用于給排水設備水封裝置的設計

劉 永

（天津市國威給排水設備制造有限公司，天津 300300）

0 引言

給水泵密封水回流通過多級水封裝置排入冷凝器進行回收，設備在調試及運行中，經常出現真空度低、真空系統密封性能測試不合格的問題[1]。為提升凝結器的真空度，使其達到正常值，采取給水泵密封水回流排水溝的方法，通過再次測試后真空系統的密封性良好。但是為了有效維持冷凝器真空度，并確保設備經濟，操作者需要長時間將密封水從水泵送回排水溝，這樣就會造成大量浪費淡水，不符合國家規定的節能減排要求[2]。在投入和停止水封運行時，需要進行注水、排氣等一系列繁瑣復雜的操作流程，既增加了操作人員的工作量，又會給設備正常運行帶來安全隱患。通過不斷研究與實踐，發明設計了一種供排水設備用的水封裝置，不僅有效回收給水泵的密封水，又避免了浪費淡水，起到了節能環保的作用[3]。

1 給排水設備水封工作原理

采用特定高度的靜水壓力，以阻止排水管內的氣壓變化，并防止氣體從排水管內進入室內。給水封堵裝置中，水封堵是指排水出口的水柱，以阻止排水管中氣壓差的變化，并防止排水管中的氣體從入口進入排水裝置[4]。

使用水封的注意事項：①及時補充水。適時補充水分，保持一定的密封高度。當集水器因水封深度不夠等原因，導致水封容易損壞，此外，有些給排水設備或地漏，由于長期間歇使用而不能再補充，以及水封表面不斷蒸發，就會失去水封作用[5]。在設計過程中需要注意這些常識，必須定期將水注入地漏的集水器中，以保持一定的水封高度[6]；②定期清理。一般地漏只會過濾掉較大的雜質，一些細小的物質容易通過地漏進入疏水閥，造成管道積聚污垢，容易在里面滋生各種細菌和微生物[7]。必須定期清洗管道中的集水器。

2 水封裝置設計

2.1 水封裝置工作原理及注意問題

水封裝置的工作過程如下：在凝汽器抽真空前，應先關閉水封裝置的進水閥門，打開注水閥和放氣閥，再關閉放氣閥和放水閥[8]。加水量大時，打開水位控制閥直至水不能排凈為止，關閉水位控制閥及放水閥，再打開進水閥，此時水柱上有空氣在水封管內。電容器抽空后，水封管內的水柱會發生變化，產生水頭。每個封口段的有效封頭高度之和是封口段總封頭高度，因設計、安裝等原因，在使用水封裝置時應注意下列問題：

（1）水封裝置的第三級水封管與第四級水封管上部的排氣管相連，共用一個手動排氣閥。工作時，三級水封管壓力與四級水封管壓力相等；這時，四級水封管內無水頭。理論上，在密封失效時，可產生密封裝置所能產生的最大密封頭，從現場情況來看，在機組運行過程中，水封裝置的實際有效揚程高度小于所需揚程高度，會造成水封損壞，以及氣水混合泵的密封回水直接進入冷凝器，嚴重影響真空系統[9]。

（2）在“啟動水位控制閥”未安裝的情況下，通過對水封裝置的調試，發現水封裝置投入使用后，操作人員在注水階段不能判斷水封裝置內的水位，致使水封裝置內的水位過高或過低，導致水封裝置不能正常工作，影響了冷凝器的真空系統。

（3）水封設備在機組運行過程中如發生故障而失去水封功能，勢必影響冷凝器真空系統。為保持凝汽器真空系統的真空度，確保設備的經濟性，操作者只能將密封的給水泵水回流到排水管中，浪費了大量淡水。

根據以上問題，設計出給排水設備水密封裝置的優化方案。

2.2 多級水封管路設計

多級水封裝置是利用水封筒內水柱的高度差來平衡給料泵的密封回水管和冷凝器之間的壓差，并使用水封筒內水柱的氣缸將冷凝器與外界空氣隔開，防止空氣泄漏和影響冷凝器的真空系統。多級水封與單級水封相比，降低了水封筒高度和水封筒埋深。

在給排水設備水封工作原理支持下，計算給水泵密封水處的回水壓力，如式1 所示：

公式（1）中：G'表示回水壓力；G 表示凝汽器內壓力；ρ、g、h分別為水密度、重力加速度和水頭高度。

就多段水封而言，各級水封筒的有效壓頭高度之和必須大于水封筒高度，否則冷凝器負壓將抽離水封筒的水，水封筒將失去水封功能，帶密封水的回水氣將直接進入冷凝器，影響真空系統。工程實踐中，考慮到水封筒的阻力和實際有效揚程高度等因素，水封筒的設計高度會存在一定的偏差。

