趙英淳，張超凡，段 琦

(中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

低加疏水泵系統(tǒng)是發(fā)電廠的重要系統(tǒng)之一，也是故障率較高的系統(tǒng)之一。故障工況下，低壓加熱器疏水將由事故疏水排放至凝汽器，會影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性[1]。低加疏水泵的典型故障主要分為汽蝕余量不足、運(yùn)行工況不穩(wěn)定、加工制造缺陷等。多數(shù)電廠從設(shè)備選型、管路設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面出發(fā)解決上述故障問題[2-4]。某電廠超超臨界660 MW機(jī)組在試運(yùn)期間，由于低加疏水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測點(diǎn)安裝位置不當(dāng)，出現(xiàn)了低加疏水泵啟動后振動大、疏水無法回收至凝結(jié)水系統(tǒng)的問題。根據(jù)低加疏水泵系統(tǒng)原設(shè)計(jì)的管道、閥門、測點(diǎn)特點(diǎn)，提出一種新的控制、調(diào)節(jié)方法，解決了上述問題。

1 低加疏水泵系統(tǒng)布置及技術(shù)參數(shù)

該機(jī)組7段抽汽進(jìn)入7號低壓加熱器汽側(cè)蒸汽冷凝后，匯合5號、6號低壓加熱器疏水逐級自流而來的疏水，進(jìn)一步冷卻放熱后，通過兩臺并聯(lián)的低加疏水泵升壓進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)7號低壓加熱器出口管道。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。低加疏水泵出口先后經(jīng)一只機(jī)械逆止閥和一只電動隔離閥后與另外一臺低加疏水泵出口管道匯合，兩臺泵出口母管上設(shè)計(jì)一只氣動調(diào)節(jié)閥。為保證首臺疏水泵啟泵過程中的最小流量，疏水泵出口逆止閥前引出再循環(huán)管路，管路經(jīng)過一只電動隔離閥后與另外一臺疏水泵再循環(huán)管路匯合，兩臺疏水泵再循環(huán)母管進(jìn)入7號低壓加熱器殼側(cè)，母管上設(shè)計(jì)一只氣動調(diào)節(jié)閥和一只機(jī)械逆止閥，用于調(diào)節(jié)運(yùn)行疏水泵再循環(huán)流量。

圖1 低加疏水泵系統(tǒng)流程圖

低加疏水泵采用NW 200—6型臥式離心泵，流量220 m3/h，揚(yáng)程220 m H2O，泵的轉(zhuǎn)速1 480 r/min。

2 低加疏水泵系統(tǒng)測點(diǎn)布置及控制策略介紹

該系統(tǒng)在低加疏水泵出口母管上設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力測點(diǎn)和一個(gè)流量測點(diǎn)；低加疏水泵入口母管設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力測點(diǎn)；每臺低加疏水泵入口各設(shè)計(jì)了一個(gè)濾網(wǎng)差壓測點(diǎn)；7號低壓加熱器布置了三個(gè)模擬量液位計(jì)。

根據(jù)初始邏輯要求，首臺低加疏水泵啟動前(以A泵為例)，低加疏水泵再循環(huán)調(diào)門及A泵再循環(huán)電動門均為全開狀態(tài)；A泵出口門、B泵出口門及其再循環(huán)電動門均為關(guān)閉狀態(tài)。A泵啟動后，應(yīng)首先維持再循環(huán)運(yùn)行方式，其出口門聯(lián)鎖打開后，出口母管調(diào)節(jié)閥根據(jù)7號低壓加熱器水位調(diào)節(jié)開度，低加疏水泵再循環(huán)調(diào)門根據(jù)泵出口母管出水流量調(diào)節(jié)開度，防止低加疏水泵出水流量落入其最小流量以下工況運(yùn)行。

3 試運(yùn)過程中問題及分析

在調(diào)試過程中，當(dāng)機(jī)組首臺泵啟動時(shí)，會發(fā)生電機(jī)電流擺動、泵體振動大、運(yùn)行噪聲大等現(xiàn)象。相鄰機(jī)組其中的一臺低加疏水泵在試運(yùn)過程中多次啟動后造成水泵不出力、甚至轉(zhuǎn)軸抱死的問題。檢修時(shí)將抱死的泵拆開，發(fā)現(xiàn)泵的葉片上有大量的蜂窩狀蝕坑。

