用于給排水設(shè)備水封裝置的設(shè)計

劉 永

（天津市國威給排水設(shè)備制造有限公司，天津 300300）

0 引言

給水泵密封水回流通過多級水封裝置排入冷凝器進(jìn)行回收，設(shè)備在調(diào)試及運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)真空度低、真空系統(tǒng)密封性能測試不合格的問題[1]。為提升凝結(jié)器的真空度，使其達(dá)到正常值，采取給水泵密封水回流排水溝的方法，通過再次測試后真空系統(tǒng)的密封性良好。但是為了有效維持冷凝器真空度，并確保設(shè)備經(jīng)濟(jì)，操作者需要長時間將密封水從水泵送回排水溝，這樣就會造成大量浪費(fèi)淡水，不符合國家規(guī)定的節(jié)能減排要求[2]。在投入和停止水封運(yùn)行時，需要進(jìn)行注水、排氣等一系列繁瑣復(fù)雜的操作流程，既增加了操作人員的工作量，又會給設(shè)備正常運(yùn)行帶來安全隱患。通過不斷研究與實踐，發(fā)明設(shè)計了一種供排水設(shè)備用的水封裝置，不僅有效回收給水泵的密封水，又避免了浪費(fèi)淡水，起到了節(jié)能環(huán)保的作用[3]。

1 給排水設(shè)備水封工作原理

采用特定高度的靜水壓力，以阻止排水管內(nèi)的氣壓變化，并防止氣體從排水管內(nèi)進(jìn)入室內(nèi)。給水封堵裝置中，水封堵是指排水出口的水柱，以阻止排水管中氣壓差的變化，并防止排水管中的氣體從入口進(jìn)入排水裝置[4]。

使用水封的注意事項：①及時補(bǔ)充水。適時補(bǔ)充水分，保持一定的密封高度。當(dāng)集水器因水封深度不夠等原因，導(dǎo)致水封容易損壞，此外，有些給排水設(shè)備或地漏，由于長期間歇使用而不能再補(bǔ)充，以及水封表面不斷蒸發(fā)，就會失去水封作用[5]。在設(shè)計過程中需要注意這些常識，必須定期將水注入地漏的集水器中，以保持一定的水封高度[6]；②定期清理。一般地漏只會過濾掉較大的雜質(zhì)，一些細(xì)小的物質(zhì)容易通過地漏進(jìn)入疏水閥，造成管道積聚污垢，容易在里面滋生各種細(xì)菌和微生物[7]。必須定期清洗管道中的集水器。

2 水封裝置設(shè)計

2.1 水封裝置工作原理及注意問題

水封裝置的工作過程如下：在凝汽器抽真空前，應(yīng)先關(guān)閉水封裝置的進(jìn)水閥門，打開注水閥和放氣閥，再關(guān)閉放氣閥和放水閥[8]。加水量大時，打開水位控制閥直至水不能排凈為止，關(guān)閉水位控制閥及放水閥，再打開進(jìn)水閥，此時水柱上有空氣在水封管內(nèi)。電容器抽空后，水封管內(nèi)的水柱會發(fā)生變化，產(chǎn)生水頭。每個封口段的有效封頭高度之和是封口段總封頭高度，因設(shè)計、安裝等原因，在使用水封裝置時應(yīng)注意下列問題：

（1）水封裝置的第三級水封管與第四級水封管上部的排氣管相連，共用一個手動排氣閥。工作時，三級水封管壓力與四級水封管壓力相等；這時，四級水封管內(nèi)無水頭。理論上，在密封失效時，可產(chǎn)生密封裝置所能產(chǎn)生的最大密封頭，從現(xiàn)場情況來看，在機(jī)組運(yùn)行過程中，水封裝置的實際有效揚(yáng)程高度小于所需揚(yáng)程高度，會造成水封損壞，以及氣水混合泵的密封回水直接進(jìn)入冷凝器，嚴(yán)重影響真空系統(tǒng)[9]。

（2）在“啟動水位控制閥”未安裝的情況下，通過對水封裝置的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)水封裝置投入使用后，操作人員在注水階段不能判斷水封裝置內(nèi)的水位，致使水封裝置內(nèi)的水位過高或過低，導(dǎo)致水封裝置不能正常工作，影響了冷凝器的真空系統(tǒng)。

