三重保護無動力自力式通用水回收裝置優(yōu)化設(shè)計

(巨化集團公司，浙江衢州 324004)

上世紀九十年代以來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對電力和蒸汽的需求急劇上升。各種高效率的高壓、超高壓、亞臨界機組大批建設(shè)投運。普遍采用的高壓給水泵產(chǎn)生大量的微壓甚至無壓的密封水需要回收，以提高熱熵利用并減少除鹽水補水。利用汽輪機凝汽器殼程內(nèi)的真空壓力將密封水吸入凝汽器熱井，幾乎絕大多數(shù)機組出廠設(shè)計都是采用多級U形管組水封裝置來實現(xiàn)密封水回收的，依靠U形管中水位差疊加產(chǎn)生一個略小于凝汽器內(nèi)真空與外界大氣壓差值的水封壓力，使得回水既可以在其壓差的作用下進入凝汽器，又不至于抽吸力過大產(chǎn)生脫氣，把U形管中的水封破壞掉，讓空氣進入凝汽器破壞真空。結(jié)構(gòu)原理圖例如圖1[1]。

圖1 U形水封裝置原理圖

但是多年來，各使用單位普遍反映操作程序繁瑣，吸水流量不穩(wěn)定，出現(xiàn)故障難以判讀和處理，甚至造成凝汽器真空破壞跳機事故或倒灌水到給水泵油系統(tǒng)的事故。事實上，許多熱電廠常年將這些回水直接排放到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)里去了，以此規(guī)避事故隱患。結(jié)果造成了較大的浪費。

1 失效原因分析

基于水封裝置的基本工作原理，由于該裝置是一個靜態(tài)設(shè)備，設(shè)計時已根據(jù)預(yù)期的進出水壓差和流量固定了尺寸和結(jié)構(gòu)，其運行中的調(diào)節(jié)余量不大?？墒鞘褂玫沫h(huán)境是變化的，一方面設(shè)備所在廠區(qū)、氣溫和大氣壓不可避免地受到當(dāng)?shù)靥鞖庾兓挠绊?，另一方面凝結(jié)器的真空度又受到電負荷、抽汽量波動的影響。兩者結(jié)合導(dǎo)致U形水封裝置進出口壓差的不穩(wěn)定，操作上難以預(yù)測和實時控制。此外給水泵密封水量也和運行工況和設(shè)備狀況有一定關(guān)聯(lián)波動。運行中一不小心U形水封進出口壓差過低，排水不暢就會導(dǎo)致密封水滿水倒灌到給水泵潤滑油系統(tǒng)中去，威脅泵組設(shè)備運行安全。壓差過大又有抽脫水封水流、吸入空氣的風(fēng)險，造成凝汽器意外跌真空。另外，該裝置上數(shù)個排氣閥內(nèi)漏或水封管焊接缺陷內(nèi)漏極也可能造成空氣吸入凝汽器破壞真空，從而發(fā)生汽機低真空跳機的嚴重事故。

工程實踐中，長時間運行后水中還會有雜質(zhì)、銹泥或檢修遺留密封墊等碎片易沉積并堵塞水封管，改變通留尺寸，破壞原有特性參數(shù)，故障原因難以在運行過程中判斷和處理。這些年許多單位也想了很多辦法進行改進，但受限于U形水封的工作原理和難以快速解體檢查的結(jié)構(gòu)，仍然無法擺脫操作繁瑣，運行工況不穩(wěn)定，故障原因難判斷這三大痼疾。

更普遍的情況的是許多化工自備熱電廠還有其他各種不同壓力等級、不同流量的供熱疏水、冷凝水、純凈冷卻水、余熱利用再熱水的回水需要回收，同時流量、溫度和壓力都是不穩(wěn)定的。只能按照固定參數(shù)運行的U形管水封式回收裝置更不可能可靠地完成這樣的使命。