根據(jù)上述現(xiàn)象判斷，低加疏水泵啟動過程中極可能是出現(xiàn)了汽蝕問題，作出上述判斷的依據(jù)如下：

首臺泵啟動時(shí)，機(jī)組負(fù)荷約為30%～40%額定負(fù)荷，7段抽汽壓力約為0.04～0.05 MPa(表壓)，啟泵前7號低壓加熱器水位由事故疏水調(diào)閥控制，事故疏水調(diào)閥與凝汽器相連，加熱器水位過低時(shí)加熱器殼側(cè)壓力會進(jìn)一步降低，7號低壓加熱器正常疏水管口與低壓加熱器疏水泵布置高差約7 m，二者相加所提供的入口壓頭約為0.106 4～0.115 9 MPa(表壓，計(jì)算過程介質(zhì)密度取設(shè)計(jì)溫度壓力下的水的密度，重力加速度取9.8 m/s2)，剛好達(dá)到低加疏水泵入口壓力0.09～0.2 MPa(表壓)的設(shè)計(jì)要求。首臺泵啟動后，泵入口靜壓將下降，尤其是工頻啟動工況下，流量較變頻工況大，靜壓下降更為劇烈；泵啟動過程中如發(fā)生7號低壓加熱器液位過低，加熱器殼側(cè)與凝汽器之間無法形成水封，殼側(cè)壓力也會下降，低加疏水泵入口介質(zhì)可能發(fā)生汽化，導(dǎo)致泵入口靜壓進(jìn)一步下降。上述因素疊加易形成疏水泵汽蝕余量不能滿足要求的問題。

系統(tǒng)流量測點(diǎn)設(shè)計(jì)在出口母管上，無法監(jiān)視低加疏水泵再循環(huán)流量，也就無法監(jiān)視低加疏水泵實(shí)際的入口流量。根據(jù)原設(shè)計(jì)邏輯，啟泵過程中由于疏水泵出口母管上調(diào)閥還未打開，母管流量為0 t/h，再循環(huán)管道調(diào)節(jié)閥和電動隔離閥需保持全開。再循環(huán)管道進(jìn)入7號低壓加熱器殼側(cè)，再循環(huán)管程阻力過小，會造成流速、流量過大，必需汽蝕余量增加，加劇了低加疏水泵大流量汽蝕問題。可見，以出口母管流量測點(diǎn)作為再循環(huán)調(diào)閥的控制目標(biāo)不能達(dá)到防止疏水泵小流量汽蝕的目的；出口調(diào)閥開度較小或疏水泵處于再循環(huán)方式運(yùn)行時(shí)，出口母管流量＜70 t/h，再循環(huán)調(diào)閥由于邏輯限制無法關(guān)閉，客觀上延長了疏水泵在汽蝕狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間。

4 調(diào)節(jié)、控制邏輯優(yōu)化方案及優(yōu)化后啟動操作要點(diǎn)

4.1 低加疏水泵汽蝕問題的機(jī)理及解決思路

離心水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)運(yùn)行流量過大時(shí)，其通流部分液體的絕對壓力下降到小于或等于當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，液體就會汽化，大量蒸汽及溶解在液體中的氣體逸出，形成氣泡。當(dāng)氣泡隨液體從低壓區(qū)移動到高壓區(qū)時(shí)，氣泡在高壓作用下迅速凝結(jié)而破裂，其所占有的空間就會形成具有高真空的空穴，附近的液體在高壓差的作用下以極高的速度流向形成的空穴，形成沖擊力。由于氣泡中的蒸汽和氣體來不及在瞬間全部凝結(jié)和溶解，因此，在沖擊力作用下又分成小氣泡，如此反復(fù)。當(dāng)上述過程在葉輪或葉片等流通部件表面發(fā)生，將對金屬材料產(chǎn)生機(jī)械剝蝕[5]。

引入有效汽蝕余量NPSHa和必需汽蝕余量NPSHr兩個(gè)量。NPSHa表示液體到達(dá)泵進(jìn)口處的能量扣除汽化壓頭所富裕的能量：

式中：P1、c1分別為泵吸入口法蘭截面處的壓強(qiáng)和速度；Pv為泵內(nèi)液體溫度對應(yīng)下的汽化壓強(qiáng)；ρ為液體密度；g為重力加速度。

