真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置運(yùn)行過程計(jì)算影響因素

       真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置運(yùn)行過程計(jì)算影響因素，給水泵汽蝕通常發(fā)生在突然降負(fù)荷的除氧過程，對(duì)給水除氧系統(tǒng)進(jìn)行除氧計(jì)算，是防止突然降負(fù)荷（尤其是滿負(fù)荷下甩全負(fù)荷）的除氧過程中給水泵汽蝕的有效途徑。以某在建1000MW工程為例，分析了真空除氧器水箱容積、真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置與給水泵的相對(duì)標(biāo)高、下水管管徑等因素對(duì)給水泵汽蝕的影響，可為真空除氧器布置標(biāo)高優(yōu)化提供參考。
       給水泵運(yùn)行時(shí)，當(dāng)泵內(nèi)任一點(diǎn)介質(zhì)的壓力小于當(dāng)?shù)仫柡蛪毫�時(shí)，該處的給水就會(huì)發(fā)生汽化，形成蒸汽小汽泡，汽泡被帶入泵的高壓區(qū)，受壓破裂，就會(huì)使泵發(fā)生汽蝕，從而引起泵的噪聲、振動(dòng)甚至破壞，影響設(shè)備及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文以某在建1000MW工程為例，分析了真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置水箱容積、真空除氧器與給水泵的相對(duì)標(biāo)高、下水管管徑等因素對(duì)給水泵汽蝕的影響。
1真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置除氧計(jì)算
1.1給水泵不發(fā)生汽蝕的條件
       給水泵是否發(fā)生汽蝕取決于泵本身的特性和泵吸入系統(tǒng)的特性。反映泵本身汽蝕特性的參數(shù)是泵
的必需汽蝕余量Oh.Ah與泵的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速.流量有
關(guān)。反映泵吸入系統(tǒng)特性的參數(shù)是泵的有效汽蝕
余量Sh.Sh.與真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置運(yùn)行壓力真空除氧器給水箱與給
水泵布置的相對(duì)標(biāo)高及管道阻力等因素有關(guān)，而與
泵本身無關(guān)”。泵內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件為0h,≥Ah,
即Sh,-sh.≥0。根據(jù)可得
Ah-Ah,-Mh,=
(-
4P
-0h,)-(
P.
P)
(1)
pg
pgpug
式中:H為真空除氧器，鍋爐真空除氧裝置給水箱水位與給水泵中心線之間的
高度差,m:OP為下降管管道及附件的壓降,Pa:ρ為
下降管內(nèi)流體密度.kgm':P.為真空除氧器飽和水壓力，
Pa:po為真空除氧器飽和水密度,kg/m':P.為泵入口流體的
飽和壓力，Pa:p.為泵入口流體密度，kgm':g為重力
加速度,m/s'。

1.2真空除氧器除氧計(jì)算

       根據(jù)暫態(tài)過程中真空除氧器的熱平衡，求出真空除氧器內(nèi)
除氧的熱焓變化規(guī)律<即相應(yīng)的飽和壓力下降規(guī)律),
然后求出智態(tài)過程汽蝕余量隨時(shí)間的變化情況，找出
智態(tài)過程汽蝕余量的小值,進(jìn)而確定給水泵在智態(tài)
過程中是否發(fā)生汽蝕”。
真空除氧器除氧計(jì)算的關(guān)鍵是求得真空除氧器中飽和水
焓h的變化情況。當(dāng)X≤M.時(shí)，
h=h.+(h-h,)e'
(2)
當(dāng)M≤X≤Mc時(shí)，
h,=hota(M+M-X>-aMe-(h,-hn)
(3)
當(dāng)X≥M時(shí)，
h=h,+[aM(e"-e")+h-n,]e"
(4)
式中:X為甩負(fù)荷后凝結(jié)水的累計(jì)流量:M.為5號(hào)低
