冷再熱蒸汽管道水擊事故探討

肖慧杰，張雪松

(內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

1 機組概況

內蒙古京能盛樂2×350 MW冷熱電聯供機組工程2015年開建，規(guī)模為2×350 MW超臨界機組．位于雅達牧盛樂現代服務業(yè)集聚區(qū)。汽輪機為一次中間再熱、采暖調整抽汽、間接空冷凝汽抽汽式，超臨界、直流煤粉鍋爐與之匹配。采用側煤倉布置，同步建設石灰石－石膏濕法煙氣脫硫、SCR煙氣脫硝設施，首次采用大型燃煤機組冷、熱、電聯供和三塔合一、兩機一塔等新技術，是呼和浩特市盛樂現代服務業(yè)聚集區(qū)發(fā)展云計算產業(yè)的重點配套項目。

2 水擊分析

京能盛樂工程2號機組調試中冷再熱蒸汽管道爆發(fā)震動事故，造成部分支吊架損壞、失效和孔洞處保溫變形、破裂。事故發(fā)生在1號機組順利通過168 h試運行后、2號機組首次空負荷冷態(tài)整套啟動階段，主要是由于調試不當造成管內水擊。

水擊表象為管道強烈震動、尖銳噪音，屬偶發(fā)事故。蒸汽管道水擊波的沖擊力可能達到額定工作壓力的幾十倍甚至幾百倍。當管道水擊產生的震動與管道結構系統的固有頻率相同或接近時會形成共振，此時管道水擊破壞力最大，可能嚴重破壞管道及其附件。

水擊發(fā)生在無可視措施的密閉管道內，無法直觀。以本工程冷再熱蒸汽管道震動事故為例，依據水擊震動表象再現管內水擊形成、爆發(fā)時的狀況。

2.1 事故回放

汽輪機整套啟動分為汽輪機空負荷整套試運、帶負荷整套試運及滿負荷整套試運三個階段。2號機組首次冷態(tài)空負荷整套啟動，8點30分鍋爐點火，調試操作記錄見表1。

表1 鍋爐點火調試操作記錄

2.2 主汽、再熱和旁路流程

汽輪機設有高、低壓二級串聯旁路。冷態(tài)啟動時主汽通過高旁閥，經冷再進入鍋爐低溫再熱器，高溫再熱器出口蒸汽通過低旁閥入凝汽器，見圖1。旁路容量為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(B－MCR)的40%。主汽、再熱和旁路的設計參數見表2。

表2 主汽、再熱和旁路設計參數

2.3 管道布置和損傷

冷再熱蒸汽管道布置、疏水點、安全閥、支吊架、水擊爆發(fā)點(A、B、C、D、E、F1、F2、G1、G2)、坡度方向等見圖 2 。

圖1 主汽、再熱和旁路流程

冷再熱蒸汽管道支吊架共28套，其中剛性有11號剛吊、17號剛吊，限位有16號軸向，阻尼器有901、902號阻尼器，其余支吊架為彈性。

2.3.1 汽機房區(qū)域

高壓缸接口至B點管段：支吊架損傷小，B點附近管道穿汽機房墻孔處保溫受壓變形。

2.3.2 爐前低封區(qū)域

BC、CD、DE管段：BC管段7號恒吊管部變形，翼板上翹、螺栓崩脫，見圖3(a)；CD管段8號恒吊恒力簧根部螺栓崩脫，見圖3(b)；9號恒吊根部型鋼向汽流方向扭曲變形，見圖3(c)；DE管段11號剛吊根部型鋼多方向嚴重扭曲變形，見圖3(d)；12.6 m運轉層(7號恒吊標高15.0 m)管道開孔處保溫損壞。

2.3.3 鍋爐房區(qū)域

EG1、EG2管段：12號、13號、14號、15號4組彈吊拉桿塑性變形粗細不均、松懈失效；901、902號阻尼器位移至最大值行程處；16號軸向限位裝置拉撐桿斷裂，見圖3(e)；從G1、G2點至低溫再熱器接口管段支吊架無明顯損傷。

