(華電哈爾濱熱電有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 序 言

華建哈爾濱熱電廠二臺(tái)機(jī)組的電動(dòng)給水泵密封水回水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在一些問題，長(zhǎng)期不能投用。對(duì)此，這個(gè)廠在#2機(jī)小修期間安排針對(duì)該系統(tǒng)存在問題進(jìn)行了初步改進(jìn)。

1 給水泵密封水回水系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能

(1)將密封回水全部回收

給水泵的軸端密封由凝泵供給，一部分水將從軸端漏出，設(shè)計(jì)為8.2 T/h左右。這部分水若不進(jìn)行回收，不僅造成水資源浪費(fèi)，熱能損失，還將提高水處理成本。根據(jù)電廠熱力系統(tǒng)布置，回收至凝汽器是最佳選擇。

(2)要把這部分密封回水回收至凝汽器，必須要有效地封住自給水泵軸端漏往凝汽器的空氣。否則將影響凝汽器真空，影響主機(jī)安全運(yùn)行。

(3)密封回水系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備在滿足上述二條外，系統(tǒng)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，減少不必要附加系統(tǒng)、閥門等，以盡量減少密封面，減少可能發(fā)生的泄漏。減少運(yùn)行操作量和檢修維護(hù)量。

2 電動(dòng)給水泵運(yùn)行對(duì)密封回水系統(tǒng)的要求

2.1 給水泵密封水回水系統(tǒng)工作狀況

對(duì)于電動(dòng)給水泵來說，在機(jī)組啟動(dòng)初期就要投入運(yùn)行，此時(shí)凝汽器真空往往還沒有建立，或者比較低；在機(jī)組正常運(yùn)行的全部時(shí)間，電泵應(yīng)處在備用狀態(tài)，密封水系統(tǒng)仍需投入，密封水仍應(yīng)正?；厥铡Ｒ虼藢?duì)于密封回水系統(tǒng)來說，進(jìn)水側(cè)壓力為大氣壓(為方便計(jì)算文中均取絕對(duì)壓力，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.33 kPa)，出水側(cè)壓力在凝汽器工作壓力范圍內(nèi)變化，(101.33～4.9 kPa)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)布置對(duì)給水泵密封水回水系統(tǒng)的限制

電動(dòng)給水泵布置在0 m，其密封水回水口標(biāo)高為1 m，回水觀察窗標(biāo)高為0.8 m。凝汽器熱井底部標(biāo)高為-0.85 m，正常水位標(biāo)高為-0.07 m。二處落差僅為0.87 m。要在密封回水系統(tǒng)工作壓力變化范圍內(nèi)有效地起到密封作用，必須采用多級(jí)U型管的形式。且每一級(jí)U型管溢水口及回凝汽器接口的標(biāo)高不得高于0.8 m，后一級(jí)溢水口標(biāo)高不得高于前一級(jí)標(biāo)高，最后一級(jí)標(biāo)高不得低于0 m。以保證在凝汽器低真空狀態(tài)下，靠靜壓實(shí)現(xiàn)逐級(jí)溢流回收。

2.3 電動(dòng)給水泵運(yùn)行對(duì)密封回水系統(tǒng)的要求

(1)在機(jī)組從啟動(dòng)初期到正常運(yùn)行的全過程，密封回水系統(tǒng)參數(shù)變化(壓差為0～96.43 kPa) 范圍內(nèi)，密封回水系統(tǒng)均應(yīng)能將密封回水全部回收至凝汽器。這是設(shè)置該系統(tǒng)的根本目的。

(2)有效地封住自給水泵軸端漏往凝汽器的空氣。

(3)系統(tǒng)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。

3 多級(jí)U型管工作特性

3.1 理想狀態(tài)下多級(jí)U型管靜態(tài)特性(以三級(jí)為例)

首先分析一下單級(jí)U型管工作特性。當(dāng)其二側(cè)壓力一致時(shí)(設(shè)為P0)，二側(cè)的液位也是一樣的。當(dāng)一側(cè)壓力變化后(設(shè)一側(cè)壓力不變，另一側(cè)降為P)，U型管二側(cè)液位在壓差作用下發(fā)生變化，二側(cè)液位差應(yīng)滿足下列關(guān)系：

