低加疏水泵系统调节控制策略的优化

赵英淳，张超凡，段 琦

(中国能源建设集团西北电力试验研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

低加疏水泵系统是发电厂的重要系统之一，也是故障率较高的系统之一。故障工况下，低压加热器疏水将由事故疏水排放至凝汽器，会影响机组经济性[1]。低加疏水泵的典型故障主要分为汽蚀余量不足、运行工况不稳定、加工制造缺陷等。多数电厂从设备选型、管路设计优化等方面出发解决上述故障问题[2-4]。某电厂超超临界660 MW机组在试运期间，由于低加疏水泵系统设计和测点安装位置不当，出现了低加疏水泵启动后振动大、疏水无法回收至凝结水系统的问题。根据低加疏水泵系统原设计的管道、阀门、测点特点，提出一种新的控制、调节方法，解决了上述问题。

1 低加疏水泵系统布置及技术参数

该机组7段抽汽进入7号低压加热器汽侧蒸汽冷凝后，汇合5号、6号低压加热器疏水逐级自流而来的疏水，进一步冷却放热后，通过两台并联的低加疏水泵升压进入凝结水系统7号低压加热器出口管道。系统流程图如图1所示。低加疏水泵出口先后经一只机械逆止阀和一只电动隔离阀后与另外一台低加疏水泵出口管道汇合，两台泵出口母管上设计一只气动调节阀。为保证首台疏水泵启泵过程中的最小流量，疏水泵出口逆止阀前引出再循环管路，管路经过一只电动隔离阀后与另外一台疏水泵再循环管路汇合，两台疏水泵再循环母管进入7号低压加热器壳侧，母管上设计一只气动调节阀和一只机械逆止阀，用于调节运行疏水泵再循环流量。

图1 低加疏水泵系统流程图

低加疏水泵采用NW 200—6型卧式离心泵，流量220 m3/h，扬程220 m H2O，泵的转速1 480 r/min。

2 低加疏水泵系统测点布置及控制策略介绍

该系统在低加疏水泵出口母管上设计了一个压力测点和一个流量测点；低加疏水泵入口母管设计了一个压力测点；每台低加疏水泵入口各设计了一个滤网差压测点；7号低压加热器布置了三个模拟量液位计。

根据初始逻辑要求，首台低加疏水泵启动前(以A泵为例)，低加疏水泵再循环调门及A泵再循环电动门均为全开状态；A泵出口门、B泵出口门及其再循环电动门均为关闭状态。A泵启动后，应首先维持再循环运行方式，其出口门联锁打开后，出口母管调节阀根据7号低压加热器水位调节开度，低加疏水泵再循环调门根据泵出口母管出水流量调节开度，防止低加疏水泵出水流量落入其最小流量以下工况运行。

3 试运过程中问题及分析

在调试过程中，当机组首台泵启动时，会发生电机电流摆动、泵体振动大、运行噪声大等现象。相邻机组其中的一台低加疏水泵在试运过程中多次启动后造成水泵不出力、甚至转轴抱死的问题。检修时将抱死的泵拆开，发现泵的叶片上有大量的蜂窝状蚀坑。

根据上述现象判断，低加疏水泵启动过程中极可能是出现了汽蚀问题，作出上述判断的依据如下：

首台泵启动时，机组负荷约为30%～40%额定负荷，7段抽汽压力约为0.04～0.05 MPa(表压)，启泵前7号低压加热器水位由事故疏水调阀控制，事故疏水调阀与凝汽器相连，加热器水位过低时加热器壳侧压力会进一步降低，7号低压加热器正常疏水管口与低压加热器疏水泵布置高差约7 m，二者相加所提供的入口压头约为0.106 4～0.115 9 MPa(表压，计算过程介质密度取设计温度压力下的水的密度，重力加速度取9.8 m/s2)，刚好达到低加疏水泵入口压力0.09～0.2 MPa(表压)的设计要求。首台泵启动后，泵入口静压将下降，尤其是工频启动工况下，流量较变频工况大，静压下降更为剧烈；泵启动过程中如发生7号低压加热器液位过低，加热器壳侧与凝汽器之间无法形成水封，壳侧压力也会下降，低加疏水泵入口介质可能发生汽化，导致泵入口静压进一步下降。上述因素叠加易形成疏水泵汽蚀余量不能满足要求的问题。

