低加疏水泵系統調節控制策略的優化

趙英淳，張超凡，段 琦

(中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

低加疏水泵系統是發電廠的重要系統之一，也是故障率較高的系統之一。故障工況下，低壓加熱器疏水將由事故疏水排放至凝汽器，會影響機組經濟性[1]。低加疏水泵的典型故障主要分為汽蝕余量不足、運行工況不穩定、加工制造缺陷等。多數電廠從設備選型、管路設計優化等方面出發解決上述故障問題[2-4]。某電廠超超臨界660 MW機組在試運期間，由于低加疏水泵系統設計和測點安裝位置不當，出現了低加疏水泵啟動后振動大、疏水無法回收至凝結水系統的問題。根據低加疏水泵系統原設計的管道、閥門、測點特點，提出一種新的控制、調節方法，解決了上述問題。

1 低加疏水泵系統布置及技術參數

該機組7段抽汽進入7號低壓加熱器汽側蒸汽冷凝后，匯合5號、6號低壓加熱器疏水逐級自流而來的疏水，進一步冷卻放熱后，通過兩臺并聯的低加疏水泵升壓進入凝結水系統7號低壓加熱器出口管道。系統流程圖如圖1所示。低加疏水泵出口先后經一只機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計一只氣動調節閥。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管路，管路經過一只電動隔離閥后與另外一臺疏水泵再循環管路匯合，兩臺疏水泵再循環母管進入7號低壓加熱器殼側，母管上設計一只氣動調節閥和一只機械逆止閥，用于調節運行疏水泵再循環流量。

圖1 低加疏水泵系統流程圖

低加疏水泵采用NW 200—6型臥式離心泵，流量220 m3/h，揚程220 m H2O，泵的轉速1 480 r/min。

2 低加疏水泵系統測點布置及控制策略介紹

該系統在低加疏水泵出口母管上設計了一個壓力測點和一個流量測點；低加疏水泵入口母管設計了一個壓力測點；每臺低加疏水泵入口各設計了一個濾網差壓測點；7號低壓加熱器布置了三個模擬量液位計。

根據初始邏輯要求，首臺低加疏水泵啟動前(以A泵為例)，低加疏水泵再循環調門及A泵再循環電動門均為全開狀態；A泵出口門、B泵出口門及其再循環電動門均為關閉狀態。A泵啟動后，應首先維持再循環運行方式，其出口門聯鎖打開后，出口母管調節閥根據7號低壓加熱器水位調節開度，低加疏水泵再循環調門根據泵出口母管出水流量調節開度，防止低加疏水泵出水流量落入其最小流量以下工況運行。

3 試運過程中問題及分析

在調試過程中，當機組首臺泵啟動時，會發生電機電流擺動、泵體振動大、運行噪聲大等現象。相鄰機組其中的一臺低加疏水泵在試運過程中多次啟動后造成水泵不出力、甚至轉軸抱死的問題。檢修時將抱死的泵拆開，發現泵的葉片上有大量的蜂窩狀蝕坑。

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

首臺泵啟動時，機組負荷約為30%～40%額定負荷，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閥控制，事故疏水調閥與凝汽器相連，加熱器水位過低時加熱器殼側壓力會進一步降低，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，計算過程介質密度取設計溫度壓力下的水的密度，重力加速度取9.8 m/s2)，剛好達到低加疏水泵入口壓力0.09～0.2 MPa(表壓)的設計要求。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；泵啟動過程中如發生7號低壓加熱器液位過低，加熱器殼側與凝汽器之間無法形成水封，殼側壓力也會下降，低加疏水泵入口介質可能發生汽化，導致泵入口靜壓進一步下降。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。

系統流量測點設計在出口母管上，無法監視低加疏水泵再循環流量，也就無法監視低加疏水泵實際的入口流量。根據原設計邏輯，啟泵過程中由于疏水泵出口母管上調閥還未打開，母管流量為0 t/h，再循環管道調節閥和電動隔離閥需保持全開。再循環管道進入7號低壓加熱器殼側，再循環管程阻力過小，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作為再循環調閥的控制目標不能達到防止疏水泵小流量汽蝕的目的；出口調閥開度較小或疏水泵處于再循環方式運行時，出口母管流量＜70 t/h，再循環調閥由于邏輯限制無法關閉，客觀上延長了疏水泵在汽蝕狀態下的運行時間。

4 調節、控制邏輯優化方案及優化后啟動操作要點

4.1 低加疏水泵汽蝕問題的機理及解決思路

離心水泵在運轉過程中，當運行流量過大時，其通流部分液體的絕對壓力下降到小于或等于當時溫度下的汽化壓力時，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。當氣泡隨液體從低壓區移動到高壓區時，氣泡在高壓作用下迅速凝結而破裂，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和溶解，因此，在沖擊力作用下又分成小氣泡，如此反復。當上述過程在葉輪或葉片等流通部件表面發生，將對金屬材料產生機械剝蝕[5]。

