龍科
摘 要
汽輪機(jī)給水或者凝結(jié)水中溶解的氧氣和不凝結(jié)氣體會(huì)對(duì)熱力設(shè)備和管道造成腐蝕,并且影響傳熱效果,除氧器主要功能就是用來(lái)除去這些不凝結(jié)氣體,為汽輪機(jī)汽水回路的重要組成部分,一旦不可用,必然導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)檢修。本文簡(jiǎn)單介紹了我廠除氧器的結(jié)構(gòu),工作原理,功能,以近期出現(xiàn)的除氧器上水管線和除氧頭大幅度振動(dòng)事件為對(duì)象分析根本原因,并提出了相應(yīng)的緩解措施,保障機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
關(guān)鍵詞
除氧器;汽錘;汽化沸騰;水錘
中圖分類號(hào): TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.047
0 概述
2014年6月21日,一號(hào)機(jī)組除氧器液位低,操縱員手動(dòng)小開(kāi)度打開(kāi)上水閥對(duì)其上水,除氧頭振動(dòng)很大,靠近除氧頭位置的上水管線最大振幅達(dá)50厘米,導(dǎo)致除氧頭上水管線保溫層脫落如圖1,因上水管線震動(dòng)導(dǎo)致管線穿墻處大量固定磚塊水泥脫落如圖2,手動(dòng)關(guān)閉液位控制閥后,振動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱,7分鐘后停止。
另外機(jī)組自運(yùn)行以來(lái)發(fā)生過(guò)多次除氧器振動(dòng)事件,如2011年10月12日、13日,機(jī)組停運(yùn)后重啟,用主凝泵向除氧器上水后發(fā)生了兩次靠近除氧器的凝結(jié)水上水管道振動(dòng),同時(shí)與上水管道相連的除氧頭也出現(xiàn)振動(dòng)。
本文主要以2014年6月21日一號(hào)機(jī)組停運(yùn)檢修后重啟時(shí)發(fā)生的除氧器振動(dòng)過(guò)程為對(duì)象,分析振動(dòng)根本原因力求找到緩解措施。
1 除氧器介紹
1.1 除氧器結(jié)構(gòu)
除氧器由除氧頭和水箱組成。除氧頭是由堅(jiān)固的鋼板焊接而成,在除氧頭內(nèi)部的頂端有一個(gè)噴霧室,在中部有一個(gè)噴淋盤(pán),在噴霧室布置噴霧頭,在噴淋盤(pán)上配有用于分配給水和除氧的配水盤(pán)。噴霧頭的作用是將來(lái)水霧化,增加冷凝水與加熱蒸汽之間的接觸面積,強(qiáng)化換熱和除氧效果。給水通過(guò)噴霧頭進(jìn)入除氧器,噴霧頭在內(nèi)部水壓的作用下開(kāi)啟,將凝結(jié)水以很細(xì)的霧滴噴出。霧滴與加熱蒸汽逆向流動(dòng),充分接觸,對(duì)霧滴進(jìn)行加熱和除氧,當(dāng)霧滴層被加熱到飽和溫度時(shí),能達(dá)到很好的除氧效果。除氧頭橫截面如圖4。
除氧器水箱是一個(gè)帶圓穹形封頭的圓筒形碳鋼壓力容器,負(fù)荷變化時(shí),其容量能夠保證水位的變化迅速而平穩(wěn)。水箱中的水由不斷進(jìn)入的經(jīng)過(guò)加熱和除氧的新的給水代替,維持著飽和狀態(tài),機(jī)組負(fù)荷突降時(shí),能夠在一定程度上抑制內(nèi)部壓力的下降,除氧器還設(shè)有安全閥以防止超壓。
1.2 除氧器功能
我廠除氧器的主要作用是除去給水中的氧氣及其他不凝結(jié)性氣體,保證給水的品質(zhì),減少腐蝕,提高傳熱效率。同時(shí),除氧器本身又是給水加熱系統(tǒng)中的一個(gè)混合式加熱器,起到加熱給水,提高給水溫度的作用。
除氧器的工作原理是:一是物理除氧,即利用氣體的平衡溶解度和氣體轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)特性,分別利用享利定律和道爾頓分壓定律進(jìn)行除氣。二是熱力除氧,水中其他氣體的溶解度隨溫度的升高而降低。
