在電力、化工和石油等工業(yè)生產(chǎn)和過程控制中，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，維持容器內(nèi)液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。常規(guī)的電動式、氣動式液位控制裝置，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作頻繁，普遍存在各種問題，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高或過低，使回?zé)峒訜崞鞯目煽啃圆?，?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。針對這些問題，根據(jù)汽液兩相自平衡原理設(shè)計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現(xiàn)液位自動控制。
1 兩相流液位控制器的原理和特點
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)計的，不需外力驅(qū)動。該控制器動力源來自所需控制容器內(nèi)的蒸汽（氣），由于汽液比容相差很大，作為動力源的蒸汽量需求很少。工業(yè)生產(chǎn)過程中，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，加熱器內(nèi)水位升高，傳感器感知水位過高的信號，此時進(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，傳感器感知水位過低的信號，傳感器內(nèi)調(diào)節(jié)汽量增加，而通過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：水位調(diào)節(jié)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)水位的自動連續(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；整個液位控制系統(tǒng)無活動部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠；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)
通過現(xiàn)場實際運行經(jīng)驗和理論研究，汽液兩相流液位控制器主要對傳感器結(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信號管感知加熱器內(nèi)水位信號，信號管上下兩部分與加熱器內(nèi)汽空間和水空間聯(lián)通，在實際運行中發(fā)現(xiàn)加熱器水位經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)偏差，經(jīng)過理論分析和實驗研究發(fā)現(xiàn)，傳感器感知的水位信號與加熱器實際水位信號存在差異，其本質(zhì)原因是蒸汽和水通過信號管時壓損不同。后來將水位傳感器由外置式改進(jìn)為內(nèi)置式，信號管直接伸入加熱器內(nèi)，如圖2b）所示。

圖2 水位信號傳感器改進(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失真問題，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)場應(yīng)用，剛開始調(diào)節(jié)器能很好的維持液位，但經(jīng)過長時間運行后，發(fā)現(xiàn)液位調(diào)節(jié)器不能準(zhǔn)確的維持液位。對現(xiàn)場調(diào)節(jié)器分析發(fā)現(xiàn)，隨著調(diào)節(jié)汽長時間沖刷，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)器長時間維持液位穩(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)器混合腔長度的改進(jìn)
在現(xiàn)場應(yīng)用的兩相流液位控制的噴嘴和孔板處于一個封閉的混合腔內(nèi)，這樣的好處就調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，無泄漏。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)場安裝時有局限性，因此將孔板和噴嘴從混合腔中分離出來，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)場實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）水位運行時由于串汽使疏水管道內(nèi)為汽液兩相流動，此時蒸汽比容增大導(dǎo)致汽水混合物流動阻力增加，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加熱器，其串汽份額為。根據(jù)排擠下一級加熱器抽汽程度，可分為排擠部分下一級抽汽，排擠全部下一級抽汽，排擠更遠(yuǎn)一級加熱器抽汽三種情況。排擠抽汽雖然蒸汽熱量和工質(zhì)沒有出系統(tǒng)，沒有直觀的熱量損失，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。
對于圖5所示的加熱器熱力系統(tǒng)，份額的蒸汽排擠Noj-1級抽汽，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，會導(dǎo)致整個機(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)以上公式可計算出某國產(chǎn)600MW機(jī)組加熱器在不同串汽份額時機(jī)組的做功能力損失，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性相對變化值以及煤耗的變化。機(jī)組主要計算參數(shù)見文獻(xiàn)。
從表1中的計算數(shù)據(jù)可知，隨著加熱器串汽份額的增加，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性越來越低，煤耗不斷增加，同時排擠高能級抽汽對機(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 加熱器無水位運行對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響
4 結(jié)語
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)簡單，無泄漏，無運動部件等優(yōu)點。在實際運行過程中，通過對傳感器和調(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，同時延長了使用壽命。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際中的廣泛應(yīng)用，對各生產(chǎn)單位提高經(jīng)濟(jì)效益實現(xiàn)低碳環(huán)保產(chǎn)生積極的意義。