綜上，管道支吊架和設備接口約束管道震動，特別是受損恒吊、剛吊、軸向限位和承受安全閥偶然荷載的阻尼器在管道震動事故中起到約束震幅、減震的主要作用，降低了管材發(fā)生塑性變形、撕裂的風險。

圖3 吊架與限位

2.4 水擊成因分析

冷再熱蒸汽管道形成水擊的原因是多方面的，如調試措施不當；疏水管路數量偏少、規(guī)格偏小、流通不暢，未開疏水閥；暖管不充分；高、低旁閥管路開度不當；高旁減溫水管路泄漏等。

調試記錄顯示10:03冷再熱蒸汽管道無壓力、管內介質為凝結水、管道預暖不充分的情況下，高旁閥開度從15%到25%，形成大流量遒勁蒸汽攜凝結水在冷再熱蒸汽管道內快速流動，冷凝水慣性大，在彎頭、三通、管道收縮部位流動受阻形成水擊。

根據水擊破壞力強弱，可分為水擊初段、中段、末段，中段破壞最嚴重。以水擊力為單位，AB為初段，A點約為0.5個水擊力、B點約為1個水擊力；CD、DE為中段，C、D、E點約為2～3個水擊力；EG1、EG2為末段，G1、G2點約為1～2個水擊力。

2.4.1 初段形成區(qū)

蒸汽從高旁閥至未充分預暖的冷再熱蒸汽管道中沿程凝結。高旁閥開度從15%到25%，大量高速蒸汽攜帶管內凝結水流動，凝結水依次流經彎頭及三通A點、彎頭B點發(fā)生水擊。隨著凝結水水量增加、流速提高，水擊力也加大，即A點小于B點水擊力。水擊引發(fā)管道軸線方向震動，如水擊爆發(fā)點B使管線向+Y向偏離，在外界牽制力作用下隨后引發(fā)±Y雙向震動。另高旁減溫水管路泄漏加劇管內積水，是水擊形成誘因之一。冷再熱蒸汽管道設計K 、M兩條疏水管道，見圖2。冷態(tài)空負荷整套啟動階段止回閥關閉，冷再熱蒸汽管道上唯一疏水管路K事故狀態(tài)下勢必超負荷。

2.4.2 中段爆發(fā)區(qū)

B點水擊后，汽攜水行至彎頭C點再次爆發(fā)水擊，導致管線向介質流向+Z偏離，繼而±Z震動。隨著凝結水流量、流速持續(xù)增大，蒸汽在沿程損耗中仍有足夠的攜帶能力持續(xù)在D點、E點依次爆發(fā)水擊，引發(fā)沿管線軸向的強烈震蕩，導致7號恒吊、8號恒吊、9號恒吊、11號剛吊、12～15號彈吊損壞，承受安全閥起跳偶然荷載的901、902號阻尼器至最大行程值。

2.4.3 末段削弱區(qū)

末段汽攜水能力削弱，水擊力減小。因EG1=10.8 m，EG2=13.4 m，可見EG1、EG2在同一直線上且管段長度相差不大，G1、G2點水擊爆發(fā)時間間隔小、水擊力大小約等而方向相反，故 G1、G2點先后引發(fā)管線±X向震動隨即互相制約，表現在16號軸向限位裝置拉撐桿斷裂。過渡段收縮點F1、F2，因等距(EF1= EF2)、水擊力約等而方向相反，作用力抵消可忽略。

2.5 現場解決方案

水擊后冷再熱蒸汽管道管材金屬檢測合格，不需拆除替換；對配套管道支撐6～15號共10套吊架、16軸向限位裝置重新整套訂貨，貨到后進行拆除替換；對未整套訂貨支吊架的恒力簧進行測試校驗，更換失效恒力簧；修復變形、損壞部位的管道保溫。