1.3 除氧器壓力控制原理
除氧器運(yùn)行方式分為滑壓運(yùn)行和定壓運(yùn)行。定壓運(yùn)行時(shí)供除氧器的回?zé)岢闅鈮毫Ω哂诔跗鞯墓ぷ鲏毫Γ⒃O(shè)置專門(mén)的壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)節(jié)流調(diào)整。若汽輪機(jī)負(fù)荷降低到該級(jí)抽汽不能滿足除氧器定壓運(yùn)行要求時(shí),需切換到高一級(jí)抽汽,停止原來(lái)的抽汽,這種運(yùn)行方式可以使除氧效果和給水泵的安全運(yùn)行都得到保證,但是這是以犧牲熱經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的。我廠除氧器采用兩種方式結(jié)合運(yùn)行。
除氧器壓力太高導(dǎo)致除氧效果變差,壓力低導(dǎo)致汽水共振,主給水泵入口可能壓力低汽蝕損壞。除氧器頂壓蒸汽的壓力控制系統(tǒng)由2個(gè)壓力控制器和3個(gè)壓力控制閥以及壓力變送器組成。其中,控制器1控制5%容量控制閥,控制器2控制2個(gè)50%容量蒸汽控制閥。機(jī)組低負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)壓力控制器控制除氧器的壓力在設(shè)定值(173kPa)。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷升高到75%-85%時(shí),汽輪機(jī)抽氣供應(yīng)到除氧器并維持除氧器的壓力。隨著汽輪機(jī)抽氣的供應(yīng),控制閥緩慢全關(guān),操縱員再根據(jù)電廠總體控制程序調(diào)整除氧器壓力控制器設(shè)定值(235kPa)。
此次小修啟動(dòng)期間,主蒸汽還未投運(yùn),除氧器壓力是利用主給水泵自循環(huán)加熱給水維持除氧器壓力。
2 除氧器振動(dòng)危害
2.1 除氧器管線振動(dòng)的危
除氧器上水管道為碳鋼材料,雖然具有一定的強(qiáng)度和韌性,但是由于管道布置較長(zhǎng),從三號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水(94.7米標(biāo)高)出口到除氧器除氧頭(標(biāo)高125.25),并且中途經(jīng)過(guò)12處直角拐彎,當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度,加上共振的促進(jìn)作用,管道承受交變應(yīng)力,構(gòu)成金屬管道疲勞損傷的條件,就將在管道焊接處等薄弱部位產(chǎn)生裂紋甚至完全斷裂,造成除氧器失效,此次除氧器振動(dòng)時(shí)4#RCW泵軸承振動(dòng)最大值達(dá)7.016mm/s(正常小于2.5mm/s,報(bào)警值5.5mm/s)。
2.2 除氧頭振動(dòng)危害
除氧頭連接著噴霧頭,振動(dòng)造成噴霧頭與凝結(jié)水分配管焊接處開(kāi)裂,導(dǎo)致除氧器內(nèi)部的噴霧頭脫落,形成水柱,引起蒸汽的迅速凝結(jié),造成水擊,產(chǎn)生振動(dòng),長(zhǎng)時(shí)期振動(dòng)會(huì)引起其他噴頭脫落,使振動(dòng)加劇,形成惡性循環(huán)。同樣采用噴霧壓力式除氧器的山西神頭第二發(fā)電廠的500MW 捷制K-500-165型四缸雙背壓凝汽式汽輪機(jī)組曾經(jīng)發(fā)生除氧器內(nèi)部的噴霧頭脫落,所以除氧器振動(dòng)必須引起足夠重視。
3 振動(dòng)原因分析
此次除氧器振動(dòng)主要由于兩個(gè)方面引起:
1)除氧器本體振動(dòng)原因分析;
(1)除氧頭汽錘振動(dòng)
