用降溫法排除改造機(jī)組熱網(wǎng)站疏水泵的汽化故障

張 振，李 濤， 李宏偉

(中石化勝利油田勝利電廠，山東 東營 257087)

0 概 述

為了節(jié)能減排并提高老機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為了擴(kuò)大供熱區(qū)域，滿足當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)集中供熱的需求，將某熱電廠一期的2×220 MW超高壓凝汽式汽輪機(jī)組，改造為抽凝式供熱機(jī)組。在改造的同時(shí)，新建了與二期并聯(lián)的熱網(wǎng)站(二期為2×300 MW三缸二排汽亞臨界抽凝式供熱機(jī)組)。

1 系統(tǒng)布置及存在問題

對機(jī)組改造后，新建熱網(wǎng)站的系統(tǒng)布置(與二期并聯(lián))，如圖1所示。熱網(wǎng)站的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

在熱網(wǎng)站內(nèi)，布置了4臺加熱器和4臺疏水泵及相應(yīng)的管道。由于受到場地、設(shè)備基礎(chǔ)及空間位置的限制， 只能將熱網(wǎng)加熱器布置在220 MW機(jī)組的零米處，將疏水泵安裝在加熱器下方，疏水泵與加熱器工作水面的垂直距離，為2.27 m。加熱器內(nèi)蒸汽經(jīng)換熱后形成了疏水，通過疏水泵升壓，再被送入除氧器進(jìn)行回收。疏水泵采用變頻調(diào)節(jié)，可根據(jù)加熱器水位的變化，自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，維持加熱器內(nèi)水位的穩(wěn)定。加熱器水側(cè)的循環(huán)水，來自二期2×300 MW機(jī)組的熱網(wǎng)首站。循環(huán)水在加熱器內(nèi)升溫后與二期熱網(wǎng)的循環(huán)水匯合，再被送到外部用戶。

圖1 新建熱網(wǎng)站的系統(tǒng)布置(與二期并聯(lián))

表1 熱網(wǎng)站設(shè)計(jì)參數(shù)

熱網(wǎng)站投入運(yùn)行后，站內(nèi)的疏水泵常發(fā)生汽化或機(jī)械密封損壞等故障，多次導(dǎo)致熱網(wǎng)站的被迫解列。

2 疏水泵汽化的原因

2.1 理論計(jì)算分析

根據(jù)伯努利方程，加熱器液面壓力與疏水泵入口處液體壓力的相互關(guān)系，為：

(1)

在式(1)中：

P1—加熱器液面壓力，Pa；

P2—水泵入口處液體的壓力，Pa；

Z1、Z2—分別為加熱器液面高度、水泵入口處高度，m；

ρ—液體密度，kg/m3；

c—流體在泵入口處的流速，m/s；

g—重力加速度，計(jì)算可取為9.8，m/s2；

ξ—阻力系數(shù)，按8個(gè)彎頭阻力，取4.91。

疏水泵入口與加熱器工作水面的高度差，按實(shí)測值，即ΔZ=Z1-Z2=2.27 m。據(jù)理論分析可知，因加熱器與疏水泵入口處存在高度差，可產(chǎn)生靜水壓頭ΔZ。較高的靜水壓頭，可確保疏水在水泵入口處呈不飽和狀態(tài)，但根據(jù)方程式計(jì)算，當(dāng)管道內(nèi)疏水的流速c增加時(shí)，將造成泵入口壓力P2下降。以設(shè)計(jì)壓力為0.245 MPa進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)加熱器內(nèi)的疏水溫度為126.8℃時(shí)，抽汽流量為200 t/h，此時(shí)，疏水泵內(nèi)尚末發(fā)生汽化現(xiàn)象，但當(dāng)疏水泵流量變化至310 t/h時(shí)，疏水泵內(nèi)就會發(fā)生汽化現(xiàn)象。

若加熱器汽側(cè)的壓力突降，由于疏水溫度的變化滯后于壓力變化，在疏水泵入口處的不飽和水將達(dá)到飽和條件而發(fā)生汽化。如果壓力突降至0.233 MPa以下，疏水泵也會發(fā)生汽化現(xiàn)象(改造時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，為0.245 MPa)。

