真空除氧器，锅炉真空除氧装置运行过程计算影响因素

       真空除氧器，锅炉真空除氧装置运行过程计算影响因素，给水泵汽蚀通常发生在突然降负荷的除氧过程，对给水除氧系统进行除氧计算，是防止突然降负荷（尤其是满负荷下甩全负荷）的除氧过程中给水泵汽蚀的有效途径。以某在建1000MW工程为例，分析了真空除氧器水箱容积、真空除氧器，锅炉真空除氧装置与给水泵的相对标高、下水管管径等因素对给水泵汽蚀的影响，可为真空除氧器布置标高优化提供参考。
       给水泵运行时，当泵内任一点介质的压力小于当地饱和压力时，该处的给水就会发生汽化，形成蒸汽小汽泡，汽泡被带入泵的高压区，受压破裂，就会使泵发生汽蚀，从而引起泵的噪声、振动甚至破坏，影响设备及系统的安全运行。本文以某在建1000MW工程为例，分析了真空除氧器，锅炉真空除氧装置水箱容积、真空除氧器与给水泵的相对标高、下水管管径等因素对给水泵汽蚀的影响。
1真空除氧器，锅炉真空除氧装置除氧计算
1.1给水泵不发生汽蚀的条件
       给水泵是否发生汽蚀取决于泵本身的特性和泵吸入系统的特性。反映泵本身汽蚀特性的参数是泵
的必需汽蚀余量Oh.Ah与泵的结构、转速.流量有
关。反映泵吸入系统特性的参数是泵的有效汽蚀
余量Sh.Sh.与真空除氧器，锅炉真空除氧装置运行压力真空除氧器给水箱与给
水泵布置的相对标高及管道阻力等因素有关，而与
泵本身无关”。泵内不发生汽蚀的条件为0h,≥Ah,
即Sh,-sh.≥0。根据可得
Ah-Ah,-Mh,=
(-
4P
-0h,)-(
P.
P)
(1)
pg
pgpug
式中:H为真空除氧器，锅炉真空除氧装置给水箱水位与给水泵中心线之间的
高度差,m:OP为下降管管道及附件的压降,Pa:ρ为
下降管内流体密度.kgm':P.为真空除氧器饱和水压力，
Pa:po为真空除氧器饱和水密度,kg/m':P.为泵入口流体的
饱和压力，Pa:p.为泵入口流体密度，kgm':g为重力
加速度,m/s'。

1.2真空除氧器除氧计算

       根据暂态过程中真空除氧器的热平衡，求出真空除氧器内
除氧的热焓变化规律<即相应的饱和压力下降规律),
然后求出智态过程汽蚀余量随时间的变化情况，找出
智态过程汽蚀余量的小值,进而确定给水泵在智态
过程中是否发生汽蚀”。
真空除氧器除氧计算的关键是求得真空除氧器中饱和水
焓h的变化情况。当X≤M.时，
h=h.+(h-h,)e'
(2)
当M≤X≤Mc时，
h,=hota(M+M-X>-aMe-(h,-hn)
(3)
当X≥M时，
h=h,+[aM(e"-e")+h-n,]e"
(4)
式中:X为甩负荷后凝结水的累计流量:M.为5号低
加至真空除氧器入口间凝结水管系的存水量；hl0为甩负荷开始时真空除氧器入口凝结水的焓；h0为真空除氧器甩负荷前饱和水的焓；M为真空除氧器内饱和水质量与真空除氧器金属当量质量之和；MC为凝结水系统（8号低加入口至真空除氧器入口管道及加热器）的凝结水容水量与金属当量质量之和；hc为热井水的焓；a为5号低加后凝结水焓值下降速率a=由hd可查得对应的饱和压力和饱和水比体积Pd、ρd，然后根据下降管的滞后时间可求出Pv、ρv，后由式（1）即可求得除氧过程汽蚀余量。
2真空除氧器除氧的影响因素
       以某在建1000MW工程为例，对真空除氧器除氧计算的影响因素进行探讨分析。真空除氧器除氧计算的输入参数如表1所示。
表1某1000MW工程的给水除氧系统参数
Tab.1Parametersoffeedwaterdeaeratingsystemofa1000MWpowerproject
项目 参数
大出力工况下给水泵流量/（t·h-1） 3093
给水泵数量 2
真空除氧器水位与给水泵中心线标高差/m 29.31
单根下降管大长度/m 43.0
下降管管径/mm 630
下降管壁厚/mm 13
