孙亮
华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030
摘 要：火电厂通常采用调节阀作为给水泵再循环控制阀，易卡涩，可靠性较低，易泄露，经济性较差。本文讨论采用气动截止阀作为给水再循环阀，利用机组负荷率作为控制参数，降低再循环系统造价，增加其可靠性。
关键词：给水泵再循环系统；快开快关型截止阀；负荷率控制；可靠性提升；低汽蚀
Improvement idea of water supply recirculation system of thermal power unit
Abstract: In thermal power plants, the control valve is usually used as the recirculation control valve of water supply pump, which is easy to jam, low reliability, easy to leak and poor economy. This paper discusses the use of pneumatic stop valve as water supply recirculation valve and the use of unit load rate as a control parameter to reduce the cost of recirculation system and increase its reliability.
Key words: feed water pump recirculation system; Quick opening and quick closing stop valve; Load rate control; Reliability improvement; Low cavitation
0 引言
为防止火电厂汽机给水泵产生过热及汽蚀，要求其运行在最小流量之上，为此设置了给水泵最小流量再循环系统，当锅炉主给水流量较低时，再循环阀打开使部分高压给水回流到除氧器。
给水再循环阀通常要承受非常大的压差，汽蚀严重，运行噪声及振动非常大，故障率较高。采用较多的调节阀，控制环节较多，可靠性较低。这里我提出了一些新设想，希望能对电厂有所帮助。
本文主要针对主给水泵一用一备不设启动水泵的电厂，其他系统可供参考。
1 常规再循环的类型及优缺点
1.1 自动机械再循环阀
使用自动机械再循环阀的系统，常见于燃气联合循环机组的高压给水泵。下图为德国Shroedahl自动再循环阀：
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图1 机械再循环阀
Fig.1 Mechanic recycle valve
此种阀门利用水流冲击力作为驱动关闭流量阀，利用弹簧复位开启流量阀。由于没有热工控制回路的参与，可靠性非常高。但机械式结构不可能做到快开或快关，因此虽然为多阀座多级节流，但由于加工精度及热膨胀差异问题，必然存在一个最后关闭的密封副承受巨大的节流压差，密封面汽蚀腐蚀严重。
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通常主给水泵出口压力较高，如电厂的启停较为频繁，再循环阀密封面很快吹损导致泄漏。事实上国内联合循环机组再循环基本上都会有不同程度的的泄漏，降低给泵的经济性。虽然该阀动作机构比较可靠，但一旦出现故障维修困难，国外配件也不易获得。
1.2 可调式再循环阀
使用调节阀的系统，该系统用于大部分火电机组，是一种成熟的再循环系统。控制原理为：测量主给水流量，如其小于泵最小流量，则逐步开启再循环流量调节阀，直到测得的再循环流量与主给水流量之和达到水泵最小流量为止。
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此种方式在常规电厂采用较多，优点是再循环流量连续可调，开闭对主给水压力冲击较小，可以按需调节再循环流量，低负荷经济性较好。
但调节阀缺点非常多，此处一一列举：
首先，可靠性较低，调阀为保证调节精度需要一定的阀芯提升行程，在阀前后压差较大时非常容易卡涩无法打开，造成水泵跳闸。
由于工作压差较大，工作环境恶劣，需要价格较高的专用调节阀来避免汽蚀，比如采用迷宫盘片层叠式阀套软硬密封结合的进口产品，但启停次数较多后同样无法避免泄漏问题。电厂的解决之道是增加电动截止阀，系统响应速度明显降低，可靠性也大为降低（由于压差大导致截止阀卡涩概率较大）。同时，由于需要两个流量测点参与控制，增加了调试难度，控制可靠性相应降低。
由于调阀不设置回差，在流量波动时会反复开闭，曾引起给水压力大幅扰动，造成锅炉水位异常跳机。
1.3 直通式再循环
采用固定的孔板的再循环系统，无任何控制阀门，始终保持一定的再循环流量。该方式安全性最高，对系统无冲击，但高负荷时水泵能耗较高。这种方式在进口设备中应用较多，受保护的泵价值较高，相对而言对能耗不敏感，在电厂的给泵系统应用较少，这里不再讨论。
2 给水泵再循环系统的基本要求