NPSHa與泵倒灌高度和進(jìn)口法蘭前吸水管路流動損失有關(guān)，當(dāng)液體溫度、吸入液面壓強(qiáng)和泵的安裝高度均保持不變情況下，由于吸入管路的流動損失與流量的平方成正比，所以NPSHa隨液體流量變化為一條下降的拋物線。

NPSHr表示液體進(jìn)入泵后壓頭下降程度：

式中：m為因水力損失和絕對流速變化引起的壓降修正系數(shù)；λ為液體繞流葉片端部所引起的壓降系數(shù)；c0為葉片進(jìn)口液體的絕對流速；ω0為葉片進(jìn)口液體的相對流速；g為重力加速度。

由于c0和ω0均與流量的增大而增大，所以NPSHr隨流量的變化呈一條上升的曲線。

NPSHa的曲線和NPSHr的曲線相交于臨界流量點(diǎn)Qk，當(dāng)泵內(nèi)流量大于Qk時(shí)，NPSHa＜NPSHr，即有效汽蝕余量提供的富裕能量不足以克服泵體進(jìn)口液體的壓頭降時(shí)，泵將發(fā)生汽蝕[6]。

根據(jù)上述分析，降低疏水泵再循環(huán)運(yùn)行方式下運(yùn)行流量是解決首臺泵啟動過程中大流量汽蝕問題的關(guān)鍵。根據(jù)離心泵汽蝕機(jī)理及運(yùn)行規(guī)律，降低疏水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速、提高管道阻力是降低運(yùn)行流量的有效手段。由于低加疏水泵出口壓力不應(yīng)低于7號低壓加熱器出口凝結(jié)水壓力(大于1.0 MPa)，為保證疏水泵出入口壓比，無法將轉(zhuǎn)速降得過低，所以只能采取提高管道阻力的方式。

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低加疏水泵再循環(huán)方式運(yùn)行，當(dāng)再循環(huán)調(diào)閥開度≤60%時(shí)，泵體振動恢復(fù)正常，電機(jī)運(yùn)行電流穩(wěn)定在約11 A且不再擺動，疏水泵汽蝕問題消失。由此可見，控制啟泵前再循環(huán)調(diào)閥的開度是解決低加疏水泵汽蝕問題的一個(gè)思路。為實(shí)現(xiàn)啟泵后正常運(yùn)行過程中再循環(huán)閥對泵的保護(hù)功能，使再循環(huán)調(diào)閥和出口調(diào)閥在使用過程中實(shí)現(xiàn)良好的配合，應(yīng)對系統(tǒng)中泵閥組的控制思路、聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行優(yōu)化。采用控制邏輯優(yōu)化的方式解決上述問題，有效統(tǒng)籌了現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測點(diǎn)布置的特點(diǎn)，相比疏水泵重新選型、變更系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方法，具有改造量最小、不影響工期等優(yōu)勢。

4.2 低加疏水泵及其再循環(huán)系統(tǒng)邏輯及控制優(yōu)化策略

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，且考慮到流量測點(diǎn)的布置位置，對低加疏水泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)、控制邏輯做出了如下優(yōu)化(以低加疏水泵A為例)：

1)將疏水泵啟允許條件“低加疏水泵出口母管流量＞80 t/h或(低加疏水泵再循環(huán)門全開且A低加疏水泵再循環(huán)電動門全開)”改為“低加疏水泵A投備用或(低加疏水泵再循環(huán)門開度＞50%且A低加疏水泵再循環(huán)電動門全開)”；

2)將疏水泵跳閘條件“低加疏水泵出口母管流量＜70 t/h且(再循環(huán)調(diào)門＜60%或A低加疏水泵再循環(huán)關(guān)斷門關(guān)且未開)，延時(shí)30 s”改為“低加疏水泵出口母管流量＜40 t/h且(再循環(huán)調(diào)門＜10%或A低加疏水泵再循環(huán)關(guān)斷門關(guān)且未開)，延時(shí)10 s”；

3)將低加疏水泵再循環(huán)調(diào)閥邏輯“出口母管流量＜75 t/h，延時(shí)3 s，聯(lián)鎖全開(長指令)”改為“任一低加疏水泵運(yùn)行且疏水泵出口母管壓力大于1.2 MPa且出口母管流量＜45 t/h，延時(shí)3 s，聯(lián)鎖開至45%(長指令，且不小于當(dāng)前開度)”；

