供热蒸汽锅炉给水系统优化设计的探讨

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摘要：变频调速作为交流电动机转速调节的最佳方法，越来越广泛地应用风机、水泵电机的控制；传统的设计应进行优化以适应这一技术的应用和发展。

关键词：变频调速，给水控制，汽蚀，安全工作区

市政供热锅炉的给水泵电机普遍采用变频器控制，用以调节锅炉给水流量；在对某100T/h燃煤蒸汽供热锅炉控制系统考察中，发现该热源站在运行中已将原来设计的给水泵出口流量调节阀拆除（炉前也没有流量调节阀）仅用变频器控制给水泵转速来调节给水流量；进一步了解发现其给水系统也取消了最小流量控制系统，而且运行人员反映仅靠变频控制，锅炉运行效果很好。

笔者通过锅炉给水系统设计原理的分析，对上述供热锅炉改造的合理性进行了分析。

传统发电工程的锅炉给水系统设计是基于以下原理：

无论采用哪种类型变速泵，保证泵的安全工作区是首先要考虑的问题。变速给水泵的安全工作区可以通过泵的流量—压力特性曲线表示出来，如图一所示。变速泵的安全工作区由6条曲线围成：泵的最高转速曲线nmax和最低转速曲线nmin；泵的上限特性曲线Qmin和下限特性曲线Qmax；泵最高出口压力Pmax线和最低压力Pmin线。

若泵的工作点在上限特性之外，则给水量太小，将使泵的冷却水量不够而引起泵的汽蚀，甚至振动。若泵的工作点在下限特性之外，则泵的流量太大，使泵的工作效率降低。此外，变速泵的运行还必须满足锅炉安全运行的要求，即泵的出口压力不得高于锅炉正常运行时的最高给水压力Pmax，也不得低于最低给水压力Pmin。

在锅炉启停或低负荷运行时，泵的工作点有可能落入上上限特性之外，为防止出现这种情况，工程中采用给水泵出口至除氧器水箱之间安装再循环管道，当泵的流量低于设定的最小流量时，打开再循环门，增加泵体内的流量，使低负荷阶段给水泵工作点在安全工作区内；负荷增加，给水流量高于设定值时，再关闭再循环管路。

变速泵的下限特性决定了不同压力下水泵的最大负荷能力。当锅炉负荷升到一定程度，给水量较大时，如果安全区较窄，则工作点可能会移到下限特性曲线之外，工程上可通过提高上水管道阻力，即关小泵出口流量调节阀门，以提高泵的出口压力，使工作点移如入安全区，如图二所示。滑压运行时设水泵的工作点在“a”点，泵的转速为n1，泵的出口压力为P2，给水流量为W1。当负荷增大给水量要求为W2时，如果通过开大给水调节阀门来增大给水流量则工作点将沿n1曲线由“a”点移到“c”点，落在安全工作区外。解决的办法是关小给水调节阀门，使泵出口压力升高，同时使水泵转速由n1增至n2，当给水流量打到负荷要求数值时，工作点将由由“a”点移到“b”点，不会滑到安全工作区外，保证了给水泵的安全运行。

因而，锅炉给水全程控制系统应包含以下三个子系统：

1.给水泵转速控制系统。根据锅炉负荷要求控制给水泵转速，改变给水流量。

2.最小流量控制系统。低负荷时，通过增大水泵再循环流量的办法维持水泵流量不低于设计要求的最小流量值。

3.给水泵出口压力控制系统。通过控制给水调节阀，维持给水泵出口压力，保证给水泵工作点不落在最低压力Pmin线下和下限工作特性曲线之外。

上述论述应该是传统设计中给水系统工艺管道设计、设备选型的指导思想，具体设计中也长期坚持这个原则。

前面例举的供热单位仅靠变频调节泵实现流量（水位）控制，而且运行中反映调节效果又很好，说明这种方式在具体应用中有值得推广的地方，也是有一定理论依据的。

水泵遵循如下规律：流量W与转速n成正比，扬程（压力）H与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比。按照这个理论，在水泵允许最大功率和转速条件下，提高转速能够同时增加泵出口的流量和压力，压力提高的速率更快。所以依靠变频调速技术通过提高转速增加供水量理论上是完全可行的。如图二中所示，变频器可以控制电机（水泵）转速从n1平滑上升到n2，上升过程中流量和压力数值也可沿曲线“ab”由上升到“a”点上升到“b”点，实现给水泵整个安全区内的平滑调节；理论上讲流量W与转速n成正比，扬程（压力）H与转速n的平方成正比，则流量与压力之间应该呈比例关系，图二中曲线“ab”应该近似为一条直线；实际运行中可将流量、压力数据对应点标注在图二中，验证泵出口流量与压力的关系。

这个关系说明，利用变频器转速控制，可以实现给水全程控制三个子系统中两个子系统的控制要求。

调节阀调节水量还存在下列缺点：在负荷较高时给水调节阀应该在全开位置，为了提高压力而关小调节阀会使给水量减少，与期望增大给水流量的目的相左，整个系统的快速响应性不如变频调速；调节阀两侧产生的压差除了增加能耗还容易引起阀门的汽蚀而损坏。

目前，变频调速已成为交流电动机转速调节的最佳方法，变频调速能很好的实现异步电动机的无极调速；可方便的进行恒转矩调速和恒功率调速；调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬；水泵采用变频调速后，给水流量、出口压力的调节都可通过改变转速的方法来实现，既能够方便地调节流量，又可降低能量消耗。

随着变频器技术的发展，其性价比、可靠性都大幅提高，采用了变频调速对给水泵控制机组，供热使用单位在使用中逐渐放弃调节阀的使用。然而设计中并不能一概取消调节阀的设置。上述供热锅炉与发电机组的锅炉相比，其负荷主要受昼夜交替和环境温度的影响，对汽包水位控制的实时性快速性也都远远低于发电机组的锅炉，运行人员反映仅靠跟踪锅炉出口蒸汽流量调节给水就能满足水位控制的要求。

通过上面的论述笔者认为，在供热锅炉控制系统设计中利用变频器调节功能，取消用调节阀调节水量的设置是值得推广的；但是要注意给水系统的形式应为单元供水形式或者运行时可切换为锅炉单元供水的形式。变频给水泵虽可以实现宽范围流量调节和出口压力控制，但是并没有解决低流量汽蚀的问题。上面例举供热工程中取消了最小流量控制而运行人员并未反映出现设备问题，笔者分析：汽蚀问题反映在设备上，运行人员一般难以发现；供热工程的运行、检修、员工情况不同，锅炉供热季极少出现给水流量低于最小流量的情况，使得汽蚀问题未显现或者被忽视。所以在没有充分论证前，从设备安全性和系统完善性考虑，笔者认为设计者还是应该保留最小流量的系统设计。

本文得到原西北电力设计院教授级高工李永乐先生的订正特表示感谢！

参考文献:

[1]《热工控制系统》——中国电力出版社

[2]《锅炉给水泵出口调节阀气蚀现象分析及措施》——调节阀信息网