電廠低溫再熱蒸汽管道沖擊振動(dòng)原因分析與預(yù)防

楊大偉

（東亞電力（廈門）有限公司，福建廈門 361102）

0 引言

汽水管道是電力行業(yè)最常用的介質(zhì)輸送設(shè)備，主要用于輸送蒸汽、水、油以及其他氣體或液體等流體介質(zhì)。為了保證介質(zhì)輸送流量和速率要求，常采用帶壓輸送。介質(zhì)輸送壓力最高達(dá)到幾十兆帕，輸送速度最高可達(dá)60 m/s[1]。當(dāng)壓力管道中的水或蒸汽等流體遇到閥門突然開(kāi)啟或關(guān)閉、水泵突然啟動(dòng)或停運(yùn)、溫度急劇變化時(shí)，流體內(nèi)部壓力將發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生局部壓力差，流速發(fā)生瞬變，流體介質(zhì)部分能量轉(zhuǎn)換為管道振動(dòng)的動(dòng)能和變形能，導(dǎo)致管道強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)和噪聲，即常說(shuō)的水錘或水擊和氣錘[2]。

壓力管道瞬態(tài)沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理多種多樣，最常見(jiàn)的主要有流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)瞬變、氣液兩相流、介質(zhì)相變等[3]。壓力管道內(nèi)的流體正常流動(dòng)時(shí)會(huì)因?yàn)楣艿缽濐^、閥門及其他管道部件導(dǎo)致流體流向、流速改變，也會(huì)對(duì)管道本身產(chǎn)生持續(xù)性的反作用力，導(dǎo)致管道較高頻率的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，此時(shí)整個(gè)管道及流體構(gòu)成的系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。如果管道閥門突然關(guān)閉或打開(kāi)，水泵突然停運(yùn)或啟動(dòng)，介質(zhì)流速瞬變引起局部壓力差，由于流體本身的慣性，壓力差急劇增大。增大到一定程度后部分流體流向反向，與后續(xù)流體產(chǎn)生對(duì)沖，形成的強(qiáng)烈沖擊波在流體介質(zhì)內(nèi)來(lái)回傳播并引起管道強(qiáng)烈振動(dòng)和產(chǎn)生噪聲，此即流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)瞬變引起的沖擊振動(dòng)。

氣液兩相流容易引起管道水錘沖擊已成為普遍共識(shí)，當(dāng)蒸汽管道內(nèi)的凝結(jié)水沒(méi)有及時(shí)排除時(shí)，由于液體和氣體與管壁之間的黏度差別較大，液態(tài)流體流動(dòng)速度較小，氣態(tài)流體流動(dòng)速度較大，氣態(tài)流體帶動(dòng)液態(tài)流體向前運(yùn)動(dòng)形成“浪涌”。當(dāng)管道內(nèi)的液態(tài)流體量較大時(shí)，很容易形成水堵，作用相當(dāng)于瞬間關(guān)閉的閥門，從而引起強(qiáng)力的瞬態(tài)沖擊振動(dòng)[4-5]。另外，當(dāng)液體傳輸管道內(nèi)混入部分氣體介質(zhì)時(shí)，也容易引起水錘沖擊，氣團(tuán)在周圍液體作用下不斷地移動(dòng)、收縮、膨脹、破碎、結(jié)合，使得周圍液態(tài)水的流場(chǎng)發(fā)生劇烈變化，一方面增大水的流動(dòng)阻力，另一方面也造成水對(duì)周圍管壁壓強(qiáng)的不均勻作用引起管道強(qiáng)烈振動(dòng)[6-7]。

電廠中管道水擊現(xiàn)象常見(jiàn)于蒸汽管道、給水管道、循環(huán)水管道和疏水管道。但在蒸汽、給水管道中水擊發(fā)生的機(jī)理并不完全相同，相應(yīng)的處理防范措施也有差異。以某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站低溫再熱蒸汽管道的水擊為例，通過(guò)對(duì)流體溫度、壓力以及瓦振監(jiān)測(cè)信號(hào)的對(duì)比分析，結(jié)合閥門開(kāi)閉信號(hào)還原水擊產(chǎn)生的全過(guò)程，明確水擊產(chǎn)生的根本原因，并提出針對(duì)性的防范措施，防止類似事件重發(fā)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及事件描述

