電動給水泵密封回水系統改進方案

(華電哈爾濱熱電有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 序 言

華建哈爾濱熱電廠二臺機組的電動給水泵密封水回水系統在設計上存在一些問題，長期不能投用。對此，這個廠在#2機小修期間安排針對該系統存在問題進行了初步改進。

1 給水泵密封水回水系統應具備的基本功能

(1)將密封回水全部回收

給水泵的軸端密封由凝泵供給，一部分水將從軸端漏出，設計為8.2 T/h左右。這部分水若不進行回收，不僅造成水資源浪費，熱能損失，還將提高水處理成本。根據電廠熱力系統布置，回收至凝汽器是最佳選擇。

(2)要把這部分密封回水回收至凝汽器，必須要有效地封住自給水泵軸端漏往凝汽器的空氣。否則將影響凝汽器真空，影響主機安全運行。

(3)密封回水系統及其相關設備在滿足上述二條外，系統應盡量簡化，減少不必要附加系統、閥門等，以盡量減少密封面，減少可能發生的泄漏。減少運行操作量和檢修維護量。

2 電動給水泵運行對密封回水系統的要求

2.1 給水泵密封水回水系統工作狀況

對于電動給水泵來說，在機組啟動初期就要投入運行，此時凝汽器真空往往還沒有建立，或者比較低；在機組正常運行的全部時間，電泵應處在備用狀態，密封水系統仍需投入，密封水仍應正常回收。因此對于密封回水系統來說，進水側壓力為大氣壓(為方便計算文中均取絕對壓力，取標準大氣壓101.33 kPa)，出水側壓力在凝汽器工作壓力范圍內變化，(101.33～4.9 kPa)

2.2 現場布置對給水泵密封水回水系統的限制

電動給水泵布置在0 m，其密封水回水口標高為1 m，回水觀察窗標高為0.8 m。凝汽器熱井底部標高為-0.85 m，正常水位標高為-0.07 m。二處落差僅為0.87 m。要在密封回水系統工作壓力變化范圍內有效地起到密封作用，必須采用多級U型管的形式。且每一級U型管溢水口及回凝汽器接口的標高不得高于0.8 m，后一級溢水口標高不得高于前一級標高，最后一級標高不得低于0 m。以保證在凝汽器低真空狀態下，靠靜壓實現逐級溢流回收。

2.3 電動給水泵運行對密封回水系統的要求

(1)在機組從啟動初期到正常運行的全過程，密封回水系統參數變化(壓差為0～96.43 kPa) 范圍內，密封回水系統均應能將密封回水全部回收至凝汽器。這是設置該系統的根本目的。

(2)有效地封住自給水泵軸端漏往凝汽器的空氣。

(3)系統應盡量簡化。

3 多級U型管工作特性

3.1 理想狀態下多級U型管靜態特性(以三級為例)

首先分析一下單級U型管工作特性。當其二側壓力一致時(設為P0)，二側的液位也是一樣的。當一側壓力變化后(設一側壓力不變，另一側降為P)，U型管二側液位在壓差作用下發生變化，二側液位差應滿足下列關系：

P0=P+hγ

(1)

對于多級U型管，二側無壓差時，每一級U型管液面壓力一樣，所以每一級U型管二側的液位高度是一致的，(每只U型管之間液位不一定一致)。當U型管二側形成壓差后。每一級U管壓力和液位將發生變化。其變化規律也應滿足(1)式，即：

P0=P1+h1γ；P1=P2+h2γ；P2=P+h3γ

在壓力變化不大的情況下，可忽略各級U型管之間聯通管的比容變化。當每級U型管截面積一致時，聯通管二側液位變化應一樣，而方向相反。這樣，每一級U型管液位變化應是相等的。即：

圖1 理想狀態下多級U型管靜態特性示意圖

h1=h2=h3=1/3(P0-P)÷?…

(2)

4.2 實際狀態下多級U型管工作特性

在密封回水系統中采用的多級U型管，其工作特性應符合3.3款。它有別于靜態下U型管的工作情況。因密封水源源不斷地流過，在任意工作條件下每級U型管的出水側應是自動溢流，該側水位是始終不變的，其水位高度應為出水側溢流口標高。每級進水側水位受凝汽器背壓P影響而變化，如圖2所示。

圖2 實際狀態下水封管工作特性示意圖

當凝汽器沒有建立真空時(P=P0時，P1=P2=P3)，密封回水靠靜壓逐級回流，每級U型管的二側水位與該級U型管出水口的標高一致(h1=h2=h3=0)。當凝汽器中建立真空后，各級U型管出水側水位仍維持溢流而保持不變，進水側水位則在壓差作用下下降。此時倒U型內氣室的壓力不僅受多級U型管二側壓差的影響，還將受到氣室內氣體參數的影響，即：壓力變化應滿足氣體狀態方程。

Pv=RT

(3)