引入有效汽蝕余量NPSHa和必需汽蝕余量NPSHr兩個量。NPSHa表示液體到達泵進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和速度；Pv為泵內液體溫度對應下的汽化壓強；ρ為液體密度；g為重力加速度。

NPSHa與泵倒灌高度和進口法蘭前吸水管路流動損失有關，當液體溫度、吸入液面壓強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；λ為液體繞流葉片端部所引起的壓降系數；c0為葉片進口液體的絕對流速；ω0為葉片進口液體的相對流速；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Qk，當泵內流量大于Qk時，NPSHa＜NPSHr，即有效汽蝕余量提供的富裕能量不足以克服泵體進口液體的壓頭降時，泵將發生汽蝕[6]。

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

經試驗發現，低加疏水泵再循環方式運行，當再循環調閥開度≤60%時，泵體振動恢復正常，電機運行電流穩定在約11 A且不再擺動，疏水泵汽蝕問題消失。由此可見，控制啟泵前再循環調閥的開度是解決低加疏水泵汽蝕問題的一個思路。為實現啟泵后正常運行過程中再循環閥對泵的保護功能，使再循環調閥和出口調閥在使用過程中實現良好的配合，應對系統中泵閥組的控制思路、聯鎖邏輯進行優化。采用控制邏輯優化的方式解決上述問題，有效統籌了現有系統設計和測點布置的特點，相比疏水泵重新選型、變更系統設計等方法，具有改造量最小、不影響工期等優勢。

4.2 低加疏水泵及其再循環系統邏輯及控制優化策略

根據試驗結果，且考慮到流量測點的布置位置，對低加疏水泵系統調節、控制邏輯做出了如下優化(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(低加疏水泵再循環門全開且A低加疏水泵再循環電動門全開)”改為“低加疏水泵A投備用或(低加疏水泵再循環門開度＞50%且A低加疏水泵再循環電動門全開)”；

2)將疏水泵跳閘條件“低加疏水泵出口母管流量＜70 t/h且(再循環調門＜60%或A低加疏水泵再循環關斷門關且未開)，延時30 s”改為“低加疏水泵出口母管流量＜40 t/h且(再循環調門＜10%或A低加疏水泵再循環關斷門關且未開)，延時10 s”；

3)將低加疏水泵再循環調閥邏輯“出口母管流量＜75 t/h，延時3 s，聯鎖全開(長指令)”改為“任一低加疏水泵運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3 s，聯鎖開至45%(長指令，且不小于當前開度)”；

4)將低加疏水泵再循環調閥由以出口流量為目標的PID閉環控制改為跟蹤出口調閥開度的開環函數控制，修正后的邏輯圖，如圖2所示；

圖2 低加疏水泵再循環調閥控制邏輯

5)由于低加疏水泵再循環管路上未設計逆止閥，為防止備用泵反轉干擾工作泵運行，取消低加疏水泵再循環電動門聯鎖開邏輯“低加疏水泵運行時，低加疏水泵再循環調閥閥位反饋＞3%”，改為低加疏水泵運行聯鎖開再循環電動門、低加疏水泵跳閘聯鎖關再循環電動門邏輯。

4.3 低加疏水泵系統啟動操作要點

同時，規范了低加疏水泵系統啟動操作流程(將A泵視為首臺泵為例)：

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

2)啟動低加疏水泵A，出口電動門聯鎖打開，待電流穩定后(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定在1.5 MPa以上，確認疏水泵工作正常后，將出口調閥及再循環調閥切換為自動控制狀態，出口調閥設定值改為7號低壓加熱器正常液位值；

4)觀察低加疏水泵出口調閥根據加熱器液位逐漸打開，再循環調閥根據出口調閥開度緩慢關閉，7號低壓加熱器液位緩慢降至設定值附近，事故疏水調閥緩慢關閉至0%；

5)低加疏水泵B投入備用。

經過上述優化后，既保證了再循環調閥對低加疏水泵的保護作用，由通過再循環調閥與出口調閥開度的配合充分發揮了再循環調閥的調節作用，實現了7號低壓加熱器從危急疏水流程至正常疏水流程的平穩切換，和加熱器水位的自動控制。

5 結語

離心泵在啟動和運行過程中常出現大流量汽蝕問題，加熱器疏水泵由于其入口取水自運行壓力較低的加熱器汽側疏水，機組低負荷時啟動難以達到疏水泵入口必需汽蝕余量。提高啟泵及運行過程中的管道阻力，使疏水泵的運行工況點始終保持在汽蝕臨界流量范圍內，是保證疏水泵安全穩定運行的有效手段。本文根據低加疏水泵系統管道、閥門、測點設計特點，通過優化系統調節、控制邏輯，利用再循環調閥和出口調閥開度的耦合調節，實現了低加疏水泵在啟動和運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組30%額定負荷以上實現了自動控制。