凝结水系统管路效率分析

葛瑞刚 周骥

作者简介：葛瑞刚（1987.10.18），男，陕西咸阳人，四川神华天明发电有限责任公司，硕士研究生学历，研究方向：热力发电厂设备优化与改造。

周骥（1987.05.12），男，四川江油人，四川神华天明发电有限责任公司，本科学历，研究方向：热力发电厂设备优化与改造。

摘要：从凝结水管路上的用户出发，对每个用户运行特性进行分析，明确用户使用条件，根据设备运行情况，对管路系统效率进行适当简化处理。计算结果对实际运行具有指导性意义。

关键词：凝结水、用户、系统效率

引言

离心泵是广泛应用于化工工业系统的一种通用流体机械。它具有性能适应范围广、体积小、结构简单、操作容易、操作费用低等优点。通常，所选离心泵的流量、压头可能会和管路中要求的不一致，或由于运行工况变化、系统结垢磨损等发生变化，此时要求对泵进行流量调节，实质是改变离心泵的工作点。离心泵的工作点是由泵的特性曲线和管路系统特性曲线共同决定的，因此，改变任何一个特性曲线都可以可以对系统总效率产生影响。

1、凝结水系统基本组成运行工况分析

1.1凝结水系统组成

凝结水系统的主要功能是将凝汽器热井中的凝结水由凝结水泵送出，经精处理装置、轴封加热器、低压加热器后输送至除氧器。其中精处理出口有一路为凝结水杂项用户供水；轴封加热器有一路再循环管路，在机组启动初期或者低负荷下开启，保证凝结水泵的最低流量；为回收热量，降低排烟温度，在8号低加出口设有一路低温省煤器，经烟气加热后在回到7号低加出口。凝结水精处理装置为凝结水品质提供了保证；轴封加热器是为了回收轴封系统的热量和工质；低压加热器主要是为了加热凝结水，提高机组效率。凝结水整体系统流程图如图1所示。

图1 凝结水系统管路示意图

1.2凝结水系统运行工况分析

机组在启动初期及低负荷阶段，凝结水系统要满足凝结水杂项用户对压力要求和凝结水泵启动最小流量要求，同时这种工况下除氧器对凝结水需求量较小，这种工况下需开启再循环来满足各方面要求；在中高负荷阶段，除氧器对凝结水需求变大，凝结水泵最小流量和凝结水杂项用户对压力需求已能完全满足，凝结水再循环关闭，只需要调整上水门的开度来调节上水流量，保证机组正常运行。机组在降负荷阶段，当除氧器对凝结水需求量低于凝结水供给量，再循环门又会打开。

2、管路设备压损及效率计算模型

2.1管路设备压损

为方便对系统管路设备计算，对凝结水系统进行简化处理，如图2所示：

图2 凝结水系统简图

_{2.1.1凝结水管路损失}

_{管路的损失主要包括管道的沿程阻力损失和局部阻力损失（阀门、弯头），计算如下：}

_{沿程阻力损失ΔPm：}

...................................(1)

其中：λ：摩擦阻力系数（m）；d：管道管径（m）；ρ：工质密度；ν：工资流速

_{管道局部阻力损失ΔPj：}

....................................(2)

其中：ξ：管道配件的局部阻力损失

_{2.1.2设备压损}

凝结水系统中设备众多，包括精处理系统、轴封加热器及低压加热器等，凝结水在流经这些设备后有一定的压力损失。设备在运行条件及变工况时，压力损失变化较大。变工况及事故工况下需要进行频繁操作，整个系统压力损失也随之动态震荡，为了计算方便，将设备的压损定位一个常数A_设备，凝结水系统设备压损可采用简单的设备压损叠加，计算公式如下：

A_设备=A_精处理+A_轴加+A_低加............................(3)

_{2.1.3凝结水分支压损}

凝结水杂项用户和凝结水泵再循环所造成的压损程度不同，稳定工况下凝结水杂项用户用水量基本稳定不变，压力损失比较固定。在凝结水再循环门未开启时，稳定工况下用水量会小范围波动，相对总体用水量占比较小，对计算精度影响不大，因此将凝结水杂项用户压力损失定为B_杂。机组正常运行过程中凝结水再循环门不开启，因此不考虑凝结水再循环门开启状态下对凝结水管路效率的影响，同理不考虑个别低加在非正常工况下退出对管路效率的影响。

2.2凝结水系统管路效率计算模型

离心泵所连接管路的实际流量与扬程是由管路特性与泵特性共同决定。根据各部分压力损失特性，对同类型损失进行分类合并可分为：泵本体部分、管道压损、设备压损（精处理、轴加、低加和低省）和分支压损（凝杂母管），简化整理模型如图3：

图3 凝结水系统简化整理模型

带泵的管路系统输送流体时，要求泵提供的扬程H可由伯努利方程求得，即

............(4)