式中：P為各氣室壓力；T為各氣室溫度；R為空氣氣體狀態常數；v為各氣室比容，因氣室內參數變化前后，氣室內空氣質量不變，所以可以用各自氣室的容積代之。

因為在凝汽器工作壓力范圍內，U型管的絕對溫度變化不大，可將其變化忽略不計，因此在不同工作壓力下(3)式可轉變為：

P0V0=PV=(P+hγ)(V0+Sh)

(4)

因此多級U型管的五個運行參數P1、P2、P3、h1、h2隨P變化，它們應滿足下列關系：

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為U型管在沒建立真空實現逐級溢流時，各自氣室的容積(內管口標高以上的容積)；S1、S2、S3為各U型管有效截面積。一般設計時取

S1=S2=S3

在上列關系式中U型管運行參數除隨P變化外，各氣室容積(氣體質量)對各U型管水封高度也有一定影響。

由(4)式可得，

當S、h及工作壓力變化范圍確定后，氣室容積:

V0=(P+hγ)Sh÷(P0-P-hγ)

(6)

用此式可進行氣室設計計算。

當V0、S及工作壓力變化范圍確定后，水封高度：

(7)

用此式可進行U型管校核計算，檢驗每級有效水封高度H′，(H′=H-h)并求取各氣室工作壓力。

4.3 多級U型水封管工作條件

綜上所述，在穩態時，每一級U型管進水側的水位應高于該U型管底部標高，考慮在動態下水封高度還應留有較大余量。

4.4 各氣室壓力變化規律及其對實際水封高度的影響

從以上各關系式可以看出各氣室壓力的變化規律：每級氣室壓力是建立在下級壓力基礎上，它不僅受背壓影響，還受本級氣室空氣比容變化的影響。所以凝汽器真空的變化量，經各氣室緩沖作用，各氣室壓力的變化量是逆流逐級減小，則各級U型管的水位差也是逐級減小的。

當U型管設計成等氣室容積時，通過(1)、(7)式可求得其各級U型管實際水位差。實際水位差是逆流逐級大幅度遞減的。

若將U型管設計成等水位差，即各氣室壓力差相等。通過(1)、(6)式可求得每級氣室容積。各氣室容積將是逆流逐級大增的，最初幾級的氣室容積將過于龐大，影響現場布置。

5 多級U型管異常工作情況及其預防對策

5.1 水封狀態的破壞

5.1.1 工作差壓過大

U型管在工作中如果某一級U型管二側水位差(h)大于該級U型管實際工作高度H時，則該級U型管進水側有效水封高度H′將消失，該級U型管出水側的水將在壓差的作用下很快抽空，使相鄰二只U型管氣室壓力相等，相鄰二級U型管聯通后僅相當于一級U型管，則n級U型管變成n-1級U型管。每級U型管承擔的壓差將增加，若有一級水位低于U型管底部，其水封也將受到破壞，從而導致聯鎖反應。多級U型管的水封將很快被破壞，形成空氣的通道。因此，在多級U型管中，只要有一級水封被破壞，則各級水封都很快破壞。

在設計多級U型管時，應根據變工況時可能出現的最大壓差變化范圍，并留有一定的安全余量。

5.1.2 氣室漏入空氣

在正常工作時多級U型管的氣室壓力都是負壓狀態，如果此時氣室的嚴密性較差，漏入一些空氣，(3)式中氣體狀態的平衡將受到破壞，氣室壓力將會升高。當漏入的空氣量超過一定數量時，其中一級U型管水封首先受到破壞，從而導致聯鎖反應。

在設計氣室時，應盡量減少不必要的閥門或系統。必須設置的閥門應選擇水封閥，最好采用焊接式閥門，以減少密封面，減少可能出現的泄漏。在安裝或檢修時應保證檢修質量，防止密封面泄漏。在運行操作中，應關緊相關閥門，防止泄漏。

5.1.3 氣室消失

多級U型水封管在投用過程中如操作不當，使某一級氣室消失而充滿水，相鄰二級U型管聯通后僅相當于一級U型管，也會導致聯鎖反應。

在設計時應選擇合理的氣室容積。并考慮如何確保設計容積應采取的必要措施，在投用時應保證氣室狀態符合設計工作狀態。

5.1.4 射流抽吸

每一級U型管出水溢流后靠重力自由下落，U型管高度越高，流入下一級進水側液面的流速越快，當流量較大，流速較快時，氣室中將可能有少量空氣卷入下一級進水側的水中，形成氣泡，并重新升至水面。當U型管水封高度較低時，一部分氣泡將被卷入該級出水側。如果每級U型管均出現這種現象，并且每級卷入空氣量相等，則不會破壞水封，只是影響密封效果。如果每級被卷入的空氣量不等，則將出現4.3.2所述的情況。

在設計上應適當降低U型管高度，以減小入水面時的流速。適當增加有效水封高度H′，徹底防止射流抽吸現象。

5.2 回水問題

回水問題主要受結構和現場布置影響，如：給水泵回水口到多級U型管管道布置過長，管徑偏小，使回水阻力過大；標高差偏小(或多級U型管進水口高于給水泵回水口)；U型管管徑偏小；下一級溢水口標高高于上一級標高等，都會出現回水不暢或泵端溢水問題。

