除氧器筒內的水柱質(zhì)量，如果忽略液體中的汽體質(zhì)量(相對完全可以忽略)，閃蒸過(guò)程中，液柱的高度變大了，但質(zhì)量是沒(méi)有變化的，即差壓 ΔP 仍保持不變，也即差壓變送器發(fā)送給二次儀表的電流信號強度未變。差壓變送器轉化出的電信號，在二次儀表中顯示過(guò)程中，水位 H 1 依據公式(2)顯示，即:

式中:ρ 1 為閃蒸壓力下對應的飽和水密度;H 1 為閃蒸發(fā)生時(shí) DCS 中顯示的水位。在高壓除氧器壓力和溫度變化不大時(shí)，可以近似認為飽和水的密度不變，即 ρ =ρ 1 ，則可以得出:

 

也就是說(shuō)，差壓變送器的信號在二次儀表中仍顯示閃蒸前水位，水位不變，這就出現了就地儀表和電接點(diǎn)水位計顯示水位與差壓變送器顯示水位不同的現象。這就是發(fā)生汽水共騰時(shí)差壓變送器水位計不能正確顯示水位的原理。

4 差壓變器液位計顯示飽和溫度狀態(tài)液體液位異常的普遍性

(1)差壓變送器液位計具有可靠性強、信號便于向遠方傳遞、在 DCS 中容易實(shí)現還原性顯示、成本低、可安裝在容器外等優(yōu)點(diǎn)，盡管在飽和液體閃蒸時(shí)液位出現液位顯示異常，但一般閃蒸發(fā)生的概率低，且閃蒸過(guò)程短，在無(wú)閃蒸發(fā)生時(shí)仍為液位測量#方便可靠的測量方式，建議不要輕易換型。操作人員要正確判斷生產(chǎn)過(guò)程中的異�，F象，便于快速、正確處理生產(chǎn)異常情況，認識這一現象具有很強的指導意義。

(2)文章闡述了差壓變送器式水位計在高壓除氧器水位異常的機理，這種機理在各種生產(chǎn)過(guò)程中具有一定普遍性，可參照本文方式正確分析。具有這種現象的有汽輪機高壓加熱器水位，鍋爐汽包水位，常溫常壓下為氣態(tài)的液化化工原料的液位等。

5 水位異常時(shí)應采取的措施

高壓除氧器在運行過(guò)程中，因調整不當或機組工況急劇變化時(shí)，除氧器內壓力就會(huì )出現快速下降情況，特別是滑壓運行的高壓除氧器，在機組負荷或鍋爐主汽壓力快速下降等情況出現時(shí)(如鍋爐熄火)，汽輪機至高壓除氧器抽汽口的抽汽壓力也會(huì )快速下降，這種工況容易造成除氧器發(fā)現閃蒸現象，出現水位異常。

只要認識到高壓除氧器在閃蒸發(fā)生時(shí)各種水位計顯示水位的差異，就能準確判斷原因，也就不會(huì )再對這種差異產(chǎn)生困惑，不用在儀表硬件上查找原因。

除氧器閃蒸現象對系統安全運行是存在危險的，一是要盡力避免發(fā)生，二是在發(fā)生后要正確處理，主要措施有:

(1)機組運行時(shí)，盡可能保持各運行參數穩定，避免閃蒸的發(fā)生。

(2)多種水位計水位不相符，且就地水位計、電接點(diǎn)水位計水位快速升高，而差壓變送器水位計顯示變化很小時(shí)，如果同步有高壓除氧器壓力快速下降，可以判定為高壓除氧器發(fā)生了閃蒸。

(3)出現二次儀表(多為 DCS)顯示高壓除氧器水位正常，而高壓除氧器電動(dòng)溢水閥動(dòng)作時(shí)，不必對電動(dòng)溢水閥進(jìn)行干預，這時(shí)的溢水是必要的，可以保證除氧器不滿(mǎn)水，防止水面封堵各除氧器各種進(jìn)出汽口，出現除氧器工作異常的危險發(fā)生。

(4)閃蒸發(fā)生時(shí)，要防止汽泡進(jìn)入下水管，造成高壓給水泵汽蝕，甚至鍋爐給水中斷，停爐、停機，這時(shí)可快速加大高壓除氧器進(jìn)水量，降低除氧器內水溫，使水溫低于相應壓力下的飽和值，結束閃蒸。

(5)除氧器水位異常，且給水泵出口壓力有擺動(dòng)現象，電動(dòng)給水泵有電流不穩現象時(shí)，說(shuō)明給水泵已經(jīng)開(kāi)始汽化，鍋爐給水有中斷危險，甚至損壞給水泵，這時(shí)在正確判斷的前提下，應快速增加高壓除氧器進(jìn)汽量，達到提高除氧器壓力，結束閃蒸，并同步提高了給水泵入口壓力，結束給水泵汽化，防止鍋爐給水中斷。

6 結語(yǔ)

當容器內有一定量液體，且液體長(cháng)期為對應壓力下的飽和溫度狀態(tài)，當液面壓力快速下降時(shí)，容器內液體會(huì )出現閃蒸，導致液位急劇升高，但差壓變送器水位計受測量原理限制，顯示液位不會(huì )體現這種升高。這種液位異常在高壓除氧器較為常見(jiàn)，火力發(fā)電廠(chǎng)的高壓加熱器汽側工作狀況相似，也可能因閃蒸出現液位異�，F象。發(fā)生這種情況時(shí)，快速、準確的判斷是正確處理的前提，通過(guò)采取正確的措施可以避免險情發(fā)生，保證機組安全穩定運行。