1）当给泵通流量下降到某个数值时，阀门须迅速打开，避免水泵汽蚀，当给泵通流量上升到某个数值时，阀门须迅速关闭，避免水泵耗能过大；
2）尽可能避免动作时给水压力波动超出给水调节阀调节能力，导致汽包水位剧烈波动；
3）尽可能避免回流量变化过大对除氧器造成大的冲击；
4）调节回路尽可能简单，避免动作不可靠导致的拒动或误动；
5）设备成本尽可能低。
从以上条件分析，现有的两种类型的流量再循环系统都存在着系统价格高，检修成本高，泄漏严重的问题。
3 给水再循环系统的新思路
3.1 再循环阀的改型的可行性
调节阀关闭不严，阀芯极易磨损，前后压差过大，必须使用特殊结构，价格比较昂贵。而如果直接选用带快关（快开）功能的气动（如大口径可选用液动）截止阀，就可避免以上问题。首先截止阀较为廉价，关闭严密，气（液）动执行器动作非常可靠，还可通过附加多级节流孔板或其他类型的防汽蚀装置来缓解阀芯磨损，延长检修周期（调节阀为保持调节特性一般不使用多级孔板减压）。
但截止阀动作时对给水压力会带来一些冲击，导致汽包水位有所波动，这也是调节阀被选用较多的原因之一。但仔细分析电厂常用的多级高压给泵，我们会有新的发现。以下为某型高压给泵的流量特性曲线：
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从该图可以看到，从30%至50%流量区间，水泵处于低效区，扬程变化仅35米不到，约为最大扬程的2%左右，这说明再循环动作时即使水泵出口流量变化20%，给水压力变化也仅在2%左右，对给水系统带来的冲击微乎其微。且气（液）动执行器通常能调节阀芯动作速率，能够在阀门响应及给水压力波动之间取得很好的平衡，动作时对除氧器的冲击也能保持在可接受的程度。
3.2 采用截止阀时旁路动作条件的选择：
3.2.1 采用主给水流量作为动作条件
使用主给水流量作为动作条件是最为直接且常规的方法，这里不再引入旁路流量参与控制。为避免旁路阀动作带来的流量扰动，必须加入一定的延时。
3.2.2 采用水泵出口压力作为动作条件
大型给水泵通常为多级离心泵，每个流量都对应一个水泵出口压力（水泵出口阀前），那么就可以使用压力高作为动作条件，但压力波动会大于流量波动，可靠性有所不足。
3.2.3 采用主给水调节阀的开度作为动作条件
一般来说主给水调阀开度与给水流量紧密相关，只需加上一定的延时及回差避免系统的频繁动作，无需额外测点，动作可靠。
3.2.4 采用机组负荷率作为动作条件
从系统的角度出发，最为完美，因为负荷率最为平稳，对给水流量代表性是最强的，作为关键参数，其准确度及可靠性都是最高的。
3.3 再循环管路流量的标定：
再循环管路设计特性要求在给水泵出口门全关时通流达到20%-40%的水泵额定流量（具体流量视水泵厂家要求而定），现场可以通过更换不同的节流孔板调节到所需流量然后予以固定。
3.4 多级流量孔板的使用：
原来采用了调节阀作为再循环阀时，为保证其调节特性不建议使用多级节流孔板。而截止阀配合合适的多级流量孔板，可大大降低节流噪音，减轻管道振动，延长截止阀芯的使用寿命。
4 最终理想选型
综上所述，给水再循环系统应采用由机组负荷率控制的气（液）动截止阀，配以多级节流孔板减压，使用固定的流量孔板标定再循环流量。如下图
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当采用上图的给水再循环系统时，当负荷率低于20%（暂定值）时，气动截止阀自动打开；当负荷率高于24%时气动截止阀自动关闭。选取负荷率这种关键参数作为动作参数，可以极大地提高再循环动作的可靠性，且负荷率在运行中波动较小，也能保证再循环阀门不会频繁动作，进而避免给水系统压力波动而导致的汽包水位及主汽温度大幅波动。由于多级节流孔板承担了大部分压降，截止阀的汽蚀也得到了极大缓解，使用寿命大大延长。同时由于系统节流大都位于多级节流孔板处，只需对其作简单降噪减震措施，可大大降低系统运行噪声。
当然该系统也存在缺点，当负荷低于20%时，由于再循环阀始终全开，泵的能耗要高一点。考虑到燃煤锅炉最低稳燃负荷在30%，该状态仅出现在机组启动时期，即使考虑汽机冷态冲转，持续时间也较短。而燃气联合循环机组仅在在启停机时会短暂处于该状态，一般正常运行可调负荷在70%以上，没有影响。所以总体来说能耗并不会增大许多，而系统可靠性大大提高。高负荷区由于阀门关闭严密，降低了水泵的功耗。
5 结束语
在常规火电中再循环系统对水泵的安全经济运行有着很关键的作用，原有再循环控制阀的选型及控制方式都存在者很多问题，多年来一直未有改进，电厂的检修成本及工作量都较大。
通过阀门改型，加上控制参数的改变，在实现原有功能的同时，在硬件及软件层面极大地简化了系统，提高了水泵运行的可靠性。
大容量机组采用双汽泵及启动电泵，再循环系统要考虑水泵切换，但沿用本文的思路仍可以作出较大改进，此处有待大家补充。
希望电力设计院的专家能来信交流，期待能为新建电厂设计创新有点小小的贡献。
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作者简介：
孙亮(1973—)，男，浙江省杭州市，工程师，大学本科，从事火力发电厂性能试验、运行优化工作（E-mail: liang-sun@chder.com）。