如何解決鍋爐給水壓力不穩(wěn)定的難題

李金和

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

如何解決鍋爐給水壓力不穩(wěn)定的難題

李金和

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

介紹了國外某總承包項(xiàng)目中的一臺燃?xì)忮仩t，由于提供給鍋爐的給水壓力波動很大。當(dāng)給水壓力低時，易發(fā)生鍋爐缺水現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致爆管，重則導(dǎo)致鍋爐爆炸的嚴(yán)重后果，不僅為設(shè)備自身安全留下隱患，也將對整個化工裝置產(chǎn)生不利影響。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過向國內(nèi)外泵廠咨詢，并與高壓燃?xì)忮仩t的國外制造商就鍋爐給水的方案展開討論，制定出合理的設(shè)備選型和控制方案，在后來的生產(chǎn)實(shí)踐中證明是安全可靠的。

壓力波動大; 缺水; 增壓泵; 超壓; 控制

1 項(xiàng)目背景

中石化南京工程有限公司在國外某總承包項(xiàng)目中使用一臺高壓燃?xì)忮仩t，為工藝裝置的水解塔提供蒸汽。鍋爐額定蒸發(fā)量：2700kg/h，最大負(fù)荷為120%即3240kg/h；工作壓力：65barg，設(shè)計(jì)壓力：70barg；工作溫度：282 ℃(飽和)，設(shè)計(jì)溫度：287 ℃(飽和)。根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量小、設(shè)計(jì)壓力高的特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用一臺水管式、自然循環(huán)高壓蒸汽鍋爐，其水汽系統(tǒng)由省煤器、汽包、鍋爐本體(含燃燒器、換熱管束)以及連接汽包與鍋爐本體的上升、下降管組成。

項(xiàng)目所需的公用工程消耗如工業(yè)用水、循環(huán)冷卻水、脫鹽水、鍋爐給水、壓縮空氣、燃料氣等由項(xiàng)目所屬的總公司通過管道輸送到化工裝置現(xiàn)場。其中鍋爐給水管道由于輸送距離長，并且還要向沿途的其它工藝裝置供水，造成搶水現(xiàn)象，鍋爐給水輸送到本項(xiàng)目鍋爐界區(qū)時壓力波動很大，最大85barg，最小65barg。

鍋爐按ASME I 《動力鍋爐建造規(guī)則》2013版設(shè)計(jì)、制造和使用，在規(guī)則的PG篇“所有建造方法的通用要求”中PG-61.1條規(guī)定："每種給水源應(yīng)能以比鍋爐上任一個安全閥最高整定壓力高3%的壓力向鍋爐供水"。鍋爐的汽包上設(shè)有兩只安全閥，整定壓力分別為70barg和72.1barg，以整定壓力最高的72.1barg計(jì)，72.1×1.03=74.26(barg)，即汽包進(jìn)水口的壓力應(yīng)大于74.26barg。

送到界區(qū)內(nèi)的鍋爐給水先進(jìn)入省煤器加熱后再進(jìn)入10.8米高的汽包，管道和調(diào)節(jié)閥組的阻力約1bar，省煤器阻力約0.5bar，液位高度產(chǎn)生的壓差10.8×0.098×0.947(給水的密度)=1bar。為保證汽包進(jìn)水口的壓力達(dá)標(biāo)，到達(dá)鍋爐界區(qū)內(nèi)的給水壓力至少應(yīng)為74.26+1+0.5+1=76.76(barg)。從計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)鍋爐給水壓力低時，不能滿足鍋爐安全生產(chǎn)的要求，易發(fā)生缺水、換熱管束及省煤器超溫、金屬材料強(qiáng)度下降，導(dǎo)致爆管甚至鍋爐爆炸的嚴(yán)重后果；同時，也會造成工藝裝置減產(chǎn)、產(chǎn)品品質(zhì)下降、停產(chǎn)等一系列后果。

2 如何提高鍋爐給水壓力

要提高給水壓力有兩種方案。首先想到的是方案一：采用增壓泵，將給水壓力從最小的65barg增加到大于76.76barg，取整數(shù)為77barg，增壓幅度為12barg。這樣就帶來一個問題，因?yàn)橥鈦斫o水的壓力不穩(wěn)定，當(dāng)壓力為最大85barg時，同樣增壓12barg后，給水壓力將達(dá)到97barg，給水經(jīng)省煤器后再進(jìn)入鍋爐的汽包，其中省煤器的設(shè)計(jì)壓力是85barg,這樣一來增壓后的給水將超過省煤器所能承受的壓力。