加至真空除氧器入口間凝結(jié)水管系的存水量；hl0為甩負(fù)荷開始時(shí)真空除氧器入口凝結(jié)水的焓；h0為真空除氧器甩負(fù)荷前飽和水的焓；M為真空除氧器內(nèi)飽和水質(zhì)量與真空除氧器金屬當(dāng)量質(zhì)量之和；MC為凝結(jié)水系統(tǒng)（8號(hào)低加入口至真空除氧器入口管道及加熱器）的凝結(jié)水容水量與金屬當(dāng)量質(zhì)量之和；hc為熱井水的焓；a為5號(hào)低加后凝結(jié)水焓值下降速率a=由hd可查得對(duì)應(yīng)的飽和壓力和飽和水比體積Pd、ρd，然后根據(jù)下降管的滯后時(shí)間可求出Pv、ρv，后由式（1）即可求得除氧過程汽蝕余量。
2真空除氧器除氧的影響因素
       以某在建1000MW工程為例，對(duì)真空除氧器除氧計(jì)算的影響因素進(jìn)行探討分析。真空除氧器除氧計(jì)算的輸入?yún)��?shù)如表1所示。
表1某1000MW工程的給水除氧系統(tǒng)參數(shù)
Tab.1Parametersoffeedwaterdeaeratingsystemofa1000MWpowerproject
項(xiàng)目 參數(shù)
大出力工況下給水泵流量/（t·h-1） 3093
給水泵數(shù)量 2
真空除氧器水位與給水泵中心線標(biāo)高差/m 29.31
單根下降管大長(zhǎng)度/m 43.0
下降管管徑/mm 630
下降管壁厚/mm 13
下降管的局部阻力系數(shù) 1.75
下降管的等值粗糙度/mm 0.2
給水泵前濾網(wǎng)壓降/Pa 8800
甩滿負(fù)荷時(shí)真空除氧器內(nèi)飽和水溫度/℃ 188.7
甩滿負(fù)荷時(shí)真空除氧器內(nèi)飽和水壓力/MPa 1.219
給水泵必需汽蝕余量/m 5.4
除氧水箱正常水位容積/m3 300
2.1真空除氧器給水箱容積
       DL5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》對(duì)真空除氧器水箱的貯水量規(guī)定如下：200MW及以下機(jī)組，真空除氧器水箱的貯水量不小于鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量工況下10min的給水消耗量；300MW及以上機(jī)組，真空除氧器水箱的貯水量不小于鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量工況下5min的給水消耗量。
       真空除氧器水箱的貯水量不同，對(duì)甩負(fù)荷工況下給水泵的汽蝕影響也不同。除氧過程中小汽蝕余量與真空除氧器水箱容積變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示，圖中橫向坐標(biāo)表示真空除氧器水箱容積（已折算為鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)的給水消耗量對(duì)應(yīng)的分鐘數(shù)）。
       從圖1可看出，當(dāng)真空除氧器水箱容積增大時(shí)，除氧過程中小汽蝕余量值增大，表明甩負(fù)荷時(shí)越不容易發(fā)生汽蝕。由于真空除氧器水箱始終工作于飽和狀態(tài)，容器內(nèi)的壓力始終與水溫相對(duì)應(yīng)，水箱容積增大，水溫下降速度減慢，而真空除氧器內(nèi)水溫下降速度減慢時(shí)，給水泵入口的水溫與真空除氧器內(nèi)水溫相差越小，即兩者的飽和壓力相差越小，此時(shí)甩負(fù)荷時(shí)汽蝕余量下降值越小，因此有利于除氧過程防止給水泵的汽蝕。
       從防止給水泵汽蝕的要求來看，水箱容積越大越好，但增大水箱容積在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)會(huì)加劇除氧效果的惡化。另外，也造成了真空除氧器設(shè)備造價(jià)和土建費(fèi)用的相應(yīng)增加。
2.2真空除氧器與給水泵的相對(duì)標(biāo)高