P0=P+hγ

(1)

對(duì)于多級(jí)U型管，二側(cè)無壓差時(shí)，每一級(jí)U型管液面壓力一樣，所以每一級(jí)U型管二側(cè)的液位高度是一致的，(每只U型管之間液位不一定一致)。當(dāng)U型管二側(cè)形成壓差后。每一級(jí)U管壓力和液位將發(fā)生變化。其變化規(guī)律也應(yīng)滿足(1)式，即：

P0=P1+h1γ；P1=P2+h2γ；P2=P+h3γ

在壓力變化不大的情況下，可忽略各級(jí)U型管之間聯(lián)通管的比容變化。當(dāng)每級(jí)U型管截面積一致時(shí)，聯(lián)通管二側(cè)液位變化應(yīng)一樣，而方向相反。這樣，每一級(jí)U型管液位變化應(yīng)是相等的。即：

圖1 理想狀態(tài)下多級(jí)U型管靜態(tài)特性示意圖

h1=h2=h3=1/3(P0-P)÷?…

(2)

4.2 實(shí)際狀態(tài)下多級(jí)U型管工作特性

在密封回水系統(tǒng)中采用的多級(jí)U型管，其工作特性應(yīng)符合3.3款。它有別于靜態(tài)下U型管的工作情況。因密封水源源不斷地流過，在任意工作條件下每級(jí)U型管的出水側(cè)應(yīng)是自動(dòng)溢流，該側(cè)水位是始終不變的，其水位高度應(yīng)為出水側(cè)溢流口標(biāo)高。每級(jí)進(jìn)水側(cè)水位受凝汽器背壓P影響而變化，如圖2所示。

圖2 實(shí)際狀態(tài)下水封管工作特性示意圖

當(dāng)凝汽器沒有建立真空時(shí)(P=P0時(shí)，P1=P2=P3)，密封回水靠靜壓逐級(jí)回流，每級(jí)U型管的二側(cè)水位與該級(jí)U型管出水口的標(biāo)高一致(h1=h2=h3=0)。當(dāng)凝汽器中建立真空后，各級(jí)U型管出水側(cè)水位仍維持溢流而保持不變，進(jìn)水側(cè)水位則在壓差作用下下降。此時(shí)倒U型內(nèi)氣室的壓力不僅受多級(jí)U型管二側(cè)壓差的影響，還將受到氣室內(nèi)氣體參數(shù)的影響，即：壓力變化應(yīng)滿足氣體狀態(tài)方程。

Pv=RT

(3)

式中：P為各氣室壓力；T為各氣室溫度；R為空氣氣體狀態(tài)常數(shù)；v為各氣室比容，因氣室內(nèi)參數(shù)變化前后，氣室內(nèi)空氣質(zhì)量不變，所以可以用各自氣室的容積代之。

因?yàn)樵谀鞴ぷ鲏毫Ψ秶鷥?nèi)，U型管的絕對(duì)溫度變化不大，可將其變化忽略不計(jì)，因此在不同工作壓力下(3)式可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

P0V0=PV=(P+hγ)(V0+Sh)

(4)

因此多級(jí)U型管的五個(gè)運(yùn)行參數(shù)P1、P2、P3、h1、h2隨P變化，它們應(yīng)滿足下列關(guān)系：

P0=P1+h1γ

P1=P2+h2γ

P2=P+h3γ

即：

P0-P=(h1+h2+h3)γ

(5)

P0V01=P1V1=(P+h3γ+h2γ)(V01+S2h2)

P0V02=P2V2= (P+h3γ)(V02+S3h3)

式中：V01、V02為U型管在沒建立真空實(shí)現(xiàn)逐級(jí)溢流時(shí)，各自氣室的容積(內(nèi)管口標(biāo)高以上的容積)；S1、S2、S3為各U型管有效截面積。一般設(shè)計(jì)時(shí)取

S1=S2=S3

在上列關(guān)系式中U型管運(yùn)行參數(shù)除隨P變化外，各氣室容積(氣體質(zhì)量)對(duì)各U型管水封高度也有一定影響。

由(4)式可得，

當(dāng)S、h及工作壓力變化范圍確定后，氣室容積:

V0=(P+hγ)Sh÷(P0-P-hγ)