下降管的局部阻力系数 1.75
下降管的等值粗糙度/mm 0.2
给水泵前滤网压降/Pa 8800
甩满负荷时真空除氧器内饱和水温度/℃ 188.7
甩满负荷时真空除氧器内饱和水压力/MPa 1.219
给水泵必需汽蚀余量/m 5.4
除氧水箱正常水位容积/m3 300
2.1真空除氧器给水箱容积
       DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》对真空除氧器水箱的贮水量规定如下：200MW及以下机组，真空除氧器水箱的贮水量不小于锅炉大连续蒸发量工况下10min的给水消耗量；300MW及以上机组，真空除氧器水箱的贮水量不小于锅炉大连续蒸发量工况下5min的给水消耗量。
       真空除氧器水箱的贮水量不同，对甩负荷工况下给水泵的汽蚀影响也不同。除氧过程中小汽蚀余量与真空除氧器水箱容积变化的对应关系如图1所示，图中横向坐标表示真空除氧器水箱容积（已折算为锅炉大连续蒸发量时的给水消耗量对应的分钟数）。
       从图1可看出，当真空除氧器水箱容积增大时，除氧过程中小汽蚀余量值增大，表明甩负荷时越不容易发生汽蚀。由于真空除氧器水箱始终工作于饱和状态，容器内的压力始终与水温相对应，水箱容积增大，水温下降速度减慢，而真空除氧器内水温下降速度减慢时，给水泵入口的水温与真空除氧器内水温相差越小，即两者的饱和压力相差越小，此时甩负荷时汽蚀余量下降值越小，因此有利于除氧过程防止给水泵的汽蚀。
       从防止给水泵汽蚀的要求来看，水箱容积越大越好，但增大水箱容积在机组升负荷时会加剧除氧效果的恶化。另外，也造成了真空除氧器设备造价和土建费用的相应增加。
2.2真空除氧器与给水泵的相对标高
       真空除氧器水位中心线与给水泵中心线高差提供的静压力差是克服给水泵汽蚀的源动力，在稳态过程用以克服下降管局部阻力和沿程阻力损失，使给水泵不发生汽蚀，在除氧过程中还需要克服由于滞后作用带来的汽蚀余量下降值。在给水泵安装标高确定的前提下，除氧过程小汽蚀余量随真空除氧器中心线标高的变化情况如图2所示。
       从图2可看出，在给水泵安装标高确定的前提下，除氧过程小汽蚀余量值与真空除氧器布置标高基本成线性关系，因此提高真空除氧器布置标高是防止给水泵汽蚀的有效方法。但是过于提高真空除氧器布置标高，会造成土建费用和管道投资费用增加。所以，在工程设计中，应在保证给水泵不发生汽蚀的前提条件下，结合主厂房整体布置及考虑相关检修要求，合理地降低真空除氧器布置标高。
2.3下水管管径
Δha与下水管管内介质流速有关。目前，世界上主要国家对下水管的推荐流速范围见表2。
表2下水管内介质流速的推荐值
下水管管内介质的流速由管径决定，本文选取了4种下水管管径进行计算，各种管径及对应的流速见表3。
表3下水管管径与管内介质流速的对应关系
Tab.3Correspondingrelationbetweensuctionpipediameterandflowrateofmediuminsidethepipe
管道参数 介质流速/（m·s-1）
管径/mm 壁厚/mm 
630 13 1.70
530 13 2.45
480 14 3.05
426 11 3.80
       从表3可看出，规格为φ630mm×13mm的下水管内介质的流速为1.7m/s，在我国规范推荐范围内；规格为φ530mm×13mm的下水管内介质的流速为2.45m/s，稍微超出我国规范推荐范围，但也在英国和美国的推荐流速范围内；而规格为φ480mm×14mm和φ426mm×11mm的下水管内介质的流速已达3.05m/s和3.80m/s，远超出了国内规范的推荐范围要求。
