如何解決鍋爐給水壓力不穩定的難題

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目中的一臺燃氣鍋爐，由于提供給鍋爐的給水壓力波動很大。當給水壓力低時，易發生鍋爐缺水現象，輕則導致爆管，重則導致鍋爐爆炸的嚴重后果，不僅為設備自身安全留下隱患，也將對整個化工裝置產生不利影響。在項目設計過程中，經過向國內外泵廠咨詢，并與高壓燃氣鍋爐的國外制造商就鍋爐給水的方案展開討論，制定出合理的設備選型和控制方案，在后來的生產實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 項目背景

中石化南京工程有限公司在國外某總承包項目中使用一臺高壓燃氣鍋爐，為工藝裝置的水解塔提供蒸汽。鍋爐額定蒸發量：2700kg/h，最大負荷為120%即3240kg/h；工作壓力：65barg，設計壓力：70barg；工作溫度：282 ℃(飽和)，設計溫度：287 ℃(飽和)。根據鍋爐蒸發量小、設計壓力高的特點，本項目選用一臺水管式、自然循環高壓蒸汽鍋爐，其水汽系統由省煤器、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。

項目所需的公用工程消耗如工業用水、循環冷卻水、脫鹽水、鍋爐給水、壓縮空氣、燃料氣等由項目所屬的總公司通過管道輸送到化工裝置現場。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，造成搶水現象，鍋爐給水輸送到本項目鍋爐界區時壓力波動很大，最大85barg，最小65barg。

鍋爐按ASME I 《動力鍋爐建造規則》2013版設計、制造和使用，在規則的PG篇“所有建造方法的通用要求”中PG-61.1條規定："每種給水源應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，72.1×1.03=74.26(barg)，即汽包進水口的壓力應大于74.26barg。

送到界區內的鍋爐給水先進入省煤器加熱后再進入10.8米高的汽包，管道和調節閥組的阻力約1bar，省煤器阻力約0.5bar，液位高度產生的壓差10.8×0.098×0.947(給水的密度)=1bar。為保證汽包進水口的壓力達標，到達鍋爐界區內的給水壓力至少應為74.26+1+0.5+1=76.76(barg)。從計算結果看，當鍋爐給水壓力低時，不能滿足鍋爐安全生產的要求，易發生缺水、換熱管束及省煤器超溫、金屬材料強度下降，導致爆管甚至鍋爐爆炸的嚴重后果；同時，也會造成工藝裝置減產、產品品質下降、停產等一系列后果。

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，取整數為77barg，增壓幅度為12barg。這樣就帶來一個問題，因為外來給水的壓力不穩定，當壓力為最大85barg時，同樣增壓12barg后，給水壓力將達到97barg，給水經省煤器后再進入鍋爐的汽包，其中省煤器的設計壓力是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 電機功率

計算軸功率 Ne=QHg/(3600ηx1000) (kW)

式中：H——揚程，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，本計算取0.4；g——重力加速度9.8。

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

方案一

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

給水增壓12barg相當于增壓泵揚程H=12÷0.9463÷0.098=129.4(m)。

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

電機功率 P=K×Ne，單位kW。

式中：K——安全系數，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常用功率規格。

方案二

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

給水壓力增加到77barg，相當于給水泵揚程 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)。

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

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，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

方案一優點較多，降低投資、節能降耗不僅可提高項目總承包商的利潤，也可使企業在未來的生產中提高經濟效益，因此，只要解決了泵出口可能發生的超壓問題，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

輸送到鍋爐界區的給水壓力為65～85barg，此壓力范圍以77barg為界可分為兩個區間，77barg≤P≤85barg區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區間先用調節閥將給水壓力調整到65barg，再通過增壓泵加壓到77barg，在此區間內增壓泵出口壓力保持穩定。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，泵的揚程越高、級數越多，泵軸的扭矩越大。小型泵由于泵體直徑小，泵軸細，泵軸材料的強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，揚程范圍：H=81～600m，吸入壓力：不高于6barg。

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

4.2 隔膜泵

項目設計過程中，咨詢了國內外多家泵廠，并與高壓燃氣鍋爐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缺點比較見表2。

圖1 鍋爐給水增壓方案圖

序號比較內容設計要求隔膜泵離心泵1流量范圍/(m3/h)1.2～3.5(40%～120%負荷)<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流量調節性能流量在1.2～3.5m3/h范圍內調節帶調節電機,調節泵的行程以調節流量不可調節6密封性能不泄漏不泄漏泵吸入口處易泄漏7穩定性流量和壓力有較大脈動,需要采取相應的消減脈動措施流量和壓力穩定

5 鍋爐給水流程圖及控制方案

本項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。泵的設計流量3.7m3/h，另帶調節電機，調節泵的行程以調節流量以適應鍋爐蒸汽負荷的變化；揚程130m，設計溫度127 ℃，設計壓力85barg，安全閥整定壓力87barg。

鍋爐給水流程及控制方案見圖2。

首先在鍋爐界區進口的給水管道上設壓力測點PIS-508，當壓力大于等于77barg時，給水直接從旁路，經液位調節閥LV-502、省煤器后進入汽包，壓力高時增壓泵不啟動、壓力調節閥PV-506關閉；當壓力小于77barg時，給水經壓力調節閥PV-506，將壓力調整到65barg后進入增壓泵，加壓到77barg后經液位調節閥LV-502、省煤器后進入汽包。

PIC-507測量增壓泵后給水壓力，當壓力大于85barg時開啟壓力調節閥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LIC-502控制液位調節閥LV-502的開度以維持汽包液位穩定，當液位高高報警時聯鎖停增壓泵。

增壓泵進出口管道設緩沖罐，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

高壓燃氣鍋爐及鍋爐給水增壓泵已于2013年10月順利投入使用，現場儀表PIS-508顯示，由外管輸送至鍋爐界區的給水壓力為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？這是因為當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口壓力降低，給水管道的壓力也會相應降低，這是正常現象。到目前為止，高壓燃氣鍋爐系統已安全使用3年，為工藝裝置提供合格的高壓蒸汽，確保了產品品質和企業的經濟效益。

(本文文獻格式：李金和.如何解決鍋爐給水壓力不穩定的難題[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計工作。

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