某燃機(jī)-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠采用F級(jí)燃機(jī)，燃機(jī)-發(fā)電機(jī)-汽機(jī)單軸配置。余熱鍋爐為HZ鍋爐集團(tuán)設(shè)計(jì)制造的三壓、再熱、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)、露天布置型余熱鍋爐，機(jī)組采用日起夜停兩班制運(yùn)行。機(jī)組低溫再熱蒸汽管道與高壓旁路管道的布置如圖1所示，低溫再熱蒸汽管道上游連接汽輪機(jī)高壓缸排氣口，下游連接鍋爐再熱器進(jìn)氣口，中間連接來(lái)自主蒸汽管道的汽輪機(jī)高壓缸旁路管道（高旁管道）。該管道高排逆止閥后設(shè)有上、下管壁溫度測(cè)點(diǎn)，高旁三通后設(shè)有流體溫度測(cè)點(diǎn)。管道坡度設(shè)置如圖1所示，豎直管段前管道坡向高排逆止閥并在高排逆止閥前、后均設(shè)置疏水裝置，豎直管段后管道坡向鍋爐并在管道低點(diǎn)設(shè)置疏水裝置。

圖1 低溫再熱蒸汽管道與高壓旁路管道

2016年12月21日機(jī)組檢修工作結(jié)束，計(jì)劃22日6:00并網(wǎng)發(fā)電，凌晨，運(yùn)行人員將鍋爐高壓汽包上水至啟動(dòng)水位。3:28低溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)上、下壁溫差大報(bào)警，該報(bào)警一直持續(xù)到6:03高旁閥開(kāi)啟后才消失，當(dāng)時(shí)運(yùn)行人員未發(fā)現(xiàn)此報(bào)警，沒(méi)有進(jìn)行檢查和處理。5:54機(jī)組并網(wǎng)，6:11汽機(jī)高壓缸8#軸瓦出現(xiàn)瞬間振動(dòng)高報(bào)警，報(bào)警即刻消失。6:53汽機(jī)SGC（Sub Group Control，汽輪機(jī)啟動(dòng)子組）程序停止不前，查看邏輯發(fā)現(xiàn)高排逆止閥后疏水閥本應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)卻顯示開(kāi)啟，DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）界面顯示高排逆止閥后疏水罐液位高報(bào)警，疏水閥頻繁動(dòng)作，機(jī)組停止沖轉(zhuǎn)并隨后停機(jī)。整個(gè)過(guò)程中相關(guān)信號(hào)的監(jiān)測(cè)曲線如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測(cè)信號(hào)曲線

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)：高排逆止閥閥前疏水管開(kāi)裂；高排逆止閥控制氣源管道斷裂；低溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)嚴(yán)重下沉，最大下沉量約30 cm；低溫再熱蒸汽管道多個(gè)支吊架變形損壞，管道多處保溫?fù)p壞，管道穿墻位置混凝土開(kāi)裂等現(xiàn)象。部分缺陷如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果及高壓缸8#軸瓦瓦振信號(hào)可以判斷，低溫再熱蒸汽管道曾發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)。沖擊振動(dòng)能量高，破壞性大，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)管道缺陷情況

2 沖擊振動(dòng)原因分析

根據(jù)高排閥后管壁溫度和高旁三通后流體溫度的變化曲線分析，低溫再熱蒸汽管道鍋爐側(cè)管段溫度比汽機(jī)側(cè)下降快，鍋爐側(cè)管段內(nèi)先開(kāi)始出現(xiàn)凝結(jié)水，大部分向鍋爐側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致鍋爐側(cè)溫度低，汽機(jī)側(cè)溫度相對(duì)較高。22日3:28少量凝結(jié)水流至高排逆止閥后管壁溫度測(cè)點(diǎn)處，導(dǎo)致下部管壁溫度降低，上、下壁溫差超過(guò)預(yù)警值開(kāi)始出現(xiàn)管壁溫差大報(bào)警，如圖2b）所示。但由于最初較少的凝結(jié)水被周圍較高溫度的管壁加熱蒸發(fā)，出現(xiàn)管道下部壁溫在130～148 ℃波動(dòng)，隨著凝結(jié)水量的增加，高排逆止閥后下部壁溫逐漸穩(wěn)定在119 ℃左右，同時(shí)，高排逆止閥后疏水閥開(kāi)始頻繁開(kāi)啟疏水，如圖2a）和圖2d）所示。

