戴必柱，于曉宇，衡思寧，劉 壯，丁 馳

(1.無錫博伊特科技股份有限公司，江蘇 無錫 214174) (2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016) (3.南京航空航天大學無錫研究院，江蘇 無錫 214174)

在大型火電廠的火力發(fā)電機組中，高壓鍋爐的給水泵是現(xiàn)代火力發(fā)電機組的重要輔助設備[1-3]。給水泵的機械密封主要由動環(huán)與靜環(huán)這對密封元件構成[4-5]，在實際工作中，由于存在動環(huán)與靜環(huán)之間摩擦生熱以及泵送高溫介質(zhì)的熱傳導效應，為保證機械密封裝置正常工作，需要向密封腔中注入沖洗液。當動環(huán)與靜環(huán)相對高速旋轉時，在兩個端面之間會形成一層液體薄膜，這層液體薄膜主要起到潤滑作用，兼具密封效果，防止介質(zhì)泄漏。為了改善電廠鍋爐供水裝置等機械密封設備的工作環(huán)境，使用高性能的機械密封輔助沖洗系統(tǒng)十分必要[6]。機械密封輔助沖洗系統(tǒng)是給機封降溫、改善機封工作環(huán)境最直接的方法[7]，能夠很好地保護機械密封面，有效延長密封件的使用壽命，減少密封腔內(nèi)液體的泄漏[8]。目前，行業(yè)內(nèi)機械密封沖洗系統(tǒng)存在的主要問題是自動化、智能化水平不足，控制精度不高。此外，譬如電導率檢測與控制等流程需要人工操作，費時、費力且無法實時、準確地實現(xiàn)沖洗液電導率的檢測與控制。

針對以上問題，本文提出了一種機械密封裝置輔助沖洗系統(tǒng)的沖洗液電導率檢測與控制調(diào)節(jié)技術，并通過試驗驗證了該沖洗液電導率檢測與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)可將沖洗液電導率控制在適當范圍內(nèi)，且控制精度滿足項目應用要求，解決了人工調(diào)節(jié)沖洗液電導率低效、低精度的問題，實現(xiàn)了沖洗液電導率調(diào)節(jié)自動且精確地運行。

1 試驗方案

1.1 沖洗液電導率調(diào)節(jié)介質(zhì)

為了去除鍋爐補給水中溶解的CO2和O2，避免對水管路和熱力設備造成腐蝕，必須嚴格、準確控制補給水的pH值，使機組能夠在最佳水汽質(zhì)量下穩(wěn)定運行。一般采取在補給水中添加氨水提高給水的品質(zhì)，去除水中溶解的CO2和O2等雜質(zhì)[9-10]。氨水呈堿性，能夠提高補給水的pH值，并中和水中的游離CO2。從機械密封的結構原理可知，沖洗液在沖洗過程中存在一定程度的泄漏，從密封腔進入補給水中。沖洗液一般呈酸性，故需向沖洗液中注入氨水來調(diào)節(jié)沖洗液的電導率。沖洗液的電導率要求控制在7.0～7.5 μS/cm，且氨水在密封過程中還可作為潤滑劑對密封元件起到冷卻、減緩密封件磨損速度的作用。

1.2 試驗裝置及試驗原理

機械密封沖洗液電導率檢測與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)整套設備的工作原理如圖1所示，為了提高密封腔中沖洗液電導率值的控制精度，將電導率值數(shù)據(jù)采集點設置在泵站的出口端，加藥點設置在泵站的入口端，在加藥點安裝微量泵。

當沖洗液的電導率值低于系統(tǒng)設定的標準值時，電導率檢測與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的氨水加注裝置將向沖洗回路中注入弱堿性氨水溶液，進而保證沖洗液電導率值在穩(wěn)定范圍內(nèi)。電導率檢測與控制系統(tǒng)主要結構包括電導率儀、電導率控制器、微量泵、可編程邏輯控制器(PLC)、電磁閥、通信模組等。其中沖洗液電導率檢測設備和氨水加注設備是該系統(tǒng)關鍵的兩個設備，分別負責沖洗液電導率的檢測與控制調(diào)節(jié)，在下面章節(jié)將詳細介紹。

1.2.1電導率的檢測

沖洗液的電導率是使用電導率儀測得的。電導率儀是電導率檢測與控制系統(tǒng)中的關鍵設備，其具備檢測精度高、傳輸速率快、耐高溫等特性。電導率儀由兩部分組成，即電導率電極和電導率控制器。由于電極傳感器輸出的電導信號PLC無法直接讀取，因此需要電導率控制器將電極采集的電導信號轉換成標準的PLC可讀取數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)PLC對回路電導率數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)電導率值范圍以及電導率檢測與控制系統(tǒng)的硬件框架設計要求，選用漢特恩 PT-30型電導率檢測儀，具體參數(shù)見表1。

表1 漢特恩PT-30型電導率檢測儀技術參數(shù)