4)將低加疏水泵再循環(huán)調(diào)閥由以出口流量為目標(biāo)的PID閉環(huán)控制改為跟蹤出口調(diào)閥開度的開環(huán)函數(shù)控制，修正后的邏輯圖，如圖2所示；

圖2 低加疏水泵再循環(huán)調(diào)閥控制邏輯

5)由于低加疏水泵再循環(huán)管路上未設(shè)計(jì)逆止閥，為防止備用泵反轉(zhuǎn)干擾工作泵運(yùn)行，取消低加疏水泵再循環(huán)電動門聯(lián)鎖開邏輯“低加疏水泵運(yùn)行時(shí)，低加疏水泵再循環(huán)調(diào)閥閥位反饋＞3%”，改為低加疏水泵運(yùn)行聯(lián)鎖開再循環(huán)電動門、低加疏水泵跳閘聯(lián)鎖關(guān)再循環(huán)電動門邏輯。

4.3 低加疏水泵系統(tǒng)啟動操作要點(diǎn)

同時(shí)，規(guī)范了低加疏水泵系統(tǒng)啟動操作流程(將A泵視為首臺泵為例)：

1)系統(tǒng)啟動前，5號、6號低壓加熱器液位正常，疏水均為逐級自流狀態(tài)，兩臺加熱器正常疏水調(diào)閥自動狀態(tài)；7號低壓加熱器液位由危急疏水調(diào)閥控制，調(diào)閥自動控制模式，設(shè)定值維持在加熱器高一值附近；低加疏水泵A出口門全關(guān)，再循環(huán)電動門全開；低加疏水泵B出口門全關(guān)，再循環(huán)電動門全關(guān)；低加疏水泵再循環(huán)調(diào)閥開至50%～60%，低加疏水泵出口調(diào)閥關(guān)至0%，兩調(diào)閥均為手動控制狀態(tài)；

2)啟動低加疏水泵A，出口電動門聯(lián)鎖打開，待電流穩(wěn)定后(約11 A)，檢查泵體無異音，振動、軸溫處于正常范圍；

3)低加疏水泵A出口電動門全開泵出口母管壓力穩(wěn)定在1.5 MPa以上，確認(rèn)疏水泵工作正常后，將出口調(diào)閥及再循環(huán)調(diào)閥切換為自動控制狀態(tài)，出口調(diào)閥設(shè)定值改為7號低壓加熱器正常液位值；

4)觀察低加疏水泵出口調(diào)閥根據(jù)加熱器液位逐漸打開，再循環(huán)調(diào)閥根據(jù)出口調(diào)閥開度緩慢關(guān)閉，7號低壓加熱器液位緩慢降至設(shè)定值附近，事故疏水調(diào)閥緩慢關(guān)閉至0%；

5)低加疏水泵B投入備用。

經(jīng)過上述優(yōu)化后，既保證了再循環(huán)調(diào)閥對低加疏水泵的保護(hù)作用，由通過再循環(huán)調(diào)閥與出口調(diào)閥開度的配合充分發(fā)揮了再循環(huán)調(diào)閥的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)了7號低壓加熱器從危急疏水流程至正常疏水流程的平穩(wěn)切換，和加熱器水位的自動控制。

5 結(jié)語

離心泵在啟動和運(yùn)行過程中常出現(xiàn)大流量汽蝕問題，加熱器疏水泵由于其入口取水自運(yùn)行壓力較低的加熱器汽側(cè)疏水，機(jī)組低負(fù)荷時(shí)啟動難以達(dá)到疏水泵入口必需汽蝕余量。提高啟泵及運(yùn)行過程中的管道阻力，使疏水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)始終保持在汽蝕臨界流量范圍內(nèi)，是保證疏水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效手段。本文根據(jù)低加疏水泵系統(tǒng)管道、閥門、測點(diǎn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)節(jié)、控制邏輯，利用再循環(huán)調(diào)閥和出口調(diào)閥開度的耦合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了低加疏水泵在啟動和運(yùn)行過程中的流量控制，解決了低加疏水泵啟動汽蝕問題，7號低壓加熱器水位在機(jī)組30%額定負(fù)荷以上實(shí)現(xiàn)了自動控制。