余曉明, 孔彪龍

(1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海200093;2.上海市通用機械技術(shù)研究所有限公司,上海200431)

在氧化轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過程中,煤氣余熱鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸氣量隨煉鋼工藝過程變化而呈現(xiàn)周期性變化,汽包補水也隨之出現(xiàn)周期性變化,當(dāng)轉(zhuǎn)爐停止吹煉、汽包無需補水、系統(tǒng)供水量為零時,為避免泵空轉(zhuǎn),需維持一個最小回流.以往常采用1個水循環(huán)控制閥串接在給水泵與止回閥之間的旁路中,通過進口管中的流量孔板和傳感器發(fā)出的反饋信號,由電磁閥調(diào)節(jié)水循環(huán)控制閥的開度,實現(xiàn)給水-回流過程的控制.該控制方式[1]在實際運行中的主要問題是：由于控制回路的靈敏度差,影響了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和精度,易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定并發(fā)生振蕩;而且總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,組成設(shè)備多,相對成本較高.

為此,上海理工大學(xué)與上海市通用機械技術(shù)研究所有限公司合作研制了自力式、多功能循環(huán)控制的自動回流閥組,通過系統(tǒng)的動態(tài)性能試驗,實測了自動給水-回流過程中的壓力控制、主流量、旁路流量及功率特性等,并與常規(guī)系統(tǒng)運行特性進行了比較分析.試驗研究及現(xiàn)場運行結(jié)果證明,將該自動回流閥組應(yīng)用于鍋爐、汽包供水設(shè)備及各類自動供回水控制等系統(tǒng)中,能夠大大簡化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu).

1 高壓給水的回流控制

圖1所示為2種高壓供回水循環(huán)控制系統(tǒng).其中,圖1(a)為鍋爐高壓給水常規(guī)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)配置了給水流量監(jiān)測、止回、再循環(huán)伺服控制和多級降壓等各種相應(yīng)設(shè)備,以滿足鍋爐高壓給水流量周期性變化時自動調(diào)節(jié)給水-回流的要求.這種系統(tǒng)也可簡化,采用人工控制,即在止回閥和給水泵之間的旁路中設(shè)置手動閥,省略信號反饋控制及相應(yīng)設(shè)備,但無論汽包是否補水,均要保持恒定回流,這會帶來較大的能源浪費.

為滿足企業(yè)節(jié)能技術(shù)改造和生產(chǎn)的發(fā)展,筆者自行研制和開發(fā)了高壓供回水循環(huán)自動控制系統(tǒng)(圖1(b)),其結(jié)構(gòu)見圖2.其旁路的開啟是借助于泵輸出的壓力能,關(guān)閉則依靠閥組內(nèi)所儲存的彈性勢能,而調(diào)節(jié)控制依靠管路內(nèi)流介質(zhì)的壓力變化來實現(xiàn).當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥4開度隨系統(tǒng)所需水量減少而關(guān)小時,回流閥5上端出口處的壓力隨之上升,當(dāng)達到旁路啟閉壓力的整定值時,主閥逐步關(guān)小直至閉合,旁路閥自動開啟,圖2所示的連接閥體與節(jié)流板之間的活動連桿機構(gòu)(圖略)在主閥前后壓差和彈簧勢能的共同作用下自動增大旁路閥的開度;反之,當(dāng)電動閥開度隨著系統(tǒng)所需水量增加而開大、閥上端出口處的壓力下降至旁路啟閉壓力的整定值時,主閥逐步開大,旁路閥的開度自動關(guān)小直至閉合.

隨著系統(tǒng)阻力的變化,高壓泵的運行工況也不斷變化,使鍋爐高壓給水系統(tǒng)達到根據(jù)需水量的變化而自動控制供回水流量的目的.這類適用于高壓供回水系統(tǒng)自動循環(huán)控制閥應(yīng)用了內(nèi)流介質(zhì)壓力變化的“自力驅(qū)動”原理[2-3],實現(xiàn)了旁路閥啟閉及開度調(diào)節(jié)的自動循環(huán)控制.

