电动给水泵密封回水系统改进方案

(华电哈尔滨热电有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 序 言

华建哈尔滨热电厂二台机组的电动给水泵密封水回水系统在设计上存在一些问题，长期不能投用。对此，这个厂在#2机小修期间安排针对该系统存在问题进行了初步改进。

1 给水泵密封水回水系统应具备的基本功能

(1)将密封回水全部回收

给水泵的轴端密封由凝泵供给，一部分水将从轴端漏出，设计为8.2 T/h左右。这部分水若不进行回收，不仅造成水资源浪费，热能损失，还将提高水处理成本。根据电厂热力系统布置，回收至凝汽器是最佳选择。

(2)要把这部分密封回水回收至凝汽器，必须要有效地封住自给水泵轴端漏往凝汽器的空气。否则将影响凝汽器真空，影响主机安全运行。

(3)密封回水系统及其相关设备在满足上述二条外，系统应尽量简化，减少不必要附加系统、阀门等，以尽量减少密封面，减少可能发生的泄漏。减少运行操作量和检修维护量。

2 电动给水泵运行对密封回水系统的要求

2.1 给水泵密封水回水系统工作状况

对于电动给水泵来说，在机组启动初期就要投入运行，此时凝汽器真空往往还没有建立，或者比较低；在机组正常运行的全部时间，电泵应处在备用状态，密封水系统仍需投入，密封水仍应正常回收。因此对于密封回水系统来说，进水侧压力为大气压(为方便计算文中均取绝对压力，取标准大气压101.33 kPa)，出水侧压力在凝汽器工作压力范围内变化，(101.33～4.9 kPa)

2.2 现场布置对给水泵密封水回水系统的限制

电动给水泵布置在0 m，其密封水回水口标高为1 m，回水观察窗标高为0.8 m。凝汽器热井底部标高为-0.85 m，正常水位标高为-0.07 m。二处落差仅为0.87 m。要在密封回水系统工作压力变化范围内有效地起到密封作用，必须采用多级U型管的形式。且每一级U型管溢水口及回凝汽器接口的标高不得高于0.8 m，后一级溢水口标高不得高于前一级标高，最后一级标高不得低于0 m。以保证在凝汽器低真空状态下，靠静压实现逐级溢流回收。

2.3 电动给水泵运行对密封回水系统的要求

(1)在机组从启动初期到正常运行的全过程，密封回水系统参数变化(压差为0～96.43 kPa) 范围内，密封回水系统均应能将密封回水全部回收至凝汽器。这是设置该系统的根本目的。

(2)有效地封住自给水泵轴端漏往凝汽器的空气。

(3)系统应尽量简化。

3 多级U型管工作特性

3.1 理想状态下多级U型管静态特性(以三级为例)

首先分析一下单级U型管工作特性。当其二侧压力一致时(设为P0)，二侧的液位也是一样的。当一侧压力变化后(设一侧压力不变，另一侧降为P)，U型管二侧液位在压差作用下发生变化，二侧液位差应满足下列关系：

P0=P+hγ

(1)

对于多级U型管，二侧无压差时，每一级U型管液面压力一样，所以每一级U型管二侧的液位高度是一致的，(每只U型管之间液位不一定一致)。当U型管二侧形成压差后。每一级U管压力和液位将发生变化。其变化规律也应满足(1)式，即：

P0=P1+h1γ；P1=P2+h2γ；P2=P+h3γ

在压力变化不大的情况下，可忽略各级U型管之间联通管的比容变化。当每级U型管截面积一致时，联通管二侧液位变化应一样，而方向相反。这样，每一级U型管液位变化应是相等的。即：

图1 理想状态下多级U型管静态特性示意图

h1=h2=h3=1/3(P0-P)÷?…

(2)

4.2 实际状态下多级U型管工作特性

在密封回水系统中采用的多级U型管，其工作特性应符合3.3款。它有别于静态下U型管的工作情况。因密封水源源不断地流过，在任意工作条件下每级U型管的出水侧应是自动溢流，该侧水位是始终不变的，其水位高度应为出水侧溢流口标高。每级进水侧水位受凝汽器背压P影响而变化，如图2所示。

图2 实际状态下水封管工作特性示意图

当凝汽器没有建立真空时(P=P0时，P1=P2=P3)，密封回水靠静压逐级回流，每级U型管的二侧水位与该级U型管出水口的标高一致(h1=h2=h3=0)。当凝汽器中建立真空后，各级U型管出水侧水位仍维持溢流而保持不变，进水侧水位则在压差作用下下降。此时倒U型内气室的压力不仅受多级U型管二侧压差的影响，还将受到气室内气体参数的影响，即：压力变化应满足气体状态方程。

Pv=RT

(3)

式中：P为各气室压力；T为各气室温度；R为空气气体状态常数；v为各气室比容，因气室内参数变化前后，气室内空气质量不变，所以可以用各自气室的容积代之。

因为在凝汽器工作压力范围内，U型管的绝对温度变化不大，可将其变化忽略不计，因此在不同工作压力下(3)式可转变为：

P0V0=PV=(P+hγ)(V0+Sh)