(6)

用此式可進(jìn)行氣室設(shè)計(jì)計(jì)算。

當(dāng)V0、S及工作壓力變化范圍確定后，水封高度：

(7)

用此式可進(jìn)行U型管校核計(jì)算，檢驗(yàn)每級(jí)有效水封高度H′，(H′=H-h)并求取各氣室工作壓力。

4.3 多級(jí)U型水封管工作條件

綜上所述，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，每一級(jí)U型管進(jìn)水側(cè)的水位應(yīng)高于該U型管底部標(biāo)高，考慮在動(dòng)態(tài)下水封高度還應(yīng)留有較大余量。

4.4 各氣室壓力變化規(guī)律及其對(duì)實(shí)際水封高度的影響

從以上各關(guān)系式可以看出各氣室壓力的變化規(guī)律：每級(jí)氣室壓力是建立在下級(jí)壓力基礎(chǔ)上，它不僅受背壓影響，還受本級(jí)氣室空氣比容變化的影響。所以凝汽器真空的變化量，經(jīng)各氣室緩沖作用，各氣室壓力的變化量是逆流逐級(jí)減小，則各級(jí)U型管的水位差也是逐級(jí)減小的。

當(dāng)U型管設(shè)計(jì)成等氣室容積時(shí)，通過(1)、(7)式可求得其各級(jí)U型管實(shí)際水位差。實(shí)際水位差是逆流逐級(jí)大幅度遞減的。

若將U型管設(shè)計(jì)成等水位差，即各氣室壓力差相等。通過(1)、(6)式可求得每級(jí)氣室容積。各氣室容積將是逆流逐級(jí)大增的，最初幾級(jí)的氣室容積將過于龐大，影響現(xiàn)場(chǎng)布置。

5 多級(jí)U型管異常工作情況及其預(yù)防對(duì)策

5.1 水封狀態(tài)的破壞

5.1.1 工作差壓過大

U型管在工作中如果某一級(jí)U型管二側(cè)水位差(h)大于該級(jí)U型管實(shí)際工作高度H時(shí)，則該級(jí)U型管進(jìn)水側(cè)有效水封高度H′將消失，該級(jí)U型管出水側(cè)的水將在壓差的作用下很快抽空，使相鄰二只U型管氣室壓力相等，相鄰二級(jí)U型管聯(lián)通后僅相當(dāng)于一級(jí)U型管，則n級(jí)U型管變成n-1級(jí)U型管。每級(jí)U型管承擔(dān)的壓差將增加，若有一級(jí)水位低于U型管底部，其水封也將受到破壞，從而導(dǎo)致聯(lián)鎖反應(yīng)。多級(jí)U型管的水封將很快被破壞，形成空氣的通道。因此，在多級(jí)U型管中，只要有一級(jí)水封被破壞，則各級(jí)水封都很快破壞。

在設(shè)計(jì)多級(jí)U型管時(shí)，應(yīng)根據(jù)變工況時(shí)可能出現(xiàn)的最大壓差變化范圍，并留有一定的安全余量。

5.1.2 氣室漏入空氣

在正常工作時(shí)多級(jí)U型管的氣室壓力都是負(fù)壓狀態(tài)，如果此時(shí)氣室的嚴(yán)密性較差，漏入一些空氣，(3)式中氣體狀態(tài)的平衡將受到破壞，氣室壓力將會(huì)升高。當(dāng)漏入的空氣量超過一定數(shù)量時(shí)，其中一級(jí)U型管水封首先受到破壞，從而導(dǎo)致聯(lián)鎖反應(yīng)。

在設(shè)計(jì)氣室時(shí)，應(yīng)盡量減少不必要的閥門或系統(tǒng)。必須設(shè)置的閥門應(yīng)選擇水封閥，最好采用焊接式閥門，以減少密封面，減少可能出現(xiàn)的泄漏。在安裝或檢修時(shí)應(yīng)保證檢修質(zhì)量，防止密封面泄漏。在運(yùn)行操作中，應(yīng)關(guān)緊相關(guān)閥門，防止泄漏。

5.1.3 氣室消失

多級(jí)U型水封管在投用過程中如操作不當(dāng)，使某一級(jí)氣室消失而充滿水，相鄰二級(jí)U型管聯(lián)通后僅相當(dāng)于一級(jí)U型管，也會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖反應(yīng)。