       真空除氧器水位中心線與給水泵中心線高差提供的靜壓力差是克服給水泵汽蝕的源動(dòng)力，在穩(wěn)態(tài)過程用以克服下降管局部阻力和沿程阻力損失，使給水泵不發(fā)生汽蝕，在除氧過程中還需要克服由于滯后作用帶來的汽蝕余量下降值。在給水泵安裝標(biāo)高確定的前提下，除氧過程小汽蝕余量隨真空除氧器中心線標(biāo)高的變化情況如圖2所示。
       從圖2可看出，在給水泵安裝標(biāo)高確定的前提下，除氧過程小汽蝕余量值與真空除氧器布置標(biāo)高基本成線性關(guān)系，因此提高真空除氧器布置標(biāo)高是防止給水泵汽蝕的有效方法。但是過于提高真空除氧器布置標(biāo)高，會(huì)造成土建費(fèi)用和管道投資費(fèi)用增加。所以，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)在保證給水泵不發(fā)生汽蝕的前提條件下，結(jié)合主廠房整體布置及考慮相關(guān)檢修要求，合理地降低真空除氧器布置標(biāo)高。
2.3下水管管徑
Δha與下水管管內(nèi)介質(zhì)流速有關(guān)。目前，世界上主要國(guó)家對(duì)下水管的推薦流速范圍見表2。
表2下水管內(nèi)介質(zhì)流速的推薦值
下水管管內(nèi)介質(zhì)的流速由管徑?jīng)Q定，本文選取了4種下水管管徑進(jìn)行計(jì)算，各種管徑及對(duì)應(yīng)的流速見表3。
表3下水管管徑與管內(nèi)介質(zhì)流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系
Tab.3Correspondingrelationbetweensuctionpipediameterandflowrateofmediuminsidethepipe
管道參數(shù) 介質(zhì)流速/（m·s-1）
管徑/mm 壁厚/mm 
630 13 1.70
530 13 2.45
480 14 3.05
426 11 3.80
       從表3可看出，規(guī)格為φ630mm×13mm的下水管內(nèi)介質(zhì)的流速為1.7m/s，在我國(guó)規(guī)范推薦范圍內(nèi)；規(guī)格為φ530mm×13mm的下水管內(nèi)介質(zhì)的流速為2.45m/s，稍微超出我國(guó)規(guī)范推薦范圍，但也在英國(guó)和美國(guó)的推薦流速范圍內(nèi)；而規(guī)格為φ480mm×14mm和φ426mm×11mm的下水管內(nèi)介質(zhì)的流速已達(dá)3.05m/s和3.80m/s，遠(yuǎn)超出了國(guó)內(nèi)規(guī)范的推薦范圍要求。
       穩(wěn)態(tài)時(shí)汽蝕余量隨下水管管徑的變化情況如圖3所示。由于管徑的減小，下降管的阻力增大，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時(shí)汽蝕余量有所減��；但是穩(wěn)態(tài)汽蝕余量變化值較少，當(dāng)管道規(guī)格由φ630mm×13mm變成φ426mm×11mm時(shí)，其穩(wěn)態(tài)汽蝕余量由22.63m變?yōu)?0.23m，變化值僅為2.4m。
       除氧過程中小汽蝕余量隨下水管管徑的變化情況如圖4所示。隨著管徑的減少，除氧過程中小汽蝕余量不斷增大，這與穩(wěn)態(tài)過程得出的結(jié)論恰好相反。這是由于當(dāng)管徑減少時(shí)，低壓給水管流速增大，泵入口流體溫度與真空除氧器溫度的滯后時(shí)間越小，即泵入口流體溫度對(duì)應(yīng)的壓力與真空除氧器內(nèi)飽和壓力相差越小，所以除氧過程小汽蝕余量下降值隨著下水管的管徑減小而增大。
       由以上分析可知，下水管管徑對(duì)除氧過程小汽蝕余量影響較大，從防止給水泵汽蝕的角度看，下水管管徑越小越好；另外，下水管管徑減小，又可減小管道剛度，降低管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩，從而有利于設(shè)備的安全運(yùn)行。但是當(dāng)下水管管徑減少時(shí)，管道內(nèi)介質(zhì)流速增大，而管道介質(zhì)流速又受到設(shè)計(jì)規(guī)范中介質(zhì)流速的約束。因此，管徑選取應(yīng)綜合考慮下水管內(nèi)介質(zhì)流速，穩(wěn)態(tài)汽蝕余量及除氧汽蝕余量等要求。