圖1 2種高壓供回水循環(huán)控制系統(tǒng)Fig.1 Tw o typesof high-pressure feed-and back-w ater circulating control system

圖2 自動回流閥組的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diag ram of the automatic circum ference valve

通過現(xiàn)場長期運行使用證明,該自力式、多功能自動循環(huán)回流閥組控制方式能夠滿足高壓給水系統(tǒng)實際運行的各種特殊工況要求,與以往常規(guī)系統(tǒng)或電動控制方式[4]相比,更易獲得系統(tǒng)最佳的穩(wěn)定運行特性,并節(jié)省了各種相應(yīng)儀表設(shè)備,簡化結(jié)構(gòu),降低了系統(tǒng)的制造成本和運行費用.

2 泵閥管網(wǎng)特性的試驗研究

由于此類設(shè)備的研制在國內(nèi)尚屬首次,在試制過程中分別在試驗室和有關(guān)企業(yè)實際系統(tǒng)中進行了模擬和實際運行試驗,并進行了不同類型的動態(tài)特性測試,通過分析試驗結(jié)果,驗證了技術(shù)改造方案的正確性.為了更好地模擬系統(tǒng)的實際運行,設(shè)置了高壓供水與回流并聯(lián)式大型水力試驗裝置.在系統(tǒng)性能測試中,根據(jù)有關(guān)試驗技術(shù)規(guī)范,分別采用標(biāo)準(zhǔn)孔板、壓差傳感器和電磁流量計測量主供水和旁路回水流量,同時監(jiān)測各工況主閥前后及旁路壓力,同步采集水泵轉(zhuǎn)速、功率及進口真空度等[5].圖3與圖4分別給出了泵閥管網(wǎng)系統(tǒng)運行特性曲線和主、旁路流量-壓力特性曲線.

圖3 泵閥管網(wǎng)系統(tǒng)運行特性曲線Fig.3 Characteristic curvesof piping system s for pump and valve

當(dāng)主管阻力增大時,R1趨向R＇1,這時主管流量下降,壓力上升,旁路開度增大,因旁路阻力的減小,使R2趨向 R＇2,回水流量增加.相對某一工況,流動參量不隨時間變化,根據(jù)流體流動連續(xù)性方程可得：

式中：ρ為工質(zhì)密度;Vn為流速;d A為過流截面面積.假設(shè)系統(tǒng)無泄漏,則：

式中：A1、A2、A3分別為主閥進、出口和旁路閥過流截面的有效截面積.

當(dāng) R1 、R2 分別趨向 R′1、R′2 時 ,供水與回水并聯(lián)特性曲線R必定趨向R′.在系統(tǒng)的動態(tài)性能測試過程中,模擬汽包供水測得主閥供水流量從零至額定值,對應(yīng)旁路則從某個回水流量(如額定值的30%)至零.

圖4 主、旁路流量-壓力特性曲線Fig.4 Flow-p ressu re performance curves of major and by-pass line

圖4中試驗曲線分別表示主供水流量和旁路回水流量之間的變化與系統(tǒng)壓力的關(guān)系.從圖4可以看出,當(dāng)系統(tǒng)處于向汽包供水狀態(tài)時,旁路閥自動關(guān)閉,而當(dāng)停止汽包供水時,旁路閥自動打開,將泵流量控制在額定值至30%左右,避免了水泵悶車、過熱或大功率電機頻繁起動等不良工況的發(fā)生,有效保證了高壓泵及其配套設(shè)備的穩(wěn)定、安全運行和使用壽命.同時,在汽包停、供水的間隙內(nèi),能夠使高壓泵處于小流量回流的運行工況下,進而使高壓泵的電機負荷大大降低,有效地節(jié)約了系統(tǒng)的運行費用.

3 應(yīng)用分析

該自力式、多功能供水循環(huán)控制自動回流閥組未投入使用前,寶鋼集團N2煉鋼煤氣冷卻系統(tǒng)為保護設(shè)備曾采用常規(guī)回流控制系統(tǒng)(圖1(a)),即無論水泵向汽包供水與否,始終以30 t/h的流量通過止回閥與高壓泵之間的手動閥回流至水箱,泵的實際運行工況為額定流量的30%～130%.圖5所示為人工方式與自動供回水循環(huán)控制方式的水泵負荷周期變化特性曲線.