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合理的氣室容積。并考慮如何確保設(shè)計(jì)容積應(yīng)采取的必要措施，在投用時(shí)應(yīng)保證氣室狀態(tài)符合設(shè)計(jì)工作狀態(tài)。

5.1.4 射流抽吸

每一級(jí)U型管出水溢流后靠重力自由下落，U型管高度越高，流入下一級(jí)進(jìn)水側(cè)液面的流速越快，當(dāng)流量較大，流速較快時(shí)，氣室中將可能有少量空氣卷入下一級(jí)進(jìn)水側(cè)的水中，形成氣泡，并重新升至水面。當(dāng)U型管水封高度較低時(shí)，一部分氣泡將被卷入該級(jí)出水側(cè)。如果每級(jí)U型管均出現(xiàn)這種現(xiàn)象，并且每級(jí)卷入空氣量相等，則不會(huì)破壞水封，只是影響密封效果。如果每級(jí)被卷入的空氣量不等，則將出現(xiàn)4.3.2所述的情況。

在設(shè)計(jì)上應(yīng)適當(dāng)降低U型管高度，以減小入水面時(shí)的流速。適當(dāng)增加有效水封高度H′，徹底防止射流抽吸現(xiàn)象。

5.2 回水問題

回水問題主要受結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)布置影響，如：給水泵回水口到多級(jí)U型管管道布置過長(zhǎng)，管徑偏小，使回水阻力過大；標(biāo)高差偏小(或多級(jí)U型管進(jìn)水口高于給水泵回水口)；U型管管徑偏小；下一級(jí)溢水口標(biāo)高高于上一級(jí)標(biāo)高等，都會(huì)出現(xiàn)回水不暢或泵端溢水問題。

5.3 U型管結(jié)構(gòu)問題

多級(jí)U型管因各級(jí)工作壓力不同，各級(jí)對(duì)應(yīng)的氣室容積也不相同，各級(jí)U型管高度選擇可采用等高度，也可不等高。各級(jí)氣室壓力分配，可采用等差分配，也可不等差。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置和(1)、(4)、(5)、(6)式，確定多級(jí)U型管級(jí)數(shù)、壓力分配、U型管高度、氣室容積。還應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)乃飧叨菻′和各級(jí)溢水口標(biāo)高。若選擇不當(dāng)，都會(huì)出現(xiàn)上述各異常情況。

6 原系統(tǒng)存在的問題

6.1 原系統(tǒng)存在問題

原系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)主要問題是：

圖3 原電泵密封水系統(tǒng)

(1)U型管溢水口標(biāo)高高于電泵回水口標(biāo)高，回凝汽器接口標(biāo)高高于U型管出水口標(biāo)高。在低真空狀態(tài)時(shí)，不能有效地將密封水全部回收到凝汽器。給水泵軸端溢水嚴(yán)重。

(2)U型管實(shí)際水封高度，第一、三級(jí)為3.085 m， 第二級(jí)為2.90 m，多級(jí) 回凝器U型管總高度僅為9.07 2.8 m。小于需要的總水封高度。

(3)氣室設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致各U型管實(shí)際水位差大大降低，使總有效水封高度更低于需要的水封高度。

(4)因U型管標(biāo)高高于原電泵溢水口標(biāo)高，不能靠電泵回水為其注水，只能另設(shè)注水系統(tǒng)。第一級(jí)U型管設(shè)有放氣閥，二、三級(jí)沒有放氣閥，注水時(shí)無法排出這二級(jí)的空氣。

(5)第一級(jí)U型管設(shè)有水位控制閥，且高度布置不合理。不能同時(shí)保證二級(jí)所需的有效氣室容積。

6.2 #2機(jī)改進(jìn)后存在問題

(1)#2機(jī)電泵密封回水系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)僅考慮如何滿足3.3款各項(xiàng)要求，而沒有對(duì)氣室進(jìn)行定量分析計(jì)算。試投情況和分析計(jì)算均說明，系統(tǒng)主要是氣室容積偏小。且沒設(shè)水位控制閥，第一次投入時(shí)，氣室容積與設(shè)計(jì)容積有一定偏差。導(dǎo)致密封失效。