5.3 U型管結構問題

多級U型管因各級工作壓力不同，各級對應的氣室容積也不相同，各級U型管高度選擇可采用等高度，也可不等高。各級氣室壓力分配，可采用等差分配，也可不等差。在設計時，應根據現場實際布置和(1)、(4)、(5)、(6)式，確定多級U型管級數、壓力分配、U型管高度、氣室容積。還應選擇適當的水封高度H′和各級溢水口標高。若選擇不當，都會出現上述各異常情況。

6 原系統存在的問題

6.1 原系統存在問題

原系統如圖3所示，該系統主要問題是：

圖3 原電泵密封水系統

(1)U型管溢水口標高高于電泵回水口標高，回凝汽器接口標高高于U型管出水口標高。在低真空狀態時，不能有效地將密封水全部回收到凝汽器。給水泵軸端溢水嚴重。

(2)U型管實際水封高度，第一、三級為3.085 m， 第二級為2.90 m，多級 回凝器U型管總高度僅為9.07 2.8 m。小于需要的總水封高度。

(3)氣室設計不合理，導致各U型管實際水位差大大降低，使總有效水封高度更低于需要的水封高度。

(4)因U型管標高高于原電泵溢水口標高，不能靠電泵回水為其注水，只能另設注水系統。第一級U型管設有放氣閥，二、三級沒有放氣閥，注水時無法排出這二級的空氣。

(5)第一級U型管設有水位控制閥，且高度布置不合理。不能同時保證二級所需的有效氣室容積。

6.2 #2機改進后存在問題

(1)#2機電泵密封回水系統改進時僅考慮如何滿足3.3款各項要求，而沒有對氣室進行定量分析計算。試投情況和分析計算均說明，系統主要是氣室容積偏小。且沒設水位控制閥，第一次投入時，氣室容積與設計容積有一定偏差。導致密封失效。

(2)施工沒有按要求布置，管道過長，使回水阻力增加，造成回水不暢。

7 改進的基本思路

(1)取消原給水泵密封水回水“U”型多級水封及其注水、排空氣等閥門、管道、給水泵密封水回水母管原設計的排地溝門及到凝汽器的隔離門等，新增加的水封出口到凝汽器間隔離閥用于高水位真空系統灌水查漏時用，正常運行過程中保持常開即可。

(2)水封出口管從吸入口到凝汽器接口間垂直管段≥10.5 m，即保證水柱高度

≥10.5 m，確保真空系統嚴密性。水封進、出水管道接口標高，圖示中為參考值。視現場實際安裝空間確定即可。水封排氣口標高圖示值也僅做參考，接口只要在水封體垂直方向偏上部位即可，能確保水封內部充水及避免高真空時從此處引起水封破壞。

(3)新型水封，桶體規格φ325×10，上下封頭厚度δ=15 mm。垂直安裝于排污泵坑底部或-5.5 m 以下坑內，高度取約≥5.5 m。新型水封安裝越低，越好保證水柱高度。

(4)新型水封排氣口φ108×4，接一彎管，排氣口朝下即可。

(5)新型水封內外壁清理干凈，外壁刷防銹漆防腐。

8 多級U型水封管設計計算

見附表。

附表

級數五四三二一合計出水側壓力4.934.3358.8573.5786.32/進水側壓力34.3358.8573.5786.32101.33/氣室壓力變化范圍0～96.430～660～42.480～24.820～12.07/設計水位差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安裝位置循門坑循門坑疏擴坑疏擴坑疏擴坑/底部標高-4.4-4.4-2.2-2.2-2.2/氣室容積/L27.1561.2170.2132//氣室進水口標高0.10.20.30.4//氣室尺寸/m0.360.810.931.75/ φ325×7.5氣室尺寸/m0.430.971.112.08/ φ299×7.5

9 系統投用方法

(1)投入前打開各氣室水位控制閥和U型管出水閥前放氣閥。開啟U型管進水閥，向系統注水。

(2)當各氣室水位控制閥和U型管出水閥前放氣閥均有水溢出時，關閉U型管進水閥，使氣室多余的水自然溢流。

(3)當各氣室水位控制閥和U型管出水閥前放氣閥均停止溢水時，說明已達到有效的設計氣室容積。嚴密關閉上述閥門。

(4)開啟U型管進水閥和出水閥，將系統投入。

(5)觀察各氣室真空表，均應在附表中設計范圍之內。

(6)第一次投用后，若各氣室不泄漏，機組啟停凝汽器真空變化和氣室壓力變化不會超出設計范圍，水封狀態不會破壞。所以第一次投用后不需再進行任何操作。

10 結 論

給水泵密封回水多級水封改造后，達到了預期效果，保證了給水泵密封水回水暢通，實現了給水泵密封水的回收，減少了工質大量損失，提高了真空系統嚴密性，避免了給水泵潤滑油系統進水等影響機組安全經濟運行問題，改造取得了成功。

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