根據(jù)負荷曲線所表示的工藝流程,可計算出單套自動供回水循環(huán)控制自動回流閥組使用后的年節(jié)電額：

式中：t為水泵年平均運行時數(shù),h/a;ρ為水的密度,kg/m3;Q為水泵流量,m3/h;H為水泵揚程,m.

可見,僅單套設(shè)備的節(jié)電額非常大,N2煉鋼2臺轉(zhuǎn)爐共計配備4套供回水循環(huán)控制自動回流閥組(兩備兩用),每年可節(jié)電費20萬元.又如,寶鋼集團焦化工程原設(shè)計為3臺高壓泵并聯(lián),正常運行啟動2臺,1臺備用.以往采用旁路常開回流,運行中由于30%流量的浪費造成主供水系統(tǒng)的供水不足,必須將3臺高壓泵同時啟動;而系統(tǒng)改造后,充分利用了原來所浪費的30%流量,以功率為360 kW的煤氣余熱鍋爐水循環(huán)泵為例,年節(jié)約電費360萬元.

圖5 2種控制方式下負荷的變化特性Fig.5 Load characteristics under two controlmodes

自力式、多功能自動供回水循環(huán)控制自動回流閥組多年來應(yīng)用于寶鋼集團煉鋼廠LT系統(tǒng)鍋爐供水循環(huán)控制系統(tǒng),運行至今未發(fā)生過故障,能夠維持水泵的最小流量,保證水泵的安全運行,單泵每年可節(jié)約電費10萬元.同時,該閥組還應(yīng)用于寶鋼集團煉焦分廠三期CDQ和寶鋼集團135 t/h鍋爐工程,自投入使用至今,性能良好,不僅能夠減少耗電,取得良好的節(jié)能效果[6-7],同時還能夠保證泵的安全運行,滿足了自動供回水循環(huán)控制系統(tǒng)的需要.僅寶鋼集團焦化工程項目技改一項,年設(shè)備檢修和節(jié)電就達360萬元.寶鋼集團數(shù)套類似系統(tǒng)全部改造后,每年可節(jié)約電費達上千萬元.此外,該閥組還應(yīng)用于上海石油化工股份有限公司煉化部乙烯裝置,原系統(tǒng)采用的3臺國外進口閥門由于年久失修,旁通閥無法自動關(guān)閉,并喪失旁通降壓的功能,應(yīng)用該項技術(shù)后,也取得了良好的循環(huán)控制和節(jié)能效果,即單泵每年可節(jié)約電費200萬元.

4 結(jié) 論

(1)應(yīng)用小流量自動回流技術(shù),通過在水泵出口設(shè)置自動回流閥維持其最小回流,使以往常規(guī)的復(fù)雜旁通回流或電動控制回流系統(tǒng)得到合理的簡化.

(2)由于自動回流閥組具有平緩的調(diào)節(jié)性能,減少了壓力突降造成的洞穴汽蝕,有效保證了高壓水泵的正常工作流程,避免了在各種特殊工況轉(zhuǎn)換過程中的大流量空排,達到了設(shè)備的節(jié)能和安全運行.

(3)該節(jié)能技術(shù)改造成果對寶鋼、金山石化和國內(nèi)各行業(yè)近年來引進技術(shù)和設(shè)備的消化吸收與國產(chǎn)化進程,減少進口、節(jié)約外匯等均起到了積極的促進作用.

(4)經(jīng)高壓水回流控制循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性試驗分析,以及寶鋼、金山石化等企業(yè)節(jié)能技術(shù)改造的應(yīng)用實踐證明,自力式、多功能循環(huán)控制閥組完全達到了設(shè)計和現(xiàn)場運行使用工藝流程所要求的各項技術(shù)和經(jīng)濟性能指標(biāo).

[1] 萊昂斯.閥門技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,1991：466-473.

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[3] 王小安.三通式電動調(diào)節(jié)閥[J].閥門,1996(2)：2-4.

[4] 上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所.上海市新產(chǎn)品水平查新報告(980896)[R].上海：上海科學(xué)技術(shù)情報研究所,1998.

[5] 上海理工大學(xué).LYH T型自動供回流閥組性能測試報告[R].上海：上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院試驗中心,1998.

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