机械密封冲洗液电导率调节试验研究

戴必柱，于晓宇，衡思宁，刘 壮，丁 驰

(1.无锡博伊特科技股份有限公司，江苏 无锡 214174) (2.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016) (3.南京航空航天大学无锡研究院，江苏 无锡 214174)

在大型火电厂的火力发电机组中，高压锅炉的给水泵是现代火力发电机组的重要辅助设备[1-3]。给水泵的机械密封主要由动环与静环这对密封元件构成[4-5]，在实际工作中，由于存在动环与静环之间摩擦生热以及泵送高温介质的热传导效应，为保证机械密封装置正常工作，需要向密封腔中注入冲洗液。当动环与静环相对高速旋转时，在两个端面之间会形成一层液体薄膜，这层液体薄膜主要起到润滑作用，兼具密封效果，防止介质泄漏。为了改善电厂锅炉供水装置等机械密封设备的工作环境，使用高性能的机械密封辅助冲洗系统十分必要[6]。机械密封辅助冲洗系统是给机封降温、改善机封工作环境最直接的方法[7]，能够很好地保护机械密封面，有效延长密封件的使用寿命，减少密封腔内液体的泄漏[8]。目前，行业内机械密封冲洗系统存在的主要问题是自动化、智能化水平不足，控制精度不高。此外，譬如电导率检测与控制等流程需要人工操作，费时、费力且无法实时、准确地实现冲洗液电导率的检测与控制。

针对以上问题，本文提出了一种机械密封装置辅助冲洗系统的冲洗液电导率检测与控制调节技术，并通过试验验证了该冲洗液电导率检测与控制调节系统可将冲洗液电导率控制在适当范围内，且控制精度满足项目应用要求，解决了人工调节冲洗液电导率低效、低精度的问题，实现了冲洗液电导率调节自动且精确地运行。

1 试验方案

1.1 冲洗液电导率调节介质

为了去除锅炉补给水中溶解的CO2和O2，避免对水管路和热力设备造成腐蚀，必须严格、准确控制补给水的pH值，使机组能够在最佳水汽质量下稳定运行。一般采取在补给水中添加氨水提高给水的品质，去除水中溶解的CO2和O2等杂质[9-10]。氨水呈碱性，能够提高补给水的pH值，并中和水中的游离CO2。从机械密封的结构原理可知，冲洗液在冲洗过程中存在一定程度的泄漏，从密封腔进入补给水中。冲洗液一般呈酸性，故需向冲洗液中注入氨水来调节冲洗液的电导率。冲洗液的电导率要求控制在7.0～7.5 μS/cm，且氨水在密封过程中还可作为润滑剂对密封元件起到冷却、减缓密封件磨损速度的作用。

1.2 试验装置及试验原理

机械密封冲洗液电导率检测与控制调节系统整套设备的工作原理如图1所示，为了提高密封腔中冲洗液电导率值的控制精度，将电导率值数据采集点设置在泵站的出口端，加药点设置在泵站的入口端，在加药点安装微量泵。

当冲洗液的电导率值低于系统设定的标准值时，电导率检测与控制调节系统中的氨水加注装置将向冲洗回路中注入弱碱性氨水溶液，进而保证冲洗液电导率值在稳定范围内。电导率检测与控制系统主要结构包括电导率仪、电导率控制器、微量泵、可编程逻辑控制器(PLC)、电磁阀、通信模组等。其中冲洗液电导率检测设备和氨水加注设备是该系统关键的两个设备，分别负责冲洗液电导率的检测与控制调节，在下面章节将详细介绍。

1.2.1电导率的检测

冲洗液的电导率是使用电导率仪测得的。电导率仪是电导率检测与控制系统中的关键设备，其具备检测精度高、传输速率快、耐高温等特性。电导率仪由两部分组成，即电导率电极和电导率控制器。由于电极传感器输出的电导信号PLC无法直接读取，因此需要电导率控制器将电极采集的电导信号转换成标准的PLC可读取数据，进而实现PLC对回路电导率数据的采集。根据电导率值范围以及电导率检测与控制系统的硬件框架设计要求，选用汉特恩 PT-30型电导率检测仪，具体参数见表1。