1.2.2氨水加注裝置

電導率檢測與控制系統(tǒng)給水管路較細，管路阻力大、加藥的速度較慢且精度要求較高，所以微量泵的選型需要兼顧微量、高精度、高壓的特點。此外，現(xiàn)場工況復雜，微量泵作為關鍵設備必須具備一定的防塵防水能力。根據(jù)氨水濃度與電導率關系試驗所確定的微量泵的流量應該不小于20 mL/h，由技術指標可知，泵站出口壓力為6 bar，同時需要考慮加藥管路中的管程壓力損失[11]。在實際工況中，一般管路布局復雜，局部壓力損失較難準確計算，通常可以采用經(jīng)驗值來估算局部壓力，即按照沿程損失5%～10%計算，若管路中彎頭等局部損失點較多，局部壓力可以取得相對高些[12]，且加藥回路的出口壓力必須大于沖洗回路中加藥點的壓力。結合以上加藥回路的管程壓力損失，經(jīng)綜合計算分析，微量泵的出口壓力需大于20 bar，因此選用意大利道茨A型微量柱塞泵，該泵的技術參數(shù)見表2。

表2 意大利道茨A型微量柱塞泵技術參數(shù)

1.3 氨水濃度與沖洗液電導率關系

沖洗液在機械密封沖洗回路中的溫度是不斷變化的，溫度變化范圍為20～50 ℃，沖洗液進入密封腔前溫度較低，經(jīng)過密封腔后沖洗液的溫度上升到回路的最高溫度區(qū)，沖洗液的入口電導率要維持在7.0～7.5 μS/cm，電導率大小主要取決于溶液中的離子濃度，而氨水在水中的電解程度又與溫度有關，所以需要考慮的試驗因素有氨水的濃度以及溶液的溫度，而沖洗液電導率值則作為本試驗的響應值。將氨水溫度依次設置為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃。氨水的濃度按照范圍100～2 000 μg/L依次設置20個電導率采樣點。若試驗中發(fā)現(xiàn)設置的最大氨水濃度的電導率無法達到7.5 μS/cm，則再視具體情況增加更高濃度的氨水溶液試驗采樣點。在燒杯中將1%濃度的氨水溶液用蒸餾水稀釋，分別制備濃度為100～2 000 μg/L、梯度為100 μg/L的20組氨水溶液，在不同的溫度下分別測量其電導率值，表3所示為試驗數(shù)據(jù)。

表3 不同溫度及氨水濃度條件下的電導率測試值

2 試驗結果與分析

2.1 氨水濃度與沖洗液電導率關系

分別取溫度T為20 ℃、50 ℃時的試驗數(shù)據(jù)，分析沖洗液電導率(D)與氨水濃度(M)的關系，以質(zhì)量濃度為橫坐標，電導率為縱坐標，將數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，處理得到的數(shù)據(jù)如圖2所示。

分析圖2可知，沖洗液電導率隨氨水質(zhì)量濃度的增加而增加，兩者呈線性正相關。這是因為氨水溶液中載流子的數(shù)量隨電解質(zhì)濃度的增加而增加，所以電導率隨之升高。在可信度95%的條件下，當T=20 ℃時，沖洗液電導率與氨水濃度的擬合直線方程為：

D=0.004M+2.287

(8)

當T=50 ℃時，沖洗液電導率與氨水濃度的擬合直線方程為：

D=0.004M+2.517

(9)

2.2 沖洗液電導率檢測與控制系統(tǒng)加藥精度試驗分析

沖洗液電導率檢測與控制系統(tǒng)采用“反饋—比較—執(zhí)行”的閉環(huán)控制模式實現(xiàn)對沖洗液電導率值的精確控制，當檢測到?jīng)_洗液電導率過低時，計算出將電導率調(diào)節(jié)到適當范圍所需加注氨水體積后，啟動氨水的加注程序，將沖洗液電導率控制在適當范圍。通過氨水加注裝置實際加注氨水體積得出電導率檢測與控制系統(tǒng)的加藥精度，以加藥精度來判斷該系統(tǒng)對沖洗液電導率調(diào)節(jié)精度。所選的氨水加注裝置為意大利道茨A型微量柱塞泵，為了保證電導率的控制精度，采用了PWM脈沖信號加行程控制的方式。根據(jù)氨水濃度與電導率關系試驗結果，泵的流量分別設置為20，25，30 mL/h。實際流量測試結果見表4。

圖2 不同溫度下沖洗液電導率與氨水濃度的關系

表4 沖洗液電導率檢測與控制系統(tǒng)加藥精度試驗數(shù)據(jù)表

由于流量計算以及行程調(diào)節(jié)的原始誤差，系統(tǒng)的控制精度存在一定誤差。根據(jù)表4中數(shù)據(jù)計算得出3組試驗的控制精度分別為97.0%、96.8%、95.2%，綜合精度達到95%以上，滿足項目應用需求。

3 結束語

高壓鍋爐中的給水泵機械密封裝置作為現(xiàn)代火力發(fā)電組中重要的輔助設備，其所配套的輔助沖洗系統(tǒng)至關重要，是保障整個火力發(fā)電廠系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運行的重要工具。本文自主開發(fā)的沖洗液電導率檢測與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)了沖洗液電導率值的實時檢測，并能夠?qū)㈦妼手悼刂圃诤线m的范圍內(nèi)，很大程度上解決了人工調(diào)節(jié)沖洗液電導率時出現(xiàn)的低效率、低精度的問題，實現(xiàn)了沖洗液電導率調(diào)節(jié)的自動化。沖洗液電導率檢測與控制系統(tǒng)的成功研制，彌補了熱電廠鍋爐給水泵機械密封輔助沖洗系統(tǒng)過去無法精確控制沖洗液電導率值的不足，該產(chǎn)品將作為企業(yè)未來的主打產(chǎn)品之一，可為眾多企業(yè)創(chuàng)造新的利潤增長點。