（3）水封設(shè)備在機(jī)組運(yùn)行過程中如發(fā)生故障而失去水封功能，勢必影響冷凝器真空系統(tǒng)。為保持凝汽器真空系統(tǒng)的真空度，確保設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，操作者只能將密封的給水泵水回流到排水管中，浪費(fèi)了大量淡水。

根據(jù)以上問題，設(shè)計出給排水設(shè)備水密封裝置的優(yōu)化方案。

2.2 多級水封管路設(shè)計

多級水封裝置是利用水封筒內(nèi)水柱的高度差來平衡給料泵的密封回水管和冷凝器之間的壓差，并使用水封筒內(nèi)水柱的氣缸將冷凝器與外界空氣隔開，防止空氣泄漏和影響冷凝器的真空系統(tǒng)。多級水封與單級水封相比，降低了水封筒高度和水封筒埋深。

在給排水設(shè)備水封工作原理支持下，計算給水泵密封水處的回水壓力，如式1 所示：

公式（1）中：G'表示回水壓力；G 表示凝汽器內(nèi)壓力；ρ、g、h分別為水密度、重力加速度和水頭高度。

就多段水封而言，各級水封筒的有效壓頭高度之和必須大于水封筒高度，否則冷凝器負(fù)壓將抽離水封筒的水，水封筒將失去水封功能，帶密封水的回水氣將直接進(jìn)入冷凝器，影響真空系統(tǒng)。工程實踐中，考慮到水封筒的阻力和實際有效揚(yáng)程高度等因素，水封筒的設(shè)計高度會存在一定的偏差。

2.3 回水系統(tǒng)設(shè)計

回水系統(tǒng)設(shè)計采用迷宮式密封設(shè)計，將密封水從凝結(jié)水泵出口抽到凝結(jié)水中，密封水的回水通過水封裝置由凝結(jié)器回收，根據(jù)最優(yōu)方案，蒸汽給水泵密封水的兩條回水管都連接到Φ1020 mm 鋼管制成的水箱上，安裝在冷凝器坑內(nèi)。水池下部的出水管連接到內(nèi)嵌的水封套上，再連接到冷凝器上形成循環(huán)，箱頂設(shè)有排氣管，排氣管保持箱內(nèi)水面壓力值在1 個大氣壓下。水池上部設(shè)有溢流口。若回流量過大，水箱內(nèi)水位過高，將自動溢出至冷凝池內(nèi)，不會造成回流堵塞，影響進(jìn)水泵正常運(yùn)行。在整個系統(tǒng)的底部設(shè)置有排水裝置，以便維修時排出水箱內(nèi)的水，或在密封水的回水水質(zhì)不佳時，直接排入循環(huán)水坑，以避免影響冷凝器的水質(zhì)。

設(shè)計中充分考慮到場址布置要求和條件，通過將簡易水箱置于冷凝器坑內(nèi)，冷凝器坑后水室與冷凝器坑之間的間隙可完全放置，不需特殊設(shè)置供水箱的設(shè)計和安裝空間，節(jié)省了企業(yè)成本。采取將二根給水泵的密封水回水管均布置在水箱上，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單緊湊，不需要進(jìn)行現(xiàn)場布置的改造。其水箱采用大口徑調(diào)制而成，制作工藝簡單經(jīng)濟(jì)，該系統(tǒng)的主閥可配置在接觸方便的位置，便于操作和維護(hù)。

2.4 多級水封裝置設(shè)計

2.4.1 水封高度

從水箱直接接出的水管引入預(yù)先埋設(shè)的水封裝置之中，再將水封連接到凝汽器中，設(shè)水箱出口到水封管道的高度為h1，水封底部到水封出口的高度為h2，密封水管到凝汽器入口的高度為h3，由傳統(tǒng)水封變化改造成多級水封裝置，最高高度為：

將h 控制在滿足凝汽器真空要求范圍內(nèi)，就可確定最佳水封高度。

2.4.2 水箱作用

通過對水箱的優(yōu)化設(shè)置，使密封水系統(tǒng)具有良好的緩沖空間，密封水系統(tǒng)的剩余水可暫時被儲存在水箱中，不會影響水封正常穩(wěn)定的運(yùn)行。在水箱上方設(shè)有排氣孔，水箱液面壓力維持在大氣壓范圍內(nèi)，水封具有穩(wěn)定的壓力邊界，可避免壓力波動的影響，消除凝汽器真空損壞的隱患。