(2)施工沒有按要求布置，管道過長(zhǎng)，使回水阻力增加，造成回水不暢。

7 改進(jìn)的基本思路

(1)取消原給水泵密封水回水“U”型多級(jí)水封及其注水、排空氣等閥門、管道、給水泵密封水回水母管原設(shè)計(jì)的排地溝門及到凝汽器的隔離門等，新增加的水封出口到凝汽器間隔離閥用于高水位真空系統(tǒng)灌水查漏時(shí)用，正常運(yùn)行過程中保持常開即可。

(2)水封出口管從吸入口到凝汽器接口間垂直管段≥10.5 m，即保證水柱高度

≥10.5 m，確保真空系統(tǒng)嚴(yán)密性。水封進(jìn)、出水管道接口標(biāo)高，圖示中為參考值。視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝空間確定即可。水封排氣口標(biāo)高圖示值也僅做參考，接口只要在水封體垂直方向偏上部位即可，能確保水封內(nèi)部充水及避免高真空時(shí)從此處引起水封破壞。

(3)新型水封，桶體規(guī)格φ325×10，上下封頭厚度δ=15 mm。垂直安裝于排污泵坑底部或-5.5 m 以下坑內(nèi)，高度取約≥5.5 m。新型水封安裝越低，越好保證水柱高度。

(4)新型水封排氣口φ108×4，接一彎管，排氣口朝下即可。

(5)新型水封內(nèi)外壁清理干凈，外壁刷防銹漆防腐。

8 多級(jí)U型水封管設(shè)計(jì)計(jì)算

見附表。

附表

級(jí)數(shù)五四三二一合計(jì)出水側(cè)壓力4.934.3358.8573.5786.32/進(jìn)水側(cè)壓力34.3358.8573.5786.32101.33/氣室壓力變化范圍0～96.430～660～42.480～24.820～12.07/設(shè)計(jì)水位差32.51.51.51.510水封余量1.20.90.50.70.53.8U型管高度4.23.422.2213.8安裝位置循門坑循門坑疏擴(kuò)坑疏擴(kuò)坑疏擴(kuò)坑/底部標(biāo)高-4.4-4.4-2.2-2.2-2.2/氣室容積/L27.1561.2170.2132//氣室進(jìn)水口標(biāo)高0.10.20.30.4//氣室尺寸/m0.360.810.931.75/ φ325×7.5氣室尺寸/m0.430.971.112.08/ φ299×7.5

9 系統(tǒng)投用方法

(1)投入前打開各氣室水位控制閥和U型管出水閥前放氣閥。開啟U型管進(jìn)水閥，向系統(tǒng)注水。

(2)當(dāng)各氣室水位控制閥和U型管出水閥前放氣閥均有水溢出時(shí)，關(guān)閉U型管進(jìn)水閥，使氣室多余的水自然溢流。

(3)當(dāng)各氣室水位控制閥和U型管出水閥前放氣閥均停止溢水時(shí)，說明已達(dá)到有效的設(shè)計(jì)氣室容積。嚴(yán)密關(guān)閉上述閥門。

(4)開啟U型管進(jìn)水閥和出水閥，將系統(tǒng)投入。

(5)觀察各氣室真空表，均應(yīng)在附表中設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

(6)第一次投用后，若各氣室不泄漏，機(jī)組啟停凝汽器真空變化和氣室壓力變化不會(huì)超出設(shè)計(jì)范圍，水封狀態(tài)不會(huì)破壞。所以第一次投用后不需再進(jìn)行任何操作。

10 結(jié) 論

給水泵密封回水多級(jí)水封改造后，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了給水泵密封水回水暢通，實(shí)現(xiàn)了給水泵密封水的回收，減少了工質(zhì)大量損失，提高了真空系統(tǒng)嚴(yán)密性，避免了給水泵潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)水等影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，改造取得了成功。

[1] 袁光福.國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界汽輪機(jī)給水泵組設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)[J].湖北電力.2004(9).

[2] 崔云素.給水泵密封水回水系統(tǒng)多級(jí)U型管設(shè)計(jì)[J].華東電力.1999(10)

[3] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].森林工程，2013，29(4)：90-95.