3 避免水擊的幾點探索

水擊事故破壞管道及其附件，延誤工期經濟受損，甚至造成人員傷亡。冷再熱蒸汽管道屬一級壓力管道，事故糾責調試、設計兩方非此即彼。

3.1 調試

相同兩臺機組兩個不同的調試單位，1號機組順利通過168 h試運行，但是2號機組冷再熱蒸汽管道發(fā)生水擊事故。

3.1.1 調試記錄分析

從表1 鍋爐點火調試操作記錄分析：

(1)低旁閥開度大是冷再無壓力的主因。

(2)冷再無壓力8:30～10:01時段高旁69.4～91.5℃為凝結水溫，顯然冷再熱蒸汽管道未充分預暖。

不當操作一：10:01高旁閥從10%開大至15%，高旁89.9～91.5℃為不飽和水溫；

不當操作二：10:03即2分鐘后高旁閥從15%開大至25%，高旁126℃為蒸汽溫度。

10:01～10 :03時段高旁閥從10%開大至25%，大流量蒸汽攜帶管內凝結水在流動受阻處形成水擊。

(3)高旁閥減溫水管路操作不當。高旁減溫水管路隔斷閥提前開啟，調節(jié)閥關閉不嚴減溫水泄漏，是冷再無壓力、溫度低的原因之一。

3.1.2 調試建議

針對本機組冷態(tài)空負荷整套啟動的調試操作，提出如下建議：

(1)高低旁閥：緩慢開啟高旁閥，對高旁后管道充分預暖，低旁閥微開。

(2)高旁操作：暖管結束后，視鍋爐燃燒情況逐漸開大高旁閥；當高旁后溫度升高至300℃(在飽和蒸汽溫度值和設計溫度值范圍內可變，269.7℃＜T＜347℃)后，投入高旁減溫水；減溫水管路投運前隔斷閥不得開啟。

(3)低旁操作：投入低旁減溫水保持低旁管路小于160℃(管道設計溫度)；投入高、低壓旁路壓力、溫度自動。

3.2 設計

冷再熱蒸汽管道設計的技術難點、要點是管道一二次應力合格、管系剛度適宜、設置疏水管路防汽輪機進水?；鹆Πl(fā)電廠四大汽水管道相互比較，冷再熱蒸汽管道顯著特征是介質參數低、流量大、流速高，最易產生汽攜水流動而引發(fā)管內水擊、汽輪機進水等事故，故其疏水管道設計優(yōu)劣與機組安全性緊密相連。京能盛樂2號機組冷再熱蒸汽管道水擊事故與其疏水管路數量少、排水通暢程度不高有關。

3.2.1 規(guī)程條文

冷再熱蒸汽管道疏水設計主要規(guī)程條文如下：

(1)《火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(guī)定》DL/T 5054－1996條文：“水平管道上每隔100～150 m處”設啟動疏水、“蒸汽管道坡度方向，宜與汽流方向一致”、“對于啟動過程中可能出現負壓的蒸汽管道，其疏水必須接至本體疏水擴容器或凝汽器”。DL/T 5054－1996于2016年廢止。

(2)《電廠動力管道設計規(guī)范》GB 50764－2012條文：“管道展開長度超過100 m設置疏水點”、“疏水坡度方向必須順汽流方向”、“每個疏水點應單獨接至疏水擴容器或凝汽器”。

(3)《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》DL/T 5054－2016條文：“管道展開長度超過100 m設置疏水點”、“疏水坡度方向應順汽流方向”、“每個疏水點應單獨接至疏水擴容器或凝汽器”。DL/T 5054－2016于2016年發(fā)布實施。

對比規(guī)程DL/T 5054－1996和規(guī)程GB 50764－2012，冷再熱蒸汽管道疏水管路數量增多，疏水管路引接更明確、嚴格。規(guī)程DL/T 5054－2016與規(guī)程GB 50764－2012關于冷再熱蒸汽管道疏水管道的設計要求一致。