4.4下水管系統(tǒng)阻力
       下水管系統(tǒng)阻力包括沿程阻力和局部阻力。其中沿程阻力取決于管道當(dāng)量粗糙度、管徑和管道長(zhǎng)度。下水管管道一般采用標(biāo)準(zhǔn)的無縫鋼管，管道當(dāng)量粗糙度允許的偏差范圍很小，對(duì)除氧計(jì)算影響極小，基本可以忽略不計(jì)。在確定下水管管徑的前提下，對(duì)管道長(zhǎng)度的影響進(jìn)行分析。
       除氧過程小汽蝕余量隨下降管長(zhǎng)度的變化情況如圖5所示。從圖5可看出，隨著下降管長(zhǎng)度的增加，小汽蝕余量基本成線性減小；當(dāng)下降管長(zhǎng)度由40m增加到61m時(shí)，小汽蝕余量減少近7m。這是因?yàn)樵黾酉陆倒荛L(zhǎng)度不但增大了穩(wěn)態(tài)時(shí)管道阻力，而且增加除氧過程滯后時(shí)間和除氧過程中汽蝕余量下降值。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減少下降管的長(zhǎng)度，但在真空除氧器與給水泵的相對(duì)標(biāo)高確定的前提下，縮短下降管長(zhǎng)度意味著管道布置硬直，柔性減小，真空除氧器和給水泵接口力與力矩增大，不利于設(shè)備安全運(yùn)行。
       局部阻力為管道上附件的阻力，如彎頭、濾網(wǎng)，閥門的阻力。管道局部阻力對(duì)除氧過程小汽蝕余量的影響如圖6所示。
       從圖6可看出，小汽蝕余量隨下降管局部阻力的增大而減小，但是小汽蝕余量變化較小，對(duì)給水泵汽蝕影響很小。值得說明的是，對(duì)于低壓給水系統(tǒng)，在給水泵前基本都配置有濾網(wǎng)裝置，濾網(wǎng)的阻力一般為5~15kPa，但是在除氧計(jì)算中汽蝕余量都留有較大的裕量，主要考慮給水泵濾網(wǎng)裝置發(fā)生堵塞時(shí)的影響，濾網(wǎng)發(fā)生50%堵塞時(shí)阻力為30~60kPa，而在沙角C廠3×660MW機(jī)組設(shè)計(jì)中汽泵前置泵進(jìn)口前并沒有配置濾網(wǎng)，有效減少了管道局部阻力，對(duì)除氧過程防止給水泵汽蝕非常有利。
       （1）真空除氧器水箱容積越大，越有利于防止除氧工況時(shí)給水泵汽蝕，但在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)會(huì)加劇除氧效果的惡化。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段通常按鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量工況下5min的給水消耗量確定真空除氧器給水箱容積。
       （2）真空除氧器與給水泵的相對(duì)標(biāo)高所提供的靜壓力差是克服給水泵汽蝕的源動(dòng)力。在給水泵安裝標(biāo)高確定的前提下，真空除氧器布置標(biāo)高越高，越有利于防止除氧工況時(shí)給水泵汽蝕，但過高地提高真空除氧器布置標(biāo)高，會(huì)造成土建費(fèi)用和管道投資費(fèi)用增加。
       （3）下水管的管徑選取對(duì)真空除氧器除氧計(jì)算的影響很大。下水管管徑越小，越有利于防止暫態(tài)工況時(shí)給水泵汽蝕，但下水管的管徑選擇，受設(shè)計(jì)規(guī)范中介質(zhì)流速的約束。
       （4）下水管系統(tǒng)阻力對(duì)真空除氧器除氧計(jì)算也有一定影響，系統(tǒng)阻力越小，越有利于防止除氧工況時(shí)給水泵汽蝕。
       （5）發(fā)電廠設(shè)計(jì)中，通常先確定真空除氧器水箱的容積和給水泵的安裝位置，再根據(jù)主廠房總體布置情況進(jìn)行真空除氧器的除氧計(jì)算，確定系統(tǒng)中的真空除氧器標(biāo)高、管徑等相關(guān)參數(shù)。在除氧計(jì)算時(shí)，可結(jié)合上述影響因素的分析結(jié)論，適當(dāng)減小下水管管徑，提高管道流速，為降低真空除氧器布置標(biāo)高，優(yōu)化主廠房布置創(chuàng)造條件。