表1 汉特恩PT-30型电导率检测仪技术参数

1.2.2氨水加注装置

电导率检测与控制系统给水管路较细，管路阻力大、加药的速度较慢且精度要求较高，所以微量泵的选型需要兼顾微量、高精度、高压的特点。此外，现场工况复杂，微量泵作为关键设备必须具备一定的防尘防水能力。根据氨水浓度与电导率关系试验所确定的微量泵的流量应该不小于20 mL/h，由技术指标可知，泵站出口压力为6 bar，同时需要考虑加药管路中的管程压力损失[11]。在实际工况中，一般管路布局复杂，局部压力损失较难准确计算，通常可以采用经验值来估算局部压力，即按照沿程损失5%～10%计算，若管路中弯头等局部损失点较多，局部压力可以取得相对高些[12]，且加药回路的出口压力必须大于冲洗回路中加药点的压力。结合以上加药回路的管程压力损失，经综合计算分析，微量泵的出口压力需大于20 bar，因此选用意大利道茨A型微量柱塞泵，该泵的技术参数见表2。

表2 意大利道茨A型微量柱塞泵技术参数

1.3 氨水浓度与冲洗液电导率关系

冲洗液在机械密封冲洗回路中的温度是不断变化的，温度变化范围为20～50 ℃，冲洗液进入密封腔前温度较低，经过密封腔后冲洗液的温度上升到回路的最高温度区，冲洗液的入口电导率要维持在7.0～7.5 μS/cm，电导率大小主要取决于溶液中的离子浓度，而氨水在水中的电解程度又与温度有关，所以需要考虑的试验因素有氨水的浓度以及溶液的温度，而冲洗液电导率值则作为本试验的响应值。将氨水温度依次设置为20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃。氨水的浓度按照范围100～2 000 μg/L依次设置20个电导率采样点。若试验中发现设置的最大氨水浓度的电导率无法达到7.5 μS/cm，则再视具体情况增加更高浓度的氨水溶液试验采样点。在烧杯中将1%浓度的氨水溶液用蒸馏水稀释，分别制备浓度为100～2 000 μg/L、梯度为100 μg/L的20组氨水溶液，在不同的温度下分别测量其电导率值，表3所示为试验数据。

表3 不同温度及氨水浓度条件下的电导率测试值

2 试验结果与分析

2.1 氨水浓度与冲洗液电导率关系

分别取温度T为20 ℃、50 ℃时的试验数据，分析冲洗液电导率(D)与氨水浓度(M)的关系，以质量浓度为横坐标，电导率为纵坐标，将数据进行线性回归分析，处理得到的数据如图2所示。

分析图2可知，冲洗液电导率随氨水质量浓度的增加而增加，两者呈线性正相关。这是因为氨水溶液中载流子的数量随电解质浓度的增加而增加，所以电导率随之升高。在可信度95%的条件下，当T=20 ℃时，冲洗液电导率与氨水浓度的拟合直线方程为：

D=0.004M+2.287

(8)

当T=50 ℃时，冲洗液电导率与氨水浓度的拟合直线方程为：

D=0.004M+2.517

(9)

2.2 冲洗液电导率检测与控制系统加药精度试验分析

冲洗液电导率检测与控制系统采用“反馈—比较—执行”的闭环控制模式实现对冲洗液电导率值的精确控制，当检测到冲洗液电导率过低时，计算出将电导率调节到适当范围所需加注氨水体积后，启动氨水的加注程序，将冲洗液电导率控制在适当范围。通过氨水加注装置实际加注氨水体积得出电导率检测与控制系统的加药精度，以加药精度来判断该系统对冲洗液电导率调节精度。所选的氨水加注装置为意大利道茨A型微量柱塞泵，为了保证电导率的控制精度，采用了PWM脉冲信号加行程控制的方式。根据氨水浓度与电导率关系试验结果，泵的流量分别设置为20，25，30 mL/h。实际流量测试结果见表4。

图2 不同温度下冲洗液电导率与氨水浓度的关系

表4 冲洗液电导率检测与控制系统加药精度试验数据表

由于流量计算以及行程调节的原始误差，系统的控制精度存在一定误差。根据表4中数据计算得出3组试验的控制精度分别为97.0%、96.8%、95.2%，综合精度达到95%以上，满足项目应用需求。

3 结束语

高压锅炉中的给水泵机械密封装置作为现代火力发电组中重要的辅助设备，其所配套的辅助冲洗系统至关重要，是保障整个火力发电厂系统安全、平稳运行的重要工具。本文自主开发的冲洗液电导率检测与控制调节系统，实现了冲洗液电导率值的实时检测，并能够将电导率值控制在合适的范围内，很大程度上解决了人工调节冲洗液电导率时出现的低效率、低精度的问题，实现了冲洗液电导率调节的自动化。冲洗液电导率检测与控制系统的成功研制，弥补了热电厂锅炉给水泵机械密封辅助冲洗系统过去无法精确控制冲洗液电导率值的不足，该产品将作为企业未来的主打产品之一，可为众多企业创造新的利润增长点。