(2)除氧水箱汽水共騰
2)上水管線振動(dòng)帶動(dòng)除氧頭振動(dòng)。
下面結(jié)合此次振動(dòng)過(guò)程的現(xiàn)象,參數(shù)變化趨勢(shì)逐一分析。
3.1 除氧器本體振動(dòng)原因
3.1.1 除氧頭振動(dòng)
此次小修機(jī)組停運(yùn)后,凝結(jié)水補(bǔ)水不是連續(xù)補(bǔ)水,在除氧器補(bǔ)水前,除氧器內(nèi)部是一個(gè)穩(wěn)態(tài),汽水飽和(上水前除氧器溫度為142.91℃,壓力301.5kPa)高于正常運(yùn)行時(shí)除氧器參數(shù)(溫度140℃,壓力235kPa),壓力和溫度是通過(guò)主給水泵自循環(huán)來(lái)維持的,當(dāng)?shù)蜏啬Y(jié)水33.1℃進(jìn)入除氧器后,經(jīng)噴霧頭噴淋到除氧器上方的噴霧室,除氧頭附近蒸汽遇冷急劇凝結(jié)(其體積縮小1000倍)形成局部真空,周圍的蒸汽以很高的速度向真空區(qū)沖擊,局部壓力升高,形成強(qiáng)烈汽錘沖擊,產(chǎn)生很大的響聲和振動(dòng)。蒸汽凝結(jié)導(dǎo)致壓力下降,水溫大于此時(shí)壓力下的飽和溫度,除氧水頭內(nèi)的飽和水閃蒸,彌補(bǔ)蒸汽凝結(jié)所引起的壓力下降,而主給水泵的自循環(huán)持續(xù)為這一過(guò)程提供熱能。我廠主給水泵功率為4168kW,自循環(huán)運(yùn)行時(shí),將電能轉(zhuǎn)化為熱能加熱給水,不斷給除氧器內(nèi)的流體補(bǔ)充熱量,保持除氧器內(nèi)部處于飽和狀態(tài),下面做一簡(jiǎn)單估算:
Q=mcΔT
Q為泵總的發(fā)熱量,等于P×t=4168kW×1s;m為除氧器最大上水流量;c為水的比熱容4.2kJ/kg;ΔT為除氧器上水溫升(142.91-33.1)℃;
忽略泵的效率和管道除氧器散熱等因素主給水泵自循環(huán)可以滿足最大上水為9.04kg/s時(shí),維持除氧器內(nèi)部水處于飽和狀態(tài)。
結(jié)合發(fā)生振動(dòng)時(shí)除氧器的參數(shù)趨勢(shì)如圖5,除氧器液位低操縱員開(kāi)上水閥2%開(kāi)始補(bǔ)水,除氧頭區(qū)域蒸汽遇冷急劇凝結(jié)形成局部真空,造成汽錘,除氧器壓力下降而溫度仍高于飽和壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度,造成汽水共騰{1},引起除氧器振動(dòng)。除氧器壓力下降但是溫度沒(méi)有改變,因此除氧器振動(dòng)是由于除氧頭內(nèi)的汽錘和汽水共騰共同作用引起的,溫差越大越明顯,所以振動(dòng)幅度最大的位置應(yīng)該在除氧頭噴霧頭位置。
3.1.2 除氧器水箱振動(dòng)
當(dāng)?shù)蜏啬Y(jié)水噴入除氧頭,蒸汽遇冷急劇凝結(jié),導(dǎo)致除氧器內(nèi)部壓力降低,除氧水箱和淋水盤(pán)內(nèi)高溫水閃蒸,汽水共騰,引起除氧器振動(dòng),但是相對(duì)于除氧頭位置高溫差的地方振動(dòng)程度較小,且此次振動(dòng)除氧水箱下方振動(dòng)也不明顯。
3.2 除氧器上水管線振動(dòng)原因
3.2.1 管道內(nèi)部流體受阻產(chǎn)生水錘
當(dāng)除氧頭發(fā)生汽錘時(shí),在噴霧頭區(qū)域產(chǎn)生壓力波,壓力波的震蕩阻礙除氧器上水,除氧器的內(nèi)部壓力還會(huì)頂住噴霧裝置(與除氧器上水閥相連接的除氧頭噴霧裝置是由彈簧壓緊的一疊不銹鋼盤(pán)組成,它們?cè)趦?nèi)部水壓的作用下開(kāi)啟,噴出凝結(jié)水,噴淋頭裝置起到逆止閥的作用),阻止上水進(jìn)入除氧器,使凝結(jié)水上水流速突然變化,另外除氧器上水管道布置較長(zhǎng),從除氧器上水閥到除氧器除氧頭有32米,并且中途經(jīng)過(guò)12處90度轉(zhuǎn)彎,第三,噴霧裝置損壞起不到逆止閥作用,在不上水時(shí),除氧器內(nèi)部氣體進(jìn)入上水管線,導(dǎo)致管道不滿水,這點(diǎn)需要在除氧器停運(yùn)時(shí)檢查確認(rèn)。這三個(gè)因素都將加劇上水管線水錘振動(dòng)。