2 技術(shù)改進措施

針對以上情況，取消U形水封裝置，采用回收水箱加浮球截止閥控制的改造模式，在2000年后逐漸被一些廠家采納使用。

2.1 工作原理

現(xiàn)將各種回收水集中排放到位于凝汽器下部的回收水箱中，再通過水箱底部的水管接入凝汽器熱井中利用真空負壓實現(xiàn)回收。水箱底部進口管由一個杠桿浮球截止閥控制開關(guān)幅度和關(guān)斷，類似于家用抽水馬桶水箱的水位控制。

2.2 存在的缺陷

1)由于生產(chǎn)中回收水量和凝汽器真空度波動，浮球閥的動作十分頻繁，開關(guān)動作猛烈，造成活動部件容易磨損而突然失效。如果關(guān)斷失靈則造成真空破壞事故，如果浮起失靈則密封水等無法回收，水箱滿水外溢。還有偏磨造成時靈時不靈的情況，令觀察不到浮球閥動作情況的控制室操作人員無所適從。

2)浮球閥使用一段時間后，關(guān)斷閥芯和閥座密封出現(xiàn)磨損內(nèi)漏，當(dāng)水位下降到底時容易吸入空氣降低凝汽器真空度，影響汽輪機發(fā)電功耗，甚至升高凝結(jié)水溶氧，影響后續(xù)低壓加熱器換熱管壽命。

3)各種回收水在流程中吸收了空氣中的氧氣，往往造成進入凝汽器的水溶氧過高，劣化凝結(jié)水水質(zhì)，對后續(xù)換熱器壽命有不利影響。

4)回收水中的一些漂流物可能卡在浮球閥的閥芯和閥座的密封面上造成動作卡澀和關(guān)斷不嚴，是影響密封水正常回收和降低凝汽器真空的隱患。

2.3 解決措施

要使水箱浮球式水位控制方式能夠長周期穩(wěn)定運行，首先一定要減少浮球閥開關(guān)的幅度和頻度，提高其可靠使用壽命。其次，要有輔助監(jiān)控的手段，使得控制室操作人員可以實時監(jiān)控水箱水位，并有危急水位報警連鎖快速切斷水箱至凝汽器熱井水路的保護措施。第三，要提高浮球閥閥芯抵抗水中漂浮物干擾能力，提高動作的可靠性。

1)將杠桿式浮球截止閥改為浮筒柱塞式流量控制閥。改進的關(guān)鍵點在于使用套筒式調(diào)節(jié)閥的進水模式從套筒的側(cè)向進水，而且筒體上是斜向開三角孔，閥芯是活塞狀的，以圓周配合面作為調(diào)節(jié)閥的密封面。這樣閥芯的開度曲線和行程是指數(shù)比例關(guān)系的，水箱水位越高，閥門開度按指數(shù)線性增大，加快排水速度，減緩水箱水位上升的速度；水位越低，閥門開度快速縮小，延緩水箱水位下降的速度。從而實現(xiàn)自力式水位自動控制，水位總能自主控制在某一個平衡位置平緩波動?；钊y芯底部為錐形截止閥配合形式，水箱水位下降到控制下限水位時，活塞落到底關(guān)斷水箱出水。

2)回收水箱加裝磁性翻板水位計，信號接入汽輪機DCS，實現(xiàn)水位監(jiān)控、報警、連鎖保護功能。不銹鋼水箱出口加裝電磁閥，實現(xiàn)低水位連鎖快速關(guān)斷功能，位置在水箱至凝結(jié)器熱井隔離閥之間，防止跌真空。當(dāng)水位低于浮筒式流量控制閥關(guān)斷水位時，連鎖保護信號觸發(fā)電磁閥關(guān)斷動作，徹底隔離水路。

3)回收水箱布置在凝汽器坑中，溢水管口高度和給水泵密封水裝置有足夠的高度差，口徑滿足無壓水流50 t/h，確保密封水不會倒灌。水箱采用封閉式，溢水管由底部茶壺嘴樣接出，防止水箱內(nèi)部大面積液面直接與外界空氣接觸，減少回水溶氧升高的機會。同時，回水進入凝汽器的部位改為喉部以下，以多管口噴淋的形式進入凝汽器殼程，其水花飄灑下落的過程便于水中溶氧析出，并利用凝汽器的抽氣器吸出。