方案二可使鍋爐給水不超壓，方法是將送至界區(qū)的給水通入一個敞口的水箱中，使其壓力降為零，再通過鍋爐給水泵加壓到大于77barg。

方案比較：

2.1 電機(jī)功率

計(jì)算軸功率 Ne=QHg/(3600ηx1000) (kW)

式中：H——揚(yáng)程，m；Q——流量，單位kg/h；η——泵的效率，一般取0.4～0.8之間，泵流量越小，取值越低，本計(jì)算取0.4；g——重力加速度9.8。

已知鍋爐最大蒸發(fā)量：3240kg/h，鍋爐排污按蒸發(fā)量的2%計(jì)，鍋爐給水量Q=3240x(1+2%)=3305kg/h。

方案一

給水壓力65barg，溫度120℃，查水和蒸汽性質(zhì)表，密度ρ=946.3kg/m3,給水焓 I'= 508.3 kJ/kg。

給水增壓12barg相當(dāng)于增壓泵揚(yáng)程H=12÷0.9463÷0.098=129.4(m)。

Ne= QHg/(3600ηx1000)=3305x129.4x9.8/(3600x0.4x1000)=2.91(kW)。

電機(jī)功率 P=K×Ne，單位kW。

式中：K——安全系數(shù)，若Ne≤22kW，K=1.25；若2255kW，K=1.1。

P= K×Ne=1.25×2.91=3.64(kW)，選用時需向上圓整到電機(jī)常用功率規(guī)格。

方案二

給水壓力65barg，溫度120℃，進(jìn)入水箱中閃蒸后，壓力0barg，溫度100℃，查水和蒸汽性質(zhì)表，密度ρ=958.7kg/m3，給水焓 I"= 417.44 kJ/kg；

給水壓力增加到77barg，相當(dāng)于給水泵揚(yáng)程 H=77÷0.9587÷0.098=819.6(m)。

Ne= QHg/(3600η×1000)=3305×819.6×9.8/(3600×0.4×1000)=18.43(kW)。

電機(jī)功率P= K×Ne=1.25×18.43=23.04(kW)，選用時需向上圓整到電機(jī)常用功率規(guī)格。

2.2 熱量損失

方案二原給水壓力65barg，溫度120℃，給水焓 I'= 508.3 kJ/kg；閃蒸后壓力0barg，溫度100℃，給水焓 I"= 417.44 kJ/kg；熱量損失90.86 kJ/kg，損失比率為17.9%。

2.3 設(shè)備布置

方案二鍋爐給水閃蒸減壓后，壓力0barg，溫度100℃，水箱中的水處于飽和狀態(tài)，泵的吸上真空高度為零，水泵吸入口中的水極易氣化。為避免泵產(chǎn)生氣蝕，需提高水箱的安裝高度，即提高泵軸中心線與水箱液面的垂直距離，這與熱力除氧器水箱的布置方式類似，一般布置在較高的平臺上，泵軸中心線與水箱液面的垂直距離大于8m。

表1 鍋爐給水增壓方案比較

方案一優(yōu)點(diǎn)較多，降低投資、節(jié)能降耗不僅可提高項(xiàng)目總承包商的利潤，也可使企業(yè)在未來的生產(chǎn)中提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，只要解決了泵出口可能發(fā)生的超壓問題，方案一是個不錯的選擇。

3 如何防止鍋爐給水增壓泵出口超壓

輸送到鍋爐界區(qū)的給水壓力為65～85barg，此壓力范圍以77barg為界可分為兩個區(qū)間，77barg≤P≤85barg區(qū)間可滿足鍋爐用水要求，可繞過增壓泵直接去省煤器和汽包，此時增壓泵停用；65barg≤P<77barg區(qū)間先用調(diào)節(jié)閥將給水壓力調(diào)整到65barg，再通過增壓泵加壓到77barg，在此區(qū)間內(nèi)增壓泵出口壓力保持穩(wěn)定。采用上述處理方法后，鍋爐給水壓力范圍77barg～85barg，既能滿足鍋爐安全生產(chǎn)要求和工藝裝置用汽要求，也能保證省煤器不超壓。鍋爐給水增壓方案可用下面的方框圖表示，見圖1。

4 鍋爐給水增壓泵選型

4.1 離心泵

鍋爐給水泵一般采用多級離心泵，泵的揚(yáng)程越高、級數(shù)越多，泵軸的扭矩越大。小型泵由于泵體直徑小，泵軸細(xì)，泵軸材料的強(qiáng)度難以承受過高的扭矩，因此多用于中、低壓鍋爐給水。小型泵的流量范圍：Q=3～50m3/h，揚(yáng)程范圍：H=81～600m，吸入壓力：不高于6barg。