3.2.2 凝泵出口壓力變化
分析此次事件過(guò)程中凝泵出口壓力PI趨勢(shì),可以看出整個(gè)過(guò)程凝結(jié)水上水壓力穩(wěn)定,判定除氧器上水管線振動(dòng)不是由于凝泵出口壓力波動(dòng)引起水錘振動(dòng)。
3.3 結(jié)論
通過(guò)分析,再結(jié)合以往一號(hào)機(jī)組的大修,小修期間,對(duì)除氧器上水時(shí)的除氧器內(nèi)部溫度壓力趨勢(shì)圖進(jìn)行對(duì)比,得出此次一個(gè)最特殊的地方就是過(guò)早的投運(yùn)了主給水泵自循環(huán),導(dǎo)致上水前除氧器內(nèi)部溫度明顯偏高,上水溫度又低,所以溫差過(guò)大是此次除氧器振動(dòng)的原因。當(dāng)除氧器內(nèi)部溫度足夠高,且上水溫度偏低,足夠大的溫度差致使除氧頭噴霧裝置區(qū)域產(chǎn)生的汽錘,汽錘的沖擊足以使除氧頭上噴淋裝置關(guān)閉,阻礙除氧器上水,導(dǎo)致水錘。此次振動(dòng)主要發(fā)生在除氧頭和上水管線,上水管線靠近除氧頭位置振動(dòng)幅度最大,與分析一致。
4 緩解措施
1)低功率期間除氧器上水期間加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)除氧器的巡視,如果發(fā)生震動(dòng)現(xiàn)象,立即暫停補(bǔ)水;
2)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)避免過(guò)早投入主給水泵自循環(huán)導(dǎo)致除氧器溫度過(guò)高,如果除氧器已經(jīng)溫度過(guò)高,那么在對(duì)其上水前,采取措施給除氧器降溫減壓,打開(kāi)除氧氣排氣閥,排除一部分熱量到大氣或凝汽器(凝汽器真空投入的話)。
3)采用手動(dòng)非常小流量連續(xù)的補(bǔ)水方式,避免除氧器溫度迅速下降,確認(rèn)無(wú)振動(dòng)后再加大到下一個(gè)臺(tái)階,此次出現(xiàn)振動(dòng)停止后采用通過(guò)手動(dòng)緩慢每0.5%為一個(gè)輸出臺(tái)階對(duì)除氧器進(jìn)行補(bǔ)水,已證明此法可行。必要時(shí)先停運(yùn)主給水泵,待除氧器降溫降壓后對(duì)除氧器補(bǔ)水。
4)機(jī)組停運(yùn)檢修時(shí),重點(diǎn)對(duì)除氧器內(nèi)部的噴霧頭、擋汽板等易引起振動(dòng)的焊接構(gòu)件的焊縫連接處進(jìn)行檢查,必要時(shí)進(jìn)行金相檢查,有裂縫時(shí)及時(shí)挖補(bǔ)焊接。
5)針對(duì)可能的除氧器上水管道水錘導(dǎo)致振動(dòng)原因,機(jī)組檢修時(shí),對(duì)除氧器每一個(gè)噴霧裝置進(jìn)行檢查,防止上水管線不滿水。
6)對(duì)上水管線的所有固定支架檢查評(píng)估與改進(jìn),在此次振動(dòng)幅度最大的地方進(jìn)行加固。
注釋:
{1}蒸發(fā)表面(水面)汽水共同升起,產(chǎn)生大量泡沫并上下波動(dòng)翻騰的現(xiàn)象,叫汽水共騰。發(fā)生汽水共騰時(shí),水位表內(nèi)也出現(xiàn)泡沫,水位急劇波動(dòng),汽水界線難以分清;過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降;嚴(yán)重時(shí),蒸汽管道內(nèi)發(fā)生水沖擊。
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