按正常運(yùn)行程序，高排逆止閥后管壁溫差大報(bào)警，提示管道內(nèi)部存在凝結(jié)水時(shí)禁止開(kāi)啟高旁閥。但由于運(yùn)行值班人員并未發(fā)現(xiàn)該報(bào)警，于6:01開(kāi)啟高旁閥，6:03高旁閥開(kāi)至33%開(kāi)度，相對(duì)高溫高壓的蒸汽從高壓旁路管道流入低溫再熱蒸汽管道后，低溫再熱蒸汽管道壓力逐漸升高，如圖4所示。剛開(kāi)始，低溫再熱蒸汽管道壓力的升高并未引起管道沖擊振動(dòng)，經(jīng)高壓旁路管道排放過(guò)來(lái)的蒸汽主要流向鍋爐側(cè)。當(dāng)管道內(nèi)壓力升高到一定程度之后，原本位于高排逆止閥至高壓旁路三通之間的蒸汽由于壓力超過(guò)其飽和蒸汽壓瞬間凝結(jié)形成低壓區(qū)，導(dǎo)致來(lái)自高壓旁路管道的蒸汽和三通后低溫再熱蒸汽管道內(nèi)的蒸汽瞬間逆流，沖向高排逆止閥，第一次沖擊振動(dòng)產(chǎn)生。三通后低溫再熱蒸汽管道內(nèi)的凝結(jié)水被逆流蒸汽帶入高排逆止閥后管段地位，三通后低溫再熱蒸汽管道流體溫度升高。沖擊過(guò)程中，管道大幅振動(dòng)，管道內(nèi)凝結(jié)水和蒸汽形成浪涌，加上管道下沉，高排逆止閥后上壁測(cè)溫點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間接觸到凝結(jié)水，溫度迅速下降。沖擊產(chǎn)生后，管道內(nèi)流體溫度、壓力逐漸達(dá)到新的平衡，由高壓旁路管道排放過(guò)來(lái)的蒸汽繼續(xù)提升低溫再熱蒸汽管道的壓力并主要流向鍋爐側(cè)。當(dāng)新的壓力高點(diǎn)再次達(dá)到高排逆止閥至高壓旁路三通之間管段內(nèi)蒸汽的飽和蒸汽壓時(shí)，管段內(nèi)蒸汽再次瞬間凝結(jié)，管道重復(fù)上述過(guò)程再次產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，直至不再具備條件為止。

圖4 高旁閥開(kāi)啟，管道產(chǎn)生沖擊振動(dòng)時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)

從圖2c所示高壓缸8#軸瓦的瓦振監(jiān)測(cè)曲線可以看出，從6:03到6:13，該管道連續(xù)產(chǎn)生了大量強(qiáng)度不一的瞬態(tài)沖擊振動(dòng)，之后管道不再發(fā)生沖擊振動(dòng)。整個(gè)過(guò)程中，低溫再熱蒸汽管道內(nèi)蒸汽壓力從0.11 MPa（表壓）升高到0.59 MPa（表壓），對(duì)應(yīng)的飽和溫度由120 ℃提高到165 ℃。此變化過(guò)程對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽比容、飽和水比容以及汽、水體積比如表1所示。從表1可以看出，同一溫度和壓力下，相同質(zhì)量的飽和蒸汽體積是飽和水體積的數(shù)百倍，當(dāng)蒸汽凝結(jié)成水時(shí)，體積瞬間減小形成低壓區(qū)。

根據(jù)上述分析可知，造成低溫再熱蒸汽管道沖擊振動(dòng)有以下兩方面的主要原因，一是運(yùn)行操作失誤，在監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)出低溫再熱蒸汽管道上、下壁溫差大報(bào)警，提示管道內(nèi)存在凝結(jié)水的情況下，運(yùn)行人員并未察覺(jué)該報(bào)警并開(kāi)啟高旁閥；二是低溫再熱蒸汽管道內(nèi)介質(zhì)參數(shù)與高壓旁路管道排出的介質(zhì)參數(shù)差別大，兩種不同參數(shù)的介質(zhì)迅速混合時(shí)，部分介質(zhì)發(fā)生相變，體積瞬間減小，介質(zhì)流速瞬間升高，在密閉的空間內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而引起管道的強(qiáng)烈瞬態(tài)沖擊。