系统流量测点设计在出口母管上，无法监视低加疏水泵再循环流量，也就无法监视低加疏水泵实际的入口流量。根据原设计逻辑，启泵过程中由于疏水泵出口母管上调阀还未打开，母管流量为0 t/h，再循环管道调节阀和电动隔离阀需保持全开。再循环管道进入7号低压加热器壳侧，再循环管程阻力过小，会造成流速、流量过大，必需汽蚀余量增加，加剧了低加疏水泵大流量汽蚀问题。可见，以出口母管流量测点作为再循环调阀的控制目标不能达到防止疏水泵小流量汽蚀的目的；出口调阀开度较小或疏水泵处于再循环方式运行时，出口母管流量＜70 t/h，再循环调阀由于逻辑限制无法关闭，客观上延长了疏水泵在汽蚀状态下的运行时间。

4 调节、控制逻辑优化方案及优化后启动操作要点

4.1 低加疏水泵汽蚀问题的机理及解决思路

离心水泵在运转过程中，当运行流量过大时，其通流部分液体的绝对压力下降到小于或等于当时温度下的汽化压力时，液体就会汽化，大量蒸汽及溶解在液体中的气体逸出，形成气泡。当气泡随液体从低压区移动到高压区时，气泡在高压作用下迅速凝结而破裂，其所占有的空间就会形成具有高真空的空穴，附近的液体在高压差的作用下以极高的速度流向形成的空穴，形成冲击力。由于气泡中的蒸汽和气体来不及在瞬间全部凝结和溶解，因此，在冲击力作用下又分成小气泡，如此反复。当上述过程在叶轮或叶片等流通部件表面发生，将对金属材料产生机械剥蚀[5]。

引入有效汽蚀余量NPSHa和必需汽蚀余量NPSHr两个量。NPSHa表示液体到达泵进口处的能量扣除汽化压头所富裕的能量：

式中：P1、c1分别为泵吸入口法兰截面处的压强和速度；Pv为泵内液体温度对应下的汽化压强；ρ为液体密度；g为重力加速度。

NPSHa与泵倒灌高度和进口法兰前吸水管路流动损失有关，当液体温度、吸入液面压强和泵的安装高度均保持不变情况下，由于吸入管路的流动损失与流量的平方成正比，所以NPSHa随液体流量变化为一条下降的抛物线。

NPSHr表示液体进入泵后压头下降程度：

式中：m为因水力损失和绝对流速变化引起的压降修正系数；λ为液体绕流叶片端部所引起的压降系数；c0为叶片进口液体的绝对流速；ω0为叶片进口液体的相对流速；g为重力加速度。

由于c0和ω0均与流量的增大而增大，所以NPSHr随流量的变化呈一条上升的曲线。

NPSHa的曲线和NPSHr的曲线相交于临界流量点Qk，当泵内流量大于Qk时，NPSHa＜NPSHr，即有效汽蚀余量提供的富裕能量不足以克服泵体进口液体的压头降时，泵将发生汽蚀[6]。

根据上述分析，降低疏水泵再循环运行方式下运行流量是解决首台泵启动过程中大流量汽蚀问题的关键。根据离心泵汽蚀机理及运行规律，降低疏水泵运行转速、提高管道阻力是降低运行流量的有效手段。由于低加疏水泵出口压力不应低于7号低压加热器出口凝结水压力(大于1.0 MPa)，为保证疏水泵出入口压比，无法将转速降得过低，所以只能采取提高管道阻力的方式。

经试验发现，低加疏水泵再循环方式运行，当再循环调阀开度≤60%时，泵体振动恢复正常，电机运行电流稳定在约11 A且不再摆动，疏水泵汽蚀问题消失。由此可见，控制启泵前再循环调阀的开度是解决低加疏水泵汽蚀问题的一个思路。为实现启泵后正常运行过程中再循环阀对泵的保护功能，使再循环调阀和出口调阀在使用过程中实现良好的配合，应对系统中泵阀组的控制思路、联锁逻辑进行优化。采用控制逻辑优化的方式解决上述问题，有效统筹了现有系统设计和测点布置的特点，相比疏水泵重新选型、变更系统设计等方法，具有改造量最小、不影响工期等优势。