2.2 誘發(fā)汽化的其它因素

2.2.1 熱網(wǎng)循環(huán)水流量及壓降

當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水流量突然大幅增加時(shí)，加熱器管內(nèi)對流換熱系數(shù)變大，蒸汽被急劇冷卻，疏水量隨之增多，加熱器的汽側(cè)壓力降低，即加熱器內(nèi)液面上部的壓力突降，疏水產(chǎn)生自沸騰，引發(fā)汽側(cè)的水位急劇升高。由于加熱器內(nèi)疏水溫度的變化滯后于壓力的變化。在運(yùn)行中，形成的疏水沸騰現(xiàn)象都比較突然，是水的物理特性所致，較難避免。

2.2.2 降荷及抽汽壓力的波動

該機(jī)組為改造機(jī)組，還需考慮低壓缸的冷卻問題。電廠要求中排壓力維持在0.18～0.3 MPa，并需確保供熱蝶閥后的壓力，高于0.067 MPa，壓力的調(diào)整范圍窄，難度大。機(jī)組系統(tǒng)的細(xì)微變動，都可能造成加熱器汽側(cè)壓力的波動。如果機(jī)組突然甩負(fù)荷或系統(tǒng)故障，必然引起供熱抽汽壓力的變化，從而使加熱器的壓力突降，造成飽和水汽化，進(jìn)而導(dǎo)致了疏水泵的汽化故障。

2.2.3 疏水泵的變頻調(diào)節(jié)

由于加熱器汽側(cè)的貯水量較少，加之疏水泵入口處的管道較短，當(dāng)疏水泵變頻調(diào)節(jié)性能不穩(wěn)定(尤其在低負(fù)荷供熱時(shí))，電動機(jī)轉(zhuǎn)速從低速變?yōu)楦咚?，造成加熱器水位的急劇下降，疏水被抽空，也會使疏水泵發(fā)生汽化故障。

2.2.4 出口逆止門的頻繁啟閉

由于季節(jié)溫度及用戶的用熱量是在不斷變化的，決定了熱網(wǎng)加熱器不可能始終處于設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。當(dāng)加熱器低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由加熱器進(jìn)汽管道上的供熱電動蝶閥的啟閉動作，對抽汽量進(jìn)行控制，加熱器汽側(cè)將維持低壓運(yùn)行。若抽汽流量為50 t/h，實(shí)測汽側(cè)的絕對壓力，僅為0.1 MPa。此時(shí)，疏水泵的流量較低，出口逆止門頻繁動作，時(shí)開時(shí)關(guān)，造成疏水泵出口流量的劇烈變化，也會造成疏水泵的汽化故障。

3 疏水泵機(jī)械密封的失效

熱網(wǎng)疏水泵采用了機(jī)械密封形式。當(dāng)疏水泵汽化時(shí)，往往導(dǎo)致疏水泵機(jī)械密封的損壞。以某次1號機(jī)甲熱網(wǎng)的疏水泵為例，當(dāng)時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)水流量由750 t/h突升至1 900 t/h，造成了疏水泵汽化，泵的機(jī)械密封被損壞，被迫停運(yùn)檢修，影響了用戶供熱。

疏水泵的機(jī)械密封，是靠一對垂直于軸并作相對滑動的端面組成動環(huán)，并配有輔助密封的軸封裝置。運(yùn)行時(shí)，通過泵內(nèi)疏水壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力作用，使兩端面保持貼合，從而達(dá)到阻漏的目的。為了冷卻和保證動靜環(huán)之間液膜的穩(wěn)定，還在靜環(huán)內(nèi)部通入了冷卻水。動環(huán)補(bǔ)償式機(jī)械密封裝置，如圖2所示。

1.動環(huán)(補(bǔ)償環(huán)) 2.動環(huán)輔助密封圈 3.彈簧 4.彈簧座

汽化后，疏水泵內(nèi)原存有的飽和水變成了蒸汽，此時(shí)，水泵空轉(zhuǎn)已不能虹吸，同時(shí)，密封腔內(nèi)的水也隨之汽化，已無法在動靜環(huán)之間形成有效的液膜，動靜環(huán)將發(fā)生干摩擦，摩擦產(chǎn)生熱量很大，僅靠冷卻水無法及時(shí)將熱量帶走，于是造成密封環(huán)的損壞。動靜環(huán)之間的間隙增大，即形成圖2中的泄漏點(diǎn)1。動靜環(huán)損壞后，即使消除了疏水泵的汽化條件，動環(huán)與靜環(huán)之間的液膜也無法形成，泄漏點(diǎn)將一直存在，疏水泵將因泄漏而無法正常運(yùn)行。此時(shí)，必須更換疏水泵的機(jī)械密封。