       稳态时汽蚀余量随下水管管径的变化情况如图3所示。由于管径的减小，下降管的阻力增大，导致稳态时汽蚀余量有所减小；但是稳态汽蚀余量变化值较少，当管道规格由φ630mm×13mm变成φ426mm×11mm时，其稳态汽蚀余量由22.63m变为20.23m，变化值仅为2.4m。
       除氧过程中小汽蚀余量随下水管管径的变化情况如图4所示。随着管径的减少，除氧过程中小汽蚀余量不断增大，这与稳态过程得出的结论恰好相反。这是由于当管径减少时，低压给水管流速增大，泵入口流体温度与真空除氧器温度的滞后时间越小，即泵入口流体温度对应的压力与真空除氧器内饱和压力相差越小，所以除氧过程小汽蚀余量下降值随着下水管的管径减小而增大。
       由以上分析可知，下水管管径对除氧过程小汽蚀余量影响较大，从防止给水泵汽蚀的角度看，下水管管径越小越好；另外，下水管管径减小，又可减小管道刚度，降低管道对设备的推力和力矩，从而有利于设备的安全运行。但是当下水管管径减少时，管道内介质流速增大，而管道介质流速又受到设计规范中介质流速的约束。因此，管径选取应综合考虑下水管内介质流速，稳态汽蚀余量及除氧汽蚀余量等要求。
4.4下水管系统阻力
       下水管系统阻力包括沿程阻力和局部阻力。其中沿程阻力取决于管道当量粗糙度、管径和管道长度。下水管管道一般采用标准的无缝钢管，管道当量粗糙度允许的偏差范围很小，对除氧计算影响极小，基本可以忽略不计。在确定下水管管径的前提下，对管道长度的影响进行分析。
       除氧过程小汽蚀余量随下降管长度的变化情况如图5所示。从图5可看出，随着下降管长度的增加，小汽蚀余量基本成线性减小；当下降管长度由40m增加到61m时，小汽蚀余量减少近7m。这是因为增加下降管长度不但增大了稳态时管道阻力，而且增加除氧过程滞后时间和除氧过程中汽蚀余量下降值。因此，设计时应尽可能减少下降管的长度，但在真空除氧器与给水泵的相对标高确定的前提下，缩短下降管长度意味着管道布置硬直，柔性减小，真空除氧器和给水泵接口力与力矩增大，不利于设备安全运行。
       局部阻力为管道上附件的阻力，如弯头、滤网，阀门的阻力。管道局部阻力对除氧过程小汽蚀余量的影响如图6所示。
       从图6可看出，小汽蚀余量随下降管局部阻力的增大而减小，但是小汽蚀余量变化较小，对给水泵汽蚀影响很小。值得说明的是，对于低压给水系统，在给水泵前基本都配置有滤网装置，滤网的阻力一般为5~15kPa，但是在除氧计算中汽蚀余量都留有较大的裕量，主要考虑给水泵滤网装置发生堵塞时的影响，滤网发生50%堵塞时阻力为30~60kPa，而在沙角C厂3×660MW机组设计中汽泵前置泵进口前并没有配置滤网，有效减少了管道局部阻力，对除氧过程防止给水泵汽蚀非常有利。
       （1）真空除氧器水箱容积越大，越有利于防止除氧工况时给水泵汽蚀，但在机组升负荷时会加剧除氧效果的恶化。国内现阶段通常按锅炉大连续蒸发量工况下5min的给水消耗量确定真空除氧器给水箱容积。
       （2）真空除氧器与给水泵的相对标高所提供的静压力差是克服给水泵汽蚀的源动力。在给水泵安装标高确定的前提下，真空除氧器布置标高越高，越有利于防止除氧工况时给水泵汽蚀，但过高地提高真空除氧器布置标高，会造成土建费用和管道投资费用增加。
       （3）下水管的管径选取对真空除氧器除氧计算的影响很大。下水管管径越小，越有利于防止暂态工况时给水泵汽蚀，但下水管的管径选择，受设计规范中介质流速的约束。
       （4）下水管系统阻力对真空除氧器除氧计算也有一定影响，系统阻力越小，越有利于防止除氧工况时给水泵汽蚀。
       （5）发电厂设计中，通常先确定真空除氧器水箱的容积和给水泵的安装位置，再根据主厂房总体布置情况进行真空除氧器的除氧计算，确定系统中的真空除氧器标高、管径等相关参数。在除氧计算时，可结合上述影响因素的分析结论，适当减小下水管管径，提高管道流速，为降低真空除氧器布置标高，优化主厂房布置创造条件。