4.2 低加疏水泵及其再循环系统逻辑及控制优化策略

根据试验结果，且考虑到流量测点的布置位置，对低加疏水泵系统调节、控制逻辑做出了如下优化(以低加疏水泵A为例)：

1)将疏水泵启允许条件“低加疏水泵出口母管流量＞80 t/h或(低加疏水泵再循环门全开且A低加疏水泵再循环电动门全开)”改为“低加疏水泵A投备用或(低加疏水泵再循环门开度＞50%且A低加疏水泵再循环电动门全开)”；

2)将疏水泵跳闸条件“低加疏水泵出口母管流量＜70 t/h且(再循环调门＜60%或A低加疏水泵再循环关断门关且未开)，延时30 s”改为“低加疏水泵出口母管流量＜40 t/h且(再循环调门＜10%或A低加疏水泵再循环关断门关且未开)，延时10 s”；

3)将低加疏水泵再循环调阀逻辑“出口母管流量＜75 t/h，延时3 s，联锁全开(长指令)”改为“任一低加疏水泵运行且疏水泵出口母管压力大于1.2 MPa且出口母管流量＜45 t/h，延时3 s，联锁开至45%(长指令，且不小于当前开度)”；

4)将低加疏水泵再循环调阀由以出口流量为目标的PID闭环控制改为跟踪出口调阀开度的开环函数控制，修正后的逻辑图，如图2所示；

图2 低加疏水泵再循环调阀控制逻辑

5)由于低加疏水泵再循环管路上未设计逆止阀，为防止备用泵反转干扰工作泵运行，取消低加疏水泵再循环电动门联锁开逻辑“低加疏水泵运行时，低加疏水泵再循环调阀阀位反馈＞3%”，改为低加疏水泵运行联锁开再循环电动门、低加疏水泵跳闸联锁关再循环电动门逻辑。

4.3 低加疏水泵系统启动操作要点

同时，规范了低加疏水泵系统启动操作流程(将A泵视为首台泵为例)：

1)系统启动前，5号、6号低压加热器液位正常，疏水均为逐级自流状态，两台加热器正常疏水调阀自动状态；7号低压加热器液位由危急疏水调阀控制，调阀自动控制模式，设定值维持在加热器高一值附近；低加疏水泵A出口门全关，再循环电动门全开；低加疏水泵B出口门全关，再循环电动门全关；低加疏水泵再循环调阀开至50%～60%，低加疏水泵出口调阀关至0%，两调阀均为手动控制状态；

2)启动低加疏水泵A，出口电动门联锁打开，待电流稳定后(约11 A)，检查泵体无异音，振动、轴温处于正常范围；

3)低加疏水泵A出口电动门全开泵出口母管压力稳定在1.5 MPa以上，确认疏水泵工作正常后，将出口调阀及再循环调阀切换为自动控制状态，出口调阀设定值改为7号低压加热器正常液位值；

4)观察低加疏水泵出口调阀根据加热器液位逐渐打开，再循环调阀根据出口调阀开度缓慢关闭，7号低压加热器液位缓慢降至设定值附近，事故疏水调阀缓慢关闭至0%；

5)低加疏水泵B投入备用。

经过上述优化后，既保证了再循环调阀对低加疏水泵的保护作用，由通过再循环调阀与出口调阀开度的配合充分发挥了再循环调阀的调节作用，实现了7号低压加热器从危急疏水流程至正常疏水流程的平稳切换，和加热器水位的自动控制。

5 结语

离心泵在启动和运行过程中常出现大流量汽蚀问题，加热器疏水泵由于其入口取水自运行压力较低的加热器汽侧疏水，机组低负荷时启动难以达到疏水泵入口必需汽蚀余量。提高启泵及运行过程中的管道阻力，使疏水泵的运行工况点始终保持在汽蚀临界流量范围内，是保证疏水泵安全稳定运行的有效手段。本文根据低加疏水泵系统管道、阀门、测点设计特点，通过优化系统调节、控制逻辑，利用再循环调阀和出口调阀开度的耦合调节，实现了低加疏水泵在启动和运行过程中的流量控制，解决了低加疏水泵启动汽蚀问题，7号低压加热器水位在机组30%额定负荷以上实现了自动控制。