(4)

因此多级U型管的五个运行参数P1、P2、P3、h1、h2随P变化，它们应满足下列关系：

P0=P1+h1γ

P1=P2+h2γ

P2=P+h3γ

即：

P0-P=(h1+h2+h3)γ

(5)

P0V01=P1V1=(P+h3γ+h2γ)(V01+S2h2)

P0V02=P2V2= (P+h3γ)(V02+S3h3)

式中：V01、V02为U型管在没建立真空实现逐级溢流时，各自气室的容积(内管口标高以上的容积)；S1、S2、S3为各U型管有效截面积。一般设计时取

S1=S2=S3

在上列关系式中U型管运行参数除随P变化外，各气室容积(气体质量)对各U型管水封高度也有一定影响。

由(4)式可得，

当S、h及工作压力变化范围确定后，气室容积:

V0=(P+hγ)Sh÷(P0-P-hγ)

(6)

用此式可进行气室设计计算。

当V0、S及工作压力变化范围确定后，水封高度：

(7)

用此式可进行U型管校核计算，检验每级有效水封高度H′，(H′=H-h)并求取各气室工作压力。

4.3 多级U型水封管工作条件

综上所述，在稳态时，每一级U型管进水侧的水位应高于该U型管底部标高，考虑在动态下水封高度还应留有较大余量。

4.4 各气室压力变化规律及其对实际水封高度的影响

从以上各关系式可以看出各气室压力的变化规律：每级气室压力是建立在下级压力基础上，它不仅受背压影响，还受本级气室空气比容变化的影响。所以凝汽器真空的变化量，经各气室缓冲作用，各气室压力的变化量是逆流逐级减小，则各级U型管的水位差也是逐级减小的。

当U型管设计成等气室容积时，通过(1)、(7)式可求得其各级U型管实际水位差。实际水位差是逆流逐级大幅度递减的。

若将U型管设计成等水位差，即各气室压力差相等。通过(1)、(6)式可求得每级气室容积。各气室容积将是逆流逐级大增的，最初几级的气室容积将过于庞大，影响现场布置。

5 多级U型管异常工作情况及其预防对策

5.1 水封状态的破坏

5.1.1 工作差压过大

U型管在工作中如果某一级U型管二侧水位差(h)大于该级U型管实际工作高度H时，则该级U型管进水侧有效水封高度H′将消失，该级U型管出水侧的水将在压差的作用下很快抽空，使相邻二只U型管气室压力相等，相邻二级U型管联通后仅相当于一级U型管，则n级U型管变成n-1级U型管。每级U型管承担的压差将增加，若有一级水位低于U型管底部，其水封也将受到破坏，从而导致联锁反应。多级U型管的水封将很快被破坏，形成空气的通道。因此，在多级U型管中，只要有一级水封被破坏，则各级水封都很快破坏。

在设计多级U型管时，应根据变工况时可能出现的最大压差变化范围，并留有一定的安全余量。

5.1.2 气室漏入空气

在正常工作时多级U型管的气室压力都是负压状态，如果此时气室的严密性较差，漏入一些空气，(3)式中气体状态的平衡将受到破坏，气室压力将会升高。当漏入的空气量超过一定数量时，其中一级U型管水封首先受到破坏，从而导致联锁反应。

在设计气室时，应尽量减少不必要的阀门或系统。必须设置的阀门应选择水封阀，最好采用焊接式阀门，以减少密封面，减少可能出现的泄漏。在安装或检修时应保证检修质量，防止密封面泄漏。在运行操作中，应关紧相关阀门，防止泄漏。

5.1.3 气室消失

多级U型水封管在投用过程中如操作不当，使某一级气室消失而充满水，相邻二级U型管联通后仅相当于一级U型管，也会导致联锁反应。

在设计时应选择合理的气室容积。并考虑如何确保设计容积应采取的必要措施，在投用时应保证气室状态符合设计工作状态。

5.1.4 射流抽吸

每一级U型管出水溢流后靠重力自由下落，U型管高度越高，流入下一级进水侧液面的流速越快，当流量较大，流速较快时，气室中将可能有少量空气卷入下一级进水侧的水中，形成气泡，并重新升至水面。当U型管水封高度较低时，一部分气泡将被卷入该级出水侧。如果每级U型管均出现这种现象，并且每级卷入空气量相等，则不会破坏水封，只是影响密封效果。如果每级被卷入的空气量不等，则将出现4.3.2所述的情况。

在设计上应适当降低U型管高度，以减小入水面时的流速。适当增加有效水封高度H′，彻底防止射流抽吸现象。

5.2 回水问题

回水问题主要受结构和现场布置影响，如：给水泵回水口到多级U型管管道布置过长，管径偏小，使回水阻力过大；标高差偏小(或多级U型管进水口高于给水泵回水口)；U型管管径偏小；下一级溢水口标高高于上一级标高等，都会出现回水不畅或泵端溢水问题。