3 預(yù)防措施及改進(jìn)意見(jiàn)

對(duì)可能產(chǎn)生凝結(jié)水的蒸汽管道，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在不經(jīng)常流通的蒸汽管道末端、管段低點(diǎn)和蒸汽引出管界區(qū)的閥前等位置合理設(shè)計(jì)疏水器，合理選擇疏水器類型，以確保管路中產(chǎn)生的凝結(jié)水能被及時(shí)排除，盡量避免在管道中形成兩相流。針對(duì)日起夜停的調(diào)峰機(jī)組，為了暖管保壓，一般不會(huì)保持疏水閥常開(kāi)狀態(tài)。在管道系統(tǒng)投運(yùn)前，更應(yīng)該嚴(yán)格核實(shí)管道內(nèi)是否存在過(guò)多凝結(jié)水。

表1 飽和蒸汽狀態(tài)參數(shù)

在任何運(yùn)行操作過(guò)程中，不宜將兩種參數(shù)差別較大的介質(zhì)相互混合。在準(zhǔn)備開(kāi)啟閥門將介質(zhì)從一個(gè)系統(tǒng)釋放到另一系統(tǒng)前，應(yīng)合理調(diào)節(jié)控制閥的開(kāi)度或投入單獨(dú)的暖管系統(tǒng)，對(duì)后一系統(tǒng)的管道進(jìn)行充分暖管，當(dāng)兩系統(tǒng)的介質(zhì)參數(shù)基本一致時(shí)再緩慢、逐步增大控制閥的開(kāi)度釋放介質(zhì)。避免兩種參數(shù)不同的介質(zhì)在管道內(nèi)快速混合，產(chǎn)生介質(zhì)相變或流速、壓力的瞬變而引起管道沖擊振動(dòng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電廠日趨智能化。目前，電廠重要設(shè)備及管道安裝了大量的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋設(shè)備及管道的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，輔助機(jī)組運(yùn)行與管理。運(yùn)行操作時(shí)應(yīng)充分利用監(jiān)測(cè)信號(hào)，及時(shí)了解設(shè)備及管道的異常情況，根據(jù)實(shí)際情況合理選擇運(yùn)行程序，避免執(zhí)行不適用于當(dāng)前狀態(tài)的運(yùn)行操作，減少事故的發(fā)生。

引起管道沖擊振動(dòng)的因素多種多樣，比如閥門的突然開(kāi)閉、泵的突然啟停、汽液兩相流、介質(zhì)相變、安全閥動(dòng)作、柱塞流、以及管道布置不合理或運(yùn)行操作不合理導(dǎo)致管路水封、汽封等。在大多數(shù)情況下，管道的沖擊振動(dòng)可以通過(guò)運(yùn)行操作程序的合理調(diào)整來(lái)避免，建議電廠將產(chǎn)生管道瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的各類因素及相關(guān)預(yù)防措施與運(yùn)行操作程序的編制與執(zhí)行充分融合，減少管道瞬態(tài)沖擊振動(dòng)事件的發(fā)生。

4 結(jié)論

通過(guò)綜合分析現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果和機(jī)組設(shè)備及管道的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)，根據(jù)管道溫度、管道壓力、閥門動(dòng)作以及汽輪機(jī)軸瓦瓦振等在線監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化，分析某電廠低溫再熱蒸汽管道產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理和詳細(xì)過(guò)程。闡明了該管道產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的根本原因是兩種不同參數(shù)的介質(zhì)快速混合，導(dǎo)致部分介質(zhì)相變引起密閉空間內(nèi)介質(zhì)流速和壓力瞬變所致。明確介質(zhì)相變是導(dǎo)致壓力管道瞬態(tài)沖擊振動(dòng)較常見(jiàn)的原因之一，并針對(duì)該類型的管道瞬態(tài)沖擊振動(dòng)提出預(yù)防措施，對(duì)同類型的管道沖擊振動(dòng)具有一定參考意義。