本項(xiàng)目增壓泵的揚(yáng)程雖然只有約130m，但泵的出口壓力達(dá)到77barg(按給水密度ρ=946.3kg/m3計(jì)，相當(dāng)于揚(yáng)程830m)，吸入口壓力65barg，遠(yuǎn)高于6barg，泵軸的機(jī)械密封不能滿足要求，易造成泄漏，因此，離心泵不滿足本項(xiàng)目的使用要求。

4.2 隔膜泵

項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，咨詢了國內(nèi)外多家泵廠，并與高壓燃?xì)忮仩t的國外制造商就鍋爐給水的方案展開充分的討論，最終確定采用隔膜泵作為鍋爐給水增壓泵。隔膜泵與離心泵的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

圖1 鍋爐給水增壓方案圖

序號比較內(nèi)容設(shè)計(jì)要求隔膜泵離心泵1流量范圍/(m3/h)1.2～3.5(40%～120%負(fù)荷)<1003～502壓力范圍/barg65～85<35007.9～58.8(H=81～600m)3吸入壓力/barg65>2(給水溫度120℃,飽和壓力1bar,泵的汽蝕余量NPSH=5m)<64效率70%～85%(大小泵效率變化不大)40%(小泵效率低)5流量調(diào)節(jié)性能流量在1.2～3.5m3/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)帶調(diào)節(jié)電機(jī),調(diào)節(jié)泵的行程以調(diào)節(jié)流量不可調(diào)節(jié)6密封性能不泄漏不泄漏泵吸入口處易泄漏7穩(wěn)定性流量和壓力有較大脈動,需要采取相應(yīng)的消減脈動措施流量和壓力穩(wěn)定

5 鍋爐給水流程圖及控制方案

本項(xiàng)目鍋爐給水增壓泵選用兩臺德國布朗盧比(Bran + Luebbe)公司制造的隔膜泵，一用一備。泵的設(shè)計(jì)流量3.7m3/h，另帶調(diào)節(jié)電機(jī)，調(diào)節(jié)泵的行程以調(diào)節(jié)流量以適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的變化；揚(yáng)程130m，設(shè)計(jì)溫度127 ℃，設(shè)計(jì)壓力85barg，安全閥整定壓力87barg。

鍋爐給水流程及控制方案見圖2。

首先在鍋爐界區(qū)進(jìn)口的給水管道上設(shè)壓力測點(diǎn)PIS-508，當(dāng)壓力大于等于77barg時，給水直接從旁路，經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥LV-502、省煤器后進(jìn)入汽包，壓力高時增壓泵不啟動、壓力調(diào)節(jié)閥PV-506關(guān)閉；當(dāng)壓力小于77barg時，給水經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥PV-506，將壓力調(diào)整到65barg后進(jìn)入增壓泵，加壓到77barg后經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥LV-502、省煤器后進(jìn)入汽包。

PIC-507測量增壓泵后給水壓力，當(dāng)壓力大于85barg時開啟壓力調(diào)節(jié)閥PV-507，排出一部分水以降低壓力，排出的水去冷凝水回收罐可供其他工藝裝置使用。

液位計(jì)LIC-502控制液位調(diào)節(jié)閥LV-502的開度以維持汽包液位穩(wěn)定，當(dāng)液位高高報警時聯(lián)鎖停增壓泵。

增壓泵進(jìn)出口管道設(shè)緩沖罐，減輕流量和壓力的脈動。

圖2 鍋爐給水流程及控制方案

6 使用效果

高壓燃?xì)忮仩t及鍋爐給水增壓泵已于2013年10月順利投入使用，現(xiàn)場儀表PIS-508顯示，由外管輸送至鍋爐界區(qū)的給水壓力為74.4barg，一臺增壓泵啟動，PIC-506顯示泵前壓力65barg，PIC-507顯示泵后壓力75.1barg。為什么泵后壓力不是77barg呢？這是因?yàn)楫?dāng)時汽包工作壓力是正常工況的65barg，而不是汽包安全閥啟跳時的72.1barg，由于給水去汽包的進(jìn)口壓力降低，給水管道的壓力也會相應(yīng)降低，這是正常現(xiàn)象。到目前為止，高壓燃?xì)忮仩t系統(tǒng)已安全使用3年，為工藝裝置提供合格的高壓蒸汽，確保了產(chǎn)品品質(zhì)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

(本文文獻(xiàn)格式：李金和.如何解決鍋爐給水壓力不穩(wěn)定的難題[J].山東化工，2016，45(24)：86-88，90.)

2016-11-01

李金和(1967—)，江蘇南京人，中石化南京工程有限公司工程師，長期從事化工熱能動力工程設(shè)計(jì)工作。

TP273.4

A

1008-021X(2016)24-0086-03