5.3 U型管结构问题

多级U型管因各级工作压力不同，各级对应的气室容积也不相同，各级U型管高度选择可采用等高度，也可不等高。各级气室压力分配，可采用等差分配，也可不等差。在设计时，应根据现场实际布置和(1)、(4)、(5)、(6)式，确定多级U型管级数、压力分配、U型管高度、气室容积。还应选择适当的水封高度H′和各级溢水口标高。若选择不当，都会出现上述各异常情况。

6 原系统存在的问题

6.1 原系统存在问题

原系统如图3所示，该系统主要问题是：

图3 原电泵密封水系统

(1)U型管溢水口标高高于电泵回水口标高，回凝汽器接口标高高于U型管出水口标高。在低真空状态时，不能有效地将密封水全部回收到凝汽器。给水泵轴端溢水严重。

(2)U型管实际水封高度，第一、三级为3.085 m， 第二级为2.90 m，多级 回凝器U型管总高度仅为9.07 2.8 m。小于需要的总水封高度。

(3)气室设计不合理，导致各U型管实际水位差大大降低，使总有效水封高度更低于需要的水封高度。

(4)因U型管标高高于原电泵溢水口标高，不能靠电泵回水为其注水，只能另设注水系统。第一级U型管设有放气阀，二、三级没有放气阀，注水时无法排出这二级的空气。

(5)第一级U型管设有水位控制阀，且高度布置不合理。不能同时保证二级所需的有效气室容积。

6.2 #2机改进后存在问题

(1)#2机电泵密封回水系统改进时仅考虑如何满足3.3款各项要求，而没有对气室进行定量分析计算。试投情况和分析计算均说明，系统主要是气室容积偏小。且没设水位控制阀，第一次投入时，气室容积与设计容积有一定偏差。导致密封失效。

(2)施工没有按要求布置，管道过长，使回水阻力增加，造成回水不畅。

7 改进的基本思路

(1)取消原给水泵密封水回水“U”型多级水封及其注水、排空气等阀门、管道、给水泵密封水回水母管原设计的排地沟门及到凝汽器的隔离门等，新增加的水封出口到凝汽器间隔离阀用于高水位真空系统灌水查漏时用，正常运行过程中保持常开即可。

(2)水封出口管从吸入口到凝汽器接口间垂直管段≥10.5 m，即保证水柱高度

≥10.5 m，确保真空系统严密性。水封进、出水管道接口标高，图示中为参考值。视现场实际安装空间确定即可。水封排气口标高图示值也仅做参考，接口只要在水封体垂直方向偏上部位即可，能确保水封内部充水及避免高真空时从此处引起水封破坏。

(3)新型水封，桶体规格φ325×10，上下封头厚度δ=15 mm。垂直安装于排污泵坑底部或-5.5 m 以下坑内，高度取约≥5.5 m。新型水封安装越低，越好保证水柱高度。

(4)新型水封排气口φ108×4，接一弯管，排气口朝下即可。

(5)新型水封内外壁清理干净，外壁刷防锈漆防腐。

8 多级U型水封管设计计算

见附表。

附表

级数五四三二一合计出水侧压力4.934.3358.8573.5786.32/进水侧压力34.3358.8573.5786.32101.33/气室压力变化范围0～96.430～660～42.480～24.820～12.07/设计水位差32.51.51.51.510水封余量1.20.90.50.70.53.8U型管高度4.23.422.2213.8安装位置循门坑循门坑疏扩坑疏扩坑疏扩坑/底部标高-4.4-4.4-2.2-2.2-2.2/气室容积/L27.1561.2170.2132//气室进水口标高0.10.20.30.4//气室尺寸/m0.360.810.931.75/ φ325×7.5气室尺寸/m0.430.971.112.08/ φ299×7.5

9 系统投用方法

(1)投入前打开各气室水位控制阀和U型管出水阀前放气阀。开启U型管进水阀，向系统注水。

(2)当各气室水位控制阀和U型管出水阀前放气阀均有水溢出时，关闭U型管进水阀，使气室多余的水自然溢流。

(3)当各气室水位控制阀和U型管出水阀前放气阀均停止溢水时，说明已达到有效的设计气室容积。严密关闭上述阀门。

(4)开启U型管进水阀和出水阀，将系统投入。

(5)观察各气室真空表，均应在附表中设计范围之内。

(6)第一次投用后，若各气室不泄漏，机组启停凝汽器真空变化和气室压力变化不会超出设计范围，水封状态不会破坏。所以第一次投用后不需再进行任何操作。

10 结 论

给水泵密封回水多级水封改造后，达到了预期效果，保证了给水泵密封水回水畅通，实现了给水泵密封水的回收，减少了工质大量损失，提高了真空系统严密性，避免了给水泵润滑油系统进水等影响机组安全经济运行问题，改造取得了成功。

[1] 袁光福.国产600 MW超临界汽轮机给水泵组设备的技术特点[J].湖北电力.2004(9).

[2] 崔云素.给水泵密封水回水系统多级U型管设计[J].华东电力.1999(10)

[3] 李志刚，孙丽萍，刘嘉新.热网监控系统的设计与实现[J].森林工程，2013，29(4)：90-95.