機(jī)械密封沖洗液電導(dǎo)率調(diào)節(jié)試驗(yàn)研究

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(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016) (3.南京航空航天大學(xué)無錫研究院，江蘇 無錫 214174)

在大型火電廠的火力發(fā)電機(jī)組中，高壓鍋爐的給水泵是現(xiàn)代火力發(fā)電機(jī)組的重要輔助設(shè)備[1-3]。給水泵的機(jī)械密封主要由動(dòng)環(huán)與靜環(huán)這對(duì)密封元件構(gòu)成[4-5]，在實(shí)際工作中，由于存在動(dòng)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(dǎo)效應(yīng)，為保證機(jī)械密封裝置正常工作，需要向密封腔中注入沖洗液。當(dāng)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)相對(duì)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在兩個(gè)端面之間會(huì)形成一層液體薄膜，這層液體薄膜主要起到潤(rùn)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(jī)械密封設(shè)備的工作環(huán)境，使用高性能的機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)十分必要[6]。機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)是給機(jī)封降溫、改善機(jī)封工作環(huán)境最直接的方法[7]，能夠很好地保護(hù)機(jī)械密封面，有效延長(zhǎng)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(jī)械密封沖洗系統(tǒng)存在的主要問題是自動(dòng)化、智能化水平不足，控制精度不高。此外，譬如電導(dǎo)率檢測(cè)與控制等流程需要人工操作，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)沖洗液電導(dǎo)率的檢測(cè)與控制。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種機(jī)械密封裝置輔助沖洗系統(tǒng)的沖洗液電導(dǎo)率檢測(cè)與控制調(diào)節(jié)技術(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該沖洗液電導(dǎo)率檢測(cè)與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)可將沖洗液電導(dǎo)率控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，且控制精度滿足項(xiàng)目應(yīng)用要求，解決了人工調(diào)節(jié)沖洗液電導(dǎo)率低效、低精度的問題，實(shí)現(xiàn)了沖洗液電導(dǎo)率調(diào)節(jié)自動(dòng)且精確地運(yùn)行。

1 試驗(yàn)方案

1.1 沖洗液電導(dǎo)率調(diào)節(jié)介質(zhì)

為了去除鍋爐補(bǔ)給水中溶解的CO2和O2，避免對(duì)水管路和熱力設(shè)備造成腐蝕，必須嚴(yán)格、準(zhǔn)確控制補(bǔ)給水的pH值，使機(jī)組能夠在最佳水汽質(zhì)量下穩(wěn)定運(yùn)行。一般采取在補(bǔ)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(bǔ)給水的pH值，并中和水中的游離CO2。從機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)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(jìn)入補(bǔ)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(dǎo)率。沖洗液的電導(dǎo)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(rùn)滑劑對(duì)密封元件起到冷卻、減緩密封件磨損速度的作用。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)原理

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

當(dāng)沖洗液的電導(dǎo)率值低于系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，電導(dǎo)率檢測(cè)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(jìn)而保證沖洗液電導(dǎo)率值在穩(wěn)定范圍內(nèi)。電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括電導(dǎo)率儀、電導(dǎo)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(dǎo)率檢測(cè)設(shè)備和氨水加注設(shè)備是該系統(tǒng)關(guān)鍵的兩個(gè)設(shè)備，分別負(fù)責(zé)沖洗液電導(dǎo)率的檢測(cè)與控制調(diào)節(jié)，在下面章節(jié)將詳細(xì)介紹。

1.2.1電導(dǎo)率的檢測(cè)

沖洗液的電導(dǎo)率是使用電導(dǎo)率儀測(cè)得的。電導(dǎo)率儀是電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其具備檢測(cè)精度高、傳輸速率快、耐高溫等特性。電導(dǎo)率儀由兩部分組成，即電導(dǎo)率電極和電導(dǎo)率控制器。由于電極傳感器輸出的電導(dǎo)信號(hào)PLC無法直接讀取，因此需要電導(dǎo)率控制器將電極采集的電導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的PLC可讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)回路電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)電導(dǎo)率值范圍以及電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)的硬件框架設(shè)計(jì)要求，選用漢特恩 PT-30型電導(dǎo)率檢測(cè)儀，具體參數(shù)見表1。