2.3 回水系統設計

回水系統設計采用迷宮式密封設計，將密封水從凝結水泵出口抽到凝結水中，密封水的回水通過水封裝置由凝結器回收，根據最優方案，蒸汽給水泵密封水的兩條回水管都連接到Φ1020 mm 鋼管制成的水箱上，安裝在冷凝器坑內。水池下部的出水管連接到內嵌的水封套上，再連接到冷凝器上形成循環，箱頂設有排氣管，排氣管保持箱內水面壓力值在1 個大氣壓下。水池上部設有溢流口。若回流量過大，水箱內水位過高，將自動溢出至冷凝池內，不會造成回流堵塞，影響進水泵正常運行。在整個系統的底部設置有排水裝置，以便維修時排出水箱內的水，或在密封水的回水水質不佳時，直接排入循環水坑，以避免影響冷凝器的水質。

設計中充分考慮到場址布置要求和條件，通過將簡易水箱置于冷凝器坑內，冷凝器坑后水室與冷凝器坑之間的間隙可完全放置，不需特殊設置供水箱的設計和安裝空間，節省了企業成本。采取將二根給水泵的密封水回水管均布置在水箱上，設計結構簡單緊湊，不需要進行現場布置的改造。其水箱采用大口徑調制而成，制作工藝簡單經濟，該系統的主閥可配置在接觸方便的位置，便于操作和維護。

2.4 多級水封裝置設計

2.4.1 水封高度

從水箱直接接出的水管引入預先埋設的水封裝置之中，再將水封連接到凝汽器中，設水箱出口到水封管道的高度為h1，水封底部到水封出口的高度為h2，密封水管到凝汽器入口的高度為h3，由傳統水封變化改造成多級水封裝置，最高高度為：

將h 控制在滿足凝汽器真空要求范圍內，就可確定最佳水封高度。

2.4.2 水箱作用

通過對水箱的優化設置，使密封水系統具有良好的緩沖空間，密封水系統的剩余水可暫時被儲存在水箱中，不會影響水封正常穩定的運行。在水箱上方設有排氣孔，水箱液面壓力維持在大氣壓范圍內，水封具有穩定的壓力邊界，可避免壓力波動的影響，消除凝汽器真空損壞的隱患。

2.4.3 布置特點

在水封裝置設計過程中，充分利用凝汽器空間，將管路合理布局，并使單一預先埋設的管道組合成多級水封，設水箱溢流高度為h'，該高度可以滿足水封管道阻力損失，比傳統水封裝置大了將近1 倍，在該情況下，能夠滿足大流量水流通過該系統。

因為動環和靜環的節流作用，密封腔外的壓力比腔內的壓力小得多，足以保證密封動環和靜環之間不會出現泄漏問題。由于機械密封是冷卻水源，可通過調節閥門來控制壓力，而且從設計角度上也能滿足密封水的壓力要求。為循環利用這部分水資源，需用水封裝置向冷凝器中引入密封冷卻水進行回收。

2.4.4 水封裝置

通過對存在的問題進行分析，對傳統水封裝置進行優化設計和改造，采用多級水封裝置。

（1）水封裝置第三級水封筒和第四級水封筒的排氣管是分開的，并且分別連接，以確保第四級水封筒能夠正常工作和水封。泵軸端采用迷宮式密封圈時，冷卻水密封圈被連接到密封套上，冷卻水密封圈的一部分與泵體內的高溫水混合形成卸荷水，無壓回水從泵體排出。將迷宮密封卸載水與增壓泵的進水管連接，這就要求卸載水的水壓必須大于增壓泵的進水管壓力，一般情況下，增壓泵進水管的工作壓力在1.3 MPa，封閉循環水的工作壓力不超過1 MPa，不能滿足迷宮密封冷卻水的壓力要求。微型密封冷卻源只能選擇壓力較高的冷凝水，在給水泵軸端采用迷宮式密封時，為節約淡水，常將迷宮式密封的無壓回水與冷凝器連接進行回收。

（2）安裝水位控制閥及管路必須按照原設計圖紙進行安裝和啟動，當水箱裝滿水并排出后，打開啟動水位控制閥，以確保水封管上方的空間是空氣區域。將排氣閥和水位控制閥安裝在不同次級水封筒之間的連接管路上，在啟動前形成空氣區，以保證次級水封筒的正常工作。

（3）手動截止閥安裝在多級水封設備出口到冷凝器的管道上。如在設備運行過程中水封裝置出現故障，可關閉手動截止閥，隔離多級水封裝置進行維修，若水封裝置發生損壞，需關閉手動截止閥，可從多級水封出口至冷凝器。經過重新注水放氣后，再啟動水封裝置投入使用。多段水封的關鍵是要保持水封，每段水封都要防止損壞，在水封開始使用之前，必須將水注滿，并排空水封內的氣體；另外，在制作多層水封時，要保證水封內部部件都是密封的。多段水封雖然結構緊湊，但是制作和操作比較復雜，所以對操作控制的要求也比較高。

3 結束語

在給水泵密封回水時如果出現異常情況，將會導致密封水回水不良，影響系統的正常運行。在建設安裝階段必須足夠的重視，施工和安裝階段要認真核對設計圖紙，進行及時校對和改進，并要求施工單位嚴格按設計圖紙施工，確保給排水設備水封裝置正常穩定的運行。采用該設計方法，不僅保障了設備的正常工作，解決了凝汽器真空問題，還避免了回水不暢的問題，為未來給水泵密封水系統的設計提供了新的選擇。