火力发电厂锅炉给水泵防汽蚀保护的探讨

叶仁杰

摘要：现代大型锅炉给水泵都安装了进口压力低保护和低流量保护，由于保护本身的缺陷和设计的不合理，运行中一旦触发定值开启再循环阀，导致给水流量大幅度下降，导致汽包水位低低，引发锅炉MFT。本文根据现场运行的实际经验和相似原理，提出新的保护方法，供广大运行人员参考

关键词：汽蚀；摩擦损失；保护

1，概述

水和汽可以互相转化，这是流体固有的物理特性，而温度与压力是转化的条件，流体流动过程中温度高于对应压力下饱和温度时产生汽化，而在压力升高过程中汽泡又被凝积，这就是汽蚀。汽蚀现象不仅发生在水泵、水轮机等水力机械中，在测量孔板、管路阀门等水力系统都会发生。轻微的汽蚀会造成水泵运行参数的波动，加剧水泵的机械磨损，严重的汽蚀导致叶轮的损坏和工艺流程的中断，危及其他设备的正常运行。

2，再循环—低流量保护，为了防止在低流量下因摩擦引起的发热导致水泵的汽蚀，再循环—低流量保护已成为大型低比转速离心式水泵的标准配置，但目前的再循环保护并不完善，往往处于过保护的状态，通常是这边给水泵还没有汽蚀，那边汽包水位已出现“低低”，进而扩大为整台机组的停运。

通常的再循环保护都是二位方式，也就是再循环阀始终是处于全开或全关的方式，这种方式的优点是控制比较简单，阀门结构也相对简化。但其缺点也非常特出：

①正常运行中，一旦在循环门全开，将引起给水流量的大幅度降低，导致汽包水位的快速下降，汽轮机负荷突升，扰动调节系统，同时给泵的流量远远超过最低稳定流量，给泵处于过保护状态。

②从机组启动开始，一直到给泵再循环完全关闭，给泵始终在过流量状态，经济性差，不利于节能。

为了解决这一问题，我们设想采取如下的办法：根据制造厂给定的最低流量作为被调量，无论何种原因当给水流量低于最低流量时，启动再循环门进行调节并维持最低流量。正常运行中，尤其在额定负荷下，一旦再循环阀（如兰溪案例）因某种原因全开，几乎没有挽回的余地，如果再循环伐阀于调节状态，响应速度会快得多，甚至不需要启动备用泵就能化险为夷。

下面就给水泵的再循环保护作进一步的讨论，水泵在低流量下需要保护，关键是为了防止叶轮与介质之间的摩擦，引起水温的升高导致水泵的汽蚀。设想一下，如果给泵的流量低于最低稳定流量，但主泵的转速很低甚至停止，还会发生汽蚀吗？事实上，水泵所有的能量损失中，最主要的是圆盘摩擦损失和流动损失，流动损失和流量的平方成正比，在小流量下流动损失很小，因此防止小流量下给泵的汽蚀取决于圆盘摩擦损失，它与转速的三次方成正比，与叶轮直径的5次方成正比。对于现代大型锅炉给水泵，由于转速的提高，叶轮的尺寸很小，级数也不多，对于一台已经投入运行的水泵，它的机械损失就取决于泵的转速。

以上的分析在于说明这样一个事实：给水泵最低稳定运行的流量，取决于泵的圆盘摩擦损失，也就是给水泵转速。显然，当泵的转速下降，对应的最低稳定流量也在下降。我们可以建立如下的一个基准：以额定转速下最低稳定流量为基准，来计算在不同的转速下对应的最低稳定流量，由于是同一台泵，运用相似原理，便可以得出以下结论：

Q0=额定工况下的最低稳定流量，Q1=在n1转速下的最低稳定流量，n0=泵的额定转速，如此，在任意转速n1下的最低稳定流量

Q1=（n1/n0）3Q0

以某电厂#7机给水泵为例，其最低稳定流量为148吨/时，额定转速5204转/分，如果给水泵转速下降到4000转/分，则相应的最低稳定流量Q1=65吨/时，如果转速下降到3000转/分，则最低稳定流量Q1≈30吨/时

现在的给水泵几乎单纯以流量为唯一信号启动给水泵再循环，显然处于过保护状态。为了完善给水泵的再循环—低流量保护，应串入水泵的转速信号并参与计算。当然一旦再循环阀参与模拟调节，阀门的磨损在所难免，甚至造成内漏，因此在组态上加以区分，只有在机组处于较高的负荷时才允许参与调节。具体逻辑组态应充分考虑其他因素，在此先抛砖引玉。

3，进口压力低保护

为了减少给水泵的叶轮尺寸和级数，降低圆盘摩擦损失，现代锅炉给水泵转速越来越高，叶轮进出口圆周速度大幅度增加，为适应水泵进口相对速度的变化，单纯依靠除氧器高度已不能提供有效的必须汽蚀余量，因此现代大型给水泵采用抗汽蚀性能强的前置泵来提供水泵有效的必须汽蚀余量，为了防止主泵汽蚀，有些制造厂家又另外设置了主泵进口压力低保护，现予以讨论。

汽蚀余量是泵本身的一个结构参数，仅和吸入室结构和叶轮入口尺寸、几何形状等引起的压力损失等有关。实际运行中，汽蚀余量还和流量有关，流量越大，所需的必须汽蚀余量越大，因此名牌上标注的汽蚀余量是在泵最大流量下的数值。实际运行中只要装置提供的汽蚀余量大于泵的必须汽蚀余量，并有一定的富裕，可保证泵在运行中不发生汽蚀。

以某电厂#7、8机为例：

除氧器提供的安装高度是12米，前置泵提供的扬程再加上除氧器的安装高度，能为主泵提供的汽蚀余量约为110米，主泵的必须汽蚀余量只有27.8米。要使主给水泵到达“潜伏”的汽蚀状态，其流量必须增加2倍，即1000吨/时，这在运行中是不可能发生的现象，因此设备的安装和设计就保证了泵在运行中不会发生因装置余量不够而导致的汽蚀。换句话说，设置泵进口压力低保护完全没有必要，近10万小时的运行也证明，给水泵进口压力最低处没有发生任何的汽蚀现象。

原先设计的#7、8机给水泵进口压力低保护，往往在启动初期因除氧器压力低容易报警甚至容易误动作。在启动阶段，除氧器温度低处于过冷状态（50℃为例），如果把温度的过冷折算成高度，大约在8.7米左右，这相当于把除氧器抬高了8.7米，启动阶段前置泵和主泵更加的安全，看来用主泵进口压力低作为防汽蚀保护措施完全没有必要。

4，结束语

汽蚀是泵正常运行中极力避免的一种状态，但有时却加以利用，早期的300MW机组的凝结水泵就长期工作在汽蚀状态，靠汽蚀来自动调节凝汽器水位，不仅简单可靠，节能效果显著，国产135机组的低加疏水泵也长期工作在汽蚀的“潜伏”状态。在发电厂，汽蚀造成的影响主要在工艺流程上，但汽蚀的转换非常快，稍微改变外部的状态，泵就立即脱离汽蚀，对于锅炉给水泵，如果过于考虑泵的汽蚀余量，必然增加工艺流程在运行中的隐患。

参考文献

[1]林启华，《泵与风机的变速节能》水利电力出版社，1987.

[2]邢国清，《流体力学泵与风机》中国电力出版社，2009.

[3]王朝回，《泵与风机》中国石化出版社，2007

作者简介：

叶仁杰，男浙江建德，工程师，从事联合循环电厂运行和管理工作。