表1 漢特恩PT-30型電導(dǎo)率檢測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

1.2.2氨水加注裝置

電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)給水管路較細(xì)，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(diǎn)。此外，現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，微量泵作為關(guān)鍵設(shè)備必須具備一定的防塵防水能力。根據(jù)氨水濃度與電導(dǎo)率關(guān)系試驗(yàn)所確定的微量泵的流量應(yīng)該不小于20 mL/h，由技術(shù)指標(biāo)可知，泵站出口壓力為6 bar，同時(shí)需要考慮加藥管路中的管程壓力損失[11]。在實(shí)際工況中，一般管路布局復(fù)雜，局部壓力損失較難準(zhǔn)確計(jì)算，通常可以采用經(jīng)驗(yàn)值來估算局部壓力，即按照沿程損失5%～10%計(jì)算，若管路中彎頭等局部損失點(diǎn)較多，局部壓力可以取得相對(duì)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(diǎn)的壓力。結(jié)合以上加藥回路的管程壓力損失，經(jīng)綜合計(jì)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(shù)參數(shù)見表2。

表2 意大利道茨A型微量柱塞泵技術(shù)參數(shù)

1.3 氨水濃度與沖洗液電導(dǎo)率關(guān)系

沖洗液在機(jī)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(jìn)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(dǎo)率要維持在7.0～7.5 μS/cm，電導(dǎo)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(guān)，所以需要考慮的試驗(yàn)因素有氨水的濃度以及溶液的溫度，而沖洗液電導(dǎo)率值則作為本試驗(yàn)的響應(yīng)值。將氨水溫度依次設(shè)置為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃。氨水的濃度按照范圍100～2 000 μg/L依次設(shè)置20個(gè)電導(dǎo)率采樣點(diǎn)。若試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)置的最大氨水濃度的電導(dǎo)率無法達(dá)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(yàn)采樣點(diǎn)。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(cè)量其電導(dǎo)率值，表3所示為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 不同溫度及氨水濃度條件下的電導(dǎo)率測(cè)試值

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氨水濃度與沖洗液電導(dǎo)率關(guān)系

分別取溫度T為20 ℃、50 ℃時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析沖洗液電導(dǎo)率(D)與氨水濃度(M)的關(guān)系，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，電導(dǎo)率為縱坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)率隨氨水質(zhì)量濃度的增加而增加，兩者呈線性正相關(guān)。這是因?yàn)榘彼芤褐休d流子的數(shù)量隨電解質(zhì)濃度的增加而增加，所以電導(dǎo)率隨之升高。在可信度95%的條件下，當(dāng)T=20 ℃時(shí)，沖洗液電導(dǎo)率與氨水濃度的擬合直線方程為：

D=0.004M+2.287

(8)

當(dāng)T=50 ℃時(shí)，沖洗液電導(dǎo)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(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)加藥精度試驗(yàn)分析

沖洗液電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)采用“反饋—比較—執(zhí)行”的閉環(huán)控制模式實(shí)現(xiàn)對(duì)沖洗液電導(dǎo)率值的精確控制，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_洗液電導(dǎo)率過低時(shí)，計(jì)算出將電導(dǎo)率調(diào)節(jié)到適當(dāng)范圍所需加注氨水體積后，啟動(dòng)氨水的加注程序，將沖洗液電導(dǎo)率控制在適當(dāng)范圍。通過氨水加注裝置實(shí)際加注氨水體積得出電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)的加藥精度，以加藥精度來判斷該系統(tǒng)對(duì)沖洗液電導(dǎo)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(dǎo)率的控制精度，采用了PWM脈沖信號(hào)加行程控制的方式。根據(jù)氨水濃度與電導(dǎo)率關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果，泵的流量分別設(shè)置為20，25，30 mL/h。實(shí)際流量測(cè)試結(jié)果見表4。

圖2 不同溫度下沖洗液電導(dǎo)率與氨水濃度的關(guān)系

表4 沖洗液電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)加藥精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由于流量計(jì)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(jì)算得出3組試驗(yàn)的控制精度分別為97.0%、96.8%、95.2%，綜合精度達(dá)到95%以上，滿足項(xiàng)目應(yīng)用需求。

3 結(jié)束語

高壓鍋爐中的給水泵機(jī)械密封裝置作為現(xiàn)代火力發(fā)電組中重要的輔助設(shè)備，其所配套的輔助沖洗系統(tǒng)至關(guān)重要，是保障整個(gè)火力發(fā)電廠系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行的重要工具。本文自主開發(fā)的沖洗液電導(dǎo)率檢測(cè)與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沖洗液電導(dǎo)率值的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并能夠?qū)㈦妼?dǎo)率值控制在合適的范圍內(nèi)，很大程度上解決了人工調(diào)節(jié)沖洗液電導(dǎo)率時(shí)出現(xiàn)的低效率、低精度的問題，實(shí)現(xiàn)了沖洗液電導(dǎo)率調(diào)節(jié)的自動(dòng)化。沖洗液電導(dǎo)率檢測(cè)與控制系統(tǒng)的成功研制，彌補(bǔ)了熱電廠鍋爐給水泵機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)過去無法精確控制沖洗液電導(dǎo)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(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。