三重保護無動力自力式通用水回收裝置優化設計

(巨化集團公司，浙江衢州 324004)

上世紀九十年代以來，隨著我國經濟建設的飛速發展，工業生產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投運。普遍采用的高壓給水泵產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的真空壓力將密封水吸入凝汽器熱井，幾乎絕大多數機組出廠設計都是采用多級U形管組水封裝置來實現密封水回收的，依靠U形管中水位差疊加產生一個略小于凝汽器內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。結構原理圖例如圖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，吸水流量不穩定，出現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冷卻水系統里去了，以此規避事故隱患。結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設備，設計時已根據預期的進出水壓差和流量固定了尺寸和結構，其運行中的調節余量不大。可是使用的環境是變化的，一方面設備所在廠區、氣溫和大氣壓不可避免地受到當地天氣變化的影響，另一方面凝結器的真空度又受到電負荷、抽汽量波動的影響。兩者結合導致U形水封裝置進出口壓差的不穩定，操作上難以預測和實時控制。此外給水泵密封水量也和運行工況和設備狀況有一定關聯波動。運行中一不小心U形水封進出口壓差過低，排水不暢就會導致密封水滿水倒灌到給水泵潤滑油系統中去，威脅泵組設備運行安全。壓差過大又有抽脫水封水流、吸入空氣的風險，造成凝汽器意外跌真空。另外，該裝置上數個排氣閥內漏或水封管焊接缺陷內漏極也可能造成空氣吸入凝汽器破壞真空，從而發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、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，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構，仍然無法擺脫操作繁瑣，運行工況不穩定，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定的。只能按照固定參數運行的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回收。水箱底部進口管由一個杠桿浮球截止閥控制開關幅度和關斷，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，開關動作猛烈，造成活動部件容易磨損而突然失效。如果關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，關斷閥芯和閥座密封出現磨損內漏，當水位下降到底時容易吸入空氣降低凝汽器真空度，影響汽輪機發電功耗，甚至升高凝結水溶氧，影響后續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，劣化凝結水水質，對后續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定運行，首先一定要減少浮球閥開關的幅度和頻度，提高其可靠使用壽命。其次，要有輔助監控的手段，使得控制室操作人員可以實時監控水箱水位，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。改進的關鍵點在于使用套筒式調節閥的進水模式從套筒的側向進水，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節閥的密封面。這樣閥芯的開度曲線和行程是指數比例關系的，水箱水位越高，閥門開度按指數線性增大，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。活塞閥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，實現水位監控、報警、連鎖保護功能。不銹鋼水箱出口加裝電磁閥，實現低水位連鎖快速關斷功能，位置在水箱至凝結器熱井隔離閥之間，防止跌真空。當水位低于浮筒式流量控制閥關斷水位時，連鎖保護信號觸發電磁閥關斷動作，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下，增大閥芯最終的關斷壓緊力，從而提高密封性能。水箱進水口加裝不銹鋼濾網，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

國內某化工自備電廠2006年投產上海汽輪機廠設計制造的135 MW雙抽發電機組，其配套給水泵密封水回水系統采用標準的U形管密封桶方案，利用凝結器真空負壓回收給水泵密封水。投產以來一直無法長周期連續正常回收密封水，雖然經過檢修車間部分改造，因工作狀態不穩定和缺乏必要的快關隔離裝置，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，造成設備形同虛設，大量凝結水白白浪費。

經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，按當地到廠標煤單價1 000元/t計算，每年節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比例相關的特性，按照國內調節閥關斷漏流量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節舒適區，完全不會出現閥芯突然到底關斷的情況。流量波動適應性特別強，底閥由于一般不關到底幾乎不會磨損，確保了緊急關斷時的嚴密性。該套裝置和國內其他同類浮球式裝置比較具有以下特點：

1)柱塞閥斜開口設計，流量自動無級調整。與國內同類裝置相比具有自動調節范圍寬，調節線性好，水位控制平穩的特點，指數線性調節區達到2.5～50 t/h，可滿足25 MW到1000 MW機組的需要。

2)獨創設計三重保護，既有閥芯式低水位自重加力機械關斷保護，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。可靠性高、可遠程監控。

3)通過改進的凝汽器回收水噴淋裝置，實現預除氧功能。

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

4 結 語

實踐證明，該浮筒式控制閥具有調節動作平緩，線性范圍大，可靠性高，通用性強，無需人工干預的特點，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水、除鹽水、水封水、冷凝水、疏水、余熱回收水等。