4)采用和閥芯同軸的大型浮筒為閥芯上下提供動力。水位上升時，大型浮筒有足夠的浮力提升閥芯，克服正常摩擦力和部分雜質(zhì)帶來的卡澀阻力。水位下降時，則可利用浮筒和閥芯足夠的自重關(guān)下，增大閥芯最終的關(guān)斷壓緊力，從而提高密封性能。水箱進水口加裝不銹鋼濾網(wǎng)，盡可能防止較大異物進入水箱卡澀浮筒滑閥。加裝浮球滑閥行程限位保護，防止浮筒柱塞式流量控制閥閥芯脫出。

3 效果驗證

國內(nèi)某化工自備電廠2006年投產(chǎn)上海汽輪機廠設(shè)計制造的135 MW雙抽發(fā)電機組，其配套給水泵密封水回水系統(tǒng)采用標準的U形管密封桶方案，利用凝結(jié)器真空負壓回收給水泵密封水。投產(chǎn)以來一直無法長周期連續(xù)正常回收密封水，雖然經(jīng)過檢修車間部分改造，因工作狀態(tài)不穩(wěn)定和缺乏必要的快關(guān)隔離裝置，存在造成凝汽器真空急跌引起機組跳機的重大隱患，無法確保機組安全運行。運行部門因此一直沒有投用，造成設(shè)備形同虛設(shè)，大量凝結(jié)水白白浪費。

經(jīng)實測每小時直排地溝達12～14 t以上，該機組給水泵平均一年運行7 500 h以上，年消耗密封用水10.5萬t，按除鹽水每噸6元成本計算，每年直接浪費達63萬元。而且還損失了回收水30 ℃的溫升的熱熵值，按當(dāng)?shù)氐綇S標煤單價1 000元/t計算，每年節(jié)約折合標煤價值超過50萬元。

改造后，不僅給水泵密封水得到了完全的回收，后期低值乏汽和連排余熱利用等多種回水都簡單地接入水箱，利用該裝置得以無動力自流回收。由于該控制閥流量開度指數(shù)比例相關(guān)的特性，按照國內(nèi)調(diào)節(jié)閥關(guān)斷漏流量5%的指標，線性可控最低流量為2.5 t/h，按照給水泵密封水最低10 t/h保底流量考慮，正常運行工況都在調(diào)節(jié)舒適區(qū)，完全不會出現(xiàn)閥芯突然到底關(guān)斷的情況。流量波動適應(yīng)性特別強，底閥由于一般不關(guān)到底幾乎不會磨損，確保了緊急關(guān)斷時的嚴密性。該套裝置和國內(nèi)其他同類浮球式裝置比較具有以下特點：

1)柱塞閥斜開口設(shè)計，流量自動無級調(diào)整。與國內(nèi)同類裝置相比具有自動調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)線性好，水位控制平穩(wěn)的特點，指數(shù)線性調(diào)節(jié)區(qū)達到2.5～50 t/h，可滿足25 MW到1000 MW機組的需要。

2)獨創(chuàng)設(shè)計三重保護，既有閥芯式低水位自重加力機械關(guān)斷保護，又有水位計報警及自動連鎖低水位保護、DCS遠控保護雙重電氣保護功能?？煽啃愿?、可遠程監(jiān)控。

3)通過改進的凝汽器回收水噴淋裝置，實現(xiàn)預(yù)除氧功能。

4)該裝置自力式的工作原理、可靠的性能、超強的適應(yīng)性大大減輕了操作人員監(jiān)盤和控制的勞動強度。

4 結(jié) 語

實踐證明，該浮筒式控制閥具有調(diào)節(jié)動作平緩，線性范圍大，可靠性高，通用性強，無需人工干預(yù)的特點，適合廣泛的工作場合。配套凝汽器可安全回收任何合格的凝結(jié)水、除鹽水、水封水、冷凝水、疏水、余熱回收水等。