2.4.3 布置特點

在水封裝置設(shè)計過程中，充分利用凝汽器空間，將管路合理布局，并使單一預(yù)先埋設(shè)的管道組合成多級水封，設(shè)水箱溢流高度為h'，該高度可以滿足水封管道阻力損失，比傳統(tǒng)水封裝置大了將近1 倍，在該情況下，能夠滿足大流量水流通過該系統(tǒng)。

因為動環(huán)和靜環(huán)的節(jié)流作用，密封腔外的壓力比腔內(nèi)的壓力小得多，足以保證密封動環(huán)和靜環(huán)之間不會出現(xiàn)泄漏問題。由于機(jī)械密封是冷卻水源，可通過調(diào)節(jié)閥門來控制壓力，而且從設(shè)計角度上也能滿足密封水的壓力要求。為循環(huán)利用這部分水資源，需用水封裝置向冷凝器中引入密封冷卻水進(jìn)行回收。

2.4.4 水封裝置

通過對存在的問題進(jìn)行分析，對傳統(tǒng)水封裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改造，采用多級水封裝置。

（1）水封裝置第三級水封筒和第四級水封筒的排氣管是分開的，并且分別連接，以確保第四級水封筒能夠正常工作和水封。泵軸端采用迷宮式密封圈時，冷卻水密封圈被連接到密封套上，冷卻水密封圈的一部分與泵體內(nèi)的高溫水混合形成卸荷水，無壓回水從泵體排出。將迷宮密封卸載水與增壓泵的進(jìn)水管連接，這就要求卸載水的水壓必須大于增壓泵的進(jìn)水管壓力，一般情況下，增壓泵進(jìn)水管的工作壓力在1.3 MPa，封閉循環(huán)水的工作壓力不超過1 MPa，不能滿足迷宮密封冷卻水的壓力要求。微型密封冷卻源只能選擇壓力較高的冷凝水，在給水泵軸端采用迷宮式密封時，為節(jié)約淡水，常將迷宮式密封的無壓回水與冷凝器連接進(jìn)行回收。

（2）安裝水位控制閥及管路必須按照原設(shè)計圖紙進(jìn)行安裝和啟動，當(dāng)水箱裝滿水并排出后，打開啟動水位控制閥，以確保水封管上方的空間是空氣區(qū)域。將排氣閥和水位控制閥安裝在不同次級水封筒之間的連接管路上，在啟動前形成空氣區(qū)，以保證次級水封筒的正常工作。

（3）手動截止閥安裝在多級水封設(shè)備出口到冷凝器的管道上。如在設(shè)備運(yùn)行過程中水封裝置出現(xiàn)故障，可關(guān)閉手動截止閥，隔離多級水封裝置進(jìn)行維修，若水封裝置發(fā)生損壞，需關(guān)閉手動截止閥，可從多級水封出口至冷凝器。經(jīng)過重新注水放氣后，再啟動水封裝置投入使用。多段水封的關(guān)鍵是要保持水封，每段水封都要防止損壞，在水封開始使用之前，必須將水注滿，并排空水封內(nèi)的氣體；另外，在制作多層水封時，要保證水封內(nèi)部部件都是密封的。多段水封雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但是制作和操作比較復(fù)雜，所以對操作控制的要求也比較高。

3 結(jié)束語

在給水泵密封回水時如果出現(xiàn)異常情況，將會導(dǎo)致密封水回水不良，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在建設(shè)安裝階段必須足夠的重視，施工和安裝階段要認(rèn)真核對設(shè)計圖紙，進(jìn)行及時校對和改進(jìn)，并要求施工單位嚴(yán)格按設(shè)計圖紙施工，確保給排水設(shè)備水封裝置正常穩(wěn)定的運(yùn)行。采用該設(shè)計方法，不僅保障了設(shè)備的正常工作，解決了凝汽器真空問題，還避免了回水不暢的問題，為未來給水泵密封水系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的選擇。