其中： 为凝结水泵出口中心线与5低加出口管道中心线势能差； 为管路系统单位重量流体的静压力差；

为管路系统单位重量流体的动能差； 为管道阻力差；_设备为设备压差； 为凝结水杂项用户造成的压差；H为泵对流体提供的扬程。

上式可改为：

.....................................(5)

其中：A为5号低加出口流量；A、B为常数，

式5为管路特性方程，其特性曲线如图4所示。图4还给出了一般泵的H-Q曲线，两曲线的交点O即是泵在管路上的工作点。泵的特性曲线或管路的特性改变，都将引起泵工作点O的移动。调节泵出口管路上阀门开度，可以改变管路特性实现流量调节，但会导致管路损失增加，能耗增加。改变泵的转速，可以实现泵特性的改变，同时也不会增加额外的管路损失。

图4 离心泵的特点 图5关小出口阀（η_泵O>η_泵O’） 图6关小出口阀（η_泵O<η_泵O’）

如图5所示，若原工作点O处于泵最高效率点的左边区域，此时关小泵出口阀门，即管路损失增加，同时泵的效率下降，这样的调节增加了能耗。如图6所示，若泵原工作点O处于泵最高效率点右边区域，此时关小泵的出口阀门，虽然管路损失增加，但泵的效率反而上升。

为了进一步追究泵和管路总效率与流量的关系，引入系统总效率η_总，系统总效率计算如下：

......................................(6)

其中： 为管路效率； 为泵效率

分别定义为：

................................(7)

......................................(8)

其中：N为轴功率（W）

式（7）中 项相对于ΔZ很小，可以忽略不计，因此（7）式可以改为：

..................................(9)

将式（8）、式（9）带入式（6）后：

.............................(10)

是凝结水泵出口管道中心线到5号低加出口中心线的高度，是常数，因此 也是常数， 在机组稳定运行时基本不变，也可以看做常数。图4、图5、图6中管路特性曲线在纵轴上的截距即是 。从式10中可以看出总效率接近一条直线，管路流量Q较大时，关小阀门，Q减小引起总效率下降的幅度较小。主要表现在泵效率最高点的右边区域内，此时，管路效率下降，但泵效率上升，所以尽管总效率是下降的，但其下降的幅度较小，而在管路流量较小时，关小阀门，流量减小引起总效率下降的幅度较大，流量越小，总效率下降的幅度就越大，主要表现在刀泵最高点左边区域内，此时,管路效率、泵效率同时下降,总效率下降幅度必然大。

当采用泵出口阀门调节流量时，关小出口阀门，流量减小，管路效率降低，此时，不论泵效率如何变化，泵和管路总效率都将降低，即总能耗必然增加。因此，采用关小泵出口阀门以提高泵的效率的做法，不但不会节能，反而增加耗能。必须采用改变泵特性的方法(该方法不会额外增加管路阻力)，而且在一定范围内可保持泵在高效率区工作，能够达到技能的目的。

3、实际运行情况下的分析

在稳定工况下，当凝结水系统管路效率下降时，首先判断各阀门状态是否发生变化或者设备是否进行了切换，如果无上述操作，则可能是由于以下几个原因：1)系统设备部分堵塞或结垢；2）凝结水管路发生了泄露；3)凝结水泵效率下降；4）凝结水泵供电线路压力下降，导致凝结水泵出力下降。对于设备问题可通过设备（精处理设备）进出口差压或者设备水侧水位（加热器）来进行判断；对于管道泄漏，一般可通过现场巡视检查来发现；对于供电线路的问题，可通过线路电压来实现检测；而凝结水泵效率下降是一个长时间的积累，可能是由于泵长时间运行导致叶片结垢或者泵通流部分改变而导致，这种情况下主要通过现场巡视泵体无特别异常时通过排除其他外部因素，来判断是否泵体本身效率发生变化。

在变工况下，在凝结水系统管路效率下降时，可能是由于管路效率下降（关阀门、设备投运、分支用水量增加等）或凝结水管路效率和凝结水泵效率同时下降共同导致的。这种情况下由于变参数变化较多，对整体效率影响较大，无法完成确认是那部分导致的效率变化，此时可通过工况稳定后再进行判断，或者参考日常运行情况下的参数进行对比判断。机组在长时间运行过程中，可以通过建立数据库，记录负荷、上水调门开度、凝结水母管压力等数据，对凝结水系统总体效率进行统计，当系统运行较长时间后，可通过数据对比，发现设备或管路结垢或磨损问题，为检修提供了方便。

4、结束语

凝结水管路效率的计算能够在运行人员日常运行中给予指导，为机组实现节能减排提供帮助。机组在长期运行过程中发现系统效率下降较大时，可提前计划检修，避免造成能能量损失。

参考文献：

1. 袁寿其. 低比速离心泵理论与设计[M]. 北京:机械工业出版社.1996.

2. 国家技术监督局. GBT/13007-1991离心泵效率[S].北京:中国标准出版社,1991.