3.2.2 疏水管道設計

(1)冷再熱蒸汽管道疏水坡度方向和疏水管路數量。冷再熱蒸汽管道管內介質是從低位汽輪機高壓缸流向高位鍋爐再熱器。從圖2 冷再熱蒸汽管道示圖中可見管道坡度方向：汽機房內高壓缸出口坡向B點的管段為順汽流，其余管段均從高位坡向低位為逆汽流，符合《火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(guī)定》DL/T 5054－1996對疏水坡度方向“宜與汽流方向一致”的要求，這樣設計的優(yōu)點是疏水點少、疏水管路設計量少，管系中僅須設計K、M兩條疏水管路。

若執(zhí)行《電廠動力管道設計規(guī)范》GB 50764－2012中條文 “必須順汽流方向”、“管道展開長度超過100 m設置疏水點”的要求，還須在CD管段D點側、鍋爐入口G1H1管段H1點側、G2H2管段H2點側各增設一條疏水管路，聯合原有K、M兩條疏水管路，管系共須設計5條疏水管路并單獨接至疏水擴容器或凝汽器，疏水管道設計工作量、耗材量驟增。

京能盛樂工程施工圖設計在2013～2014年間，冷再熱蒸汽管道的疏水管道設計按《火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(guī)定》DL/T 5054－1996執(zhí)行，若執(zhí)行《電廠動力管道設計規(guī)范》GB 50764－2012的條文要求設置5條疏水管路，管內疏水能更及時、迅速、通暢排出，可強有效縮短冷再熱蒸汽管道暖管時間、降低水擊事故發(fā)生的概率和破壞強度。

(2)疏水管路的引接。汽輪機冷態(tài)空負荷整套啟動，冷再熱蒸汽管道止回閥關閉，從圖1主汽、再熱和旁路流程圖中，高旁閥接口至低溫再熱器接口的冷再熱蒸汽管道僅有一路疏水管路K引接至有壓放水管道，與單獨接至疏水擴容器或凝汽器相較，疏水的流暢性變差。K點疏水管路的水平段U型布置也是引發(fā)疏水流暢性不佳的因素。疏水管路引接點不當和疏水管路布置簡潔流暢度不足，均不利于削弱冷再熱蒸汽管道水擊破壞力。

2016年《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》DL/T 5054－2016頒布實施，同步廢止DL/T 5054－1996，至此兩本規(guī)范對冷再熱蒸汽管道疏水管道設計要求統一為：疏水坡度方向全部順汽流且每個疏水點應單獨接至疏水擴容器或凝汽器。貫徹執(zhí)行中存在疏水管路設計量重、疏水耗材量增的困難，目前仍有避重就輕執(zhí)行DL/T 5054－1996的現象存在，吸取事故教訓應堅決杜絕這種慣性設計。

3.2.3 高、低旁減溫水管路

高、低旁減溫水管路一般設置有調節(jié)閥、隔斷閥。建議在調節(jié)閥前、后均設置隔離閥，降低減溫水管路泄漏概率。

3.2.4 熱控措施

冷再熱蒸汽管道設帶水位測點的疏水收集器。熱控應設液位開關、液位高開疏水門、液位低關疏水門等，并應在主控室設指示信號。

4 結語

冷再熱蒸汽管道水擊事故輕則經濟損失、重則人員傷亡。避免冷再熱蒸汽管道水擊事故，調試方試運前須對系統、布置熟稔于心，并匹配、調整、細化調試綱領；調試過程中監(jiān)測管道介質參數，根據介質運行參數分析結論確定操作措施、調試進度，切忌隨意、簡單粗暴的調試行為；設計嚴格執(zhí)行“疏水坡度方向應順汽流方向”、“每個疏水點應單獨接至疏水擴容器或凝汽器”等規(guī)范，切忌慣性設計、對規(guī)程規(guī)范條文避重就輕的設計行為。嚴謹的調試、設計行為相輔相成，能避免事故的發(fā)生或減輕事故破壞程度，反之互埋隱患，加大事故發(fā)生概率。