4 解決方法

通過分析，疏水泵汽化的根本原因，是疏水泵與加熱器工作液面之間的垂直距離不夠大，僅為2.27 m，這個(gè)高度差ΔZ所產(chǎn)生的靜水壓頭，難以確保在動態(tài)工況下疏水泵不發(fā)生汽化。為了防止疏水泵汽化，通常采用的措施，是增加加熱器與疏水泵之間的垂直高度。抬高加熱器安裝位置，或降低疏水泵安裝位置，均受到場地及空間位置的限制，況且所需的基建費(fèi)用較大，并不可取。

根據(jù)熱力學(xué)原理，只需將疏水泵入口飽和水溫度降至其飽和壓力下的對應(yīng)溫度之下，即可解決疏水泵的汽化問題。經(jīng)現(xiàn)場勘查，最簡單的解決方法，是在凝結(jié)泵出口管道上引一管線，將40℃左右的主機(jī)凝結(jié)水，泵入疏水泵的入口處，經(jīng)與原系統(tǒng)疏水混合后，使疏水泵入口處的水溫降至121℃左右，即可避免疏水泵的汽化。管道及閥門的連接方式，如圖1所示。

主機(jī)凝結(jié)水的泵入量Gl，可計(jì)算確定：

(2)

式(2)中：Gl、Gs—主機(jī)凝結(jié)水流量、加熱器疏水流量，t/h；

ts—加熱器疏水溫度，℃；

tr—加熱器疏水與主機(jī)凝結(jié)水混合后的溫度，℃；

tn—凝結(jié)水溫度，℃。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，加熱器汽側(cè)的壓力，為0.145 MPa，抽汽流量為150 t/h。以加入凝結(jié)水溫度為40℃計(jì)算，當(dāng)循環(huán)水流量突增，使加熱器內(nèi)的壓力突降0.05 MPa，計(jì)算所需的凝結(jié)水流量，為9.2 t/h。若加熱器內(nèi)壓力突降0.1 MPa，計(jì)算所需的凝結(jié)水流量，為27.5 t/h?？紤]理論計(jì)算上的偏差，并確保有一定的富裕量，管道的管徑應(yīng)按大流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，并增設(shè)3只閥門，即圖1中的閥2、閥3、閥4。當(dāng)機(jī)組供熱負(fù)荷變動時(shí)，可改變閥門的開度，從而達(dá)到機(jī)組正常運(yùn)行的要求。

由于疏水泵為變頻控制，且在低流量時(shí)的輸出量波動較大，致使出口逆止門存在頻繁啟閉的問題，因此，在出口管道處，加裝了調(diào)整門(圖1中的閥1)，通過控制閥門開度，可改變管道內(nèi)流量，使之與疏水泵的變頻調(diào)節(jié)相適應(yīng)，亦即利用調(diào)整閥門開度改善疏水泵的變頻特性。加裝的調(diào)整閥門，僅在熱網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)使用，其目的是根據(jù)疏水泵的流量變化，隨時(shí)改變管路的阻力特性，使疏水泵始終能在小流量的工況下連續(xù)泵水，讓出口逆止門始終處于開啟狀態(tài)，解決了低流量下疏水泵因變頻調(diào)節(jié)而產(chǎn)生流量波動大的問題。在高負(fù)荷時(shí)，該調(diào)整閥門維持全開，以減少系統(tǒng)的節(jié)流損失。實(shí)施改造后，對調(diào)整閥門的開度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在低負(fù)荷時(shí)，將該閥門關(guān)小，疏水泵的變頻特性得到了很大改善，疏水泵運(yùn)行平穩(wěn)。疏水泵的出口壓力和流量等運(yùn)行參數(shù)，均比改造前穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

對管路系統(tǒng)改造后，經(jīng)歷多次熱網(wǎng)循環(huán)水流量和抽汽壓力波動的考驗(yàn)，再沒發(fā)生疏水泵的汽化故障，也沒有發(fā)生因疏水泵汽化后誘發(fā)的密封損壞故障。實(shí)踐證明，利用增設(shè)管道，是解決疏水泵汽化較為簡便的方法，費(fèi)用少，且效果好。可為凝汽式汽輪機(jī)組改造為供熱機(jī)組熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局，提供有益的借鑒，值得推廣。