电厂低温再热蒸汽管道冲击振动原因分析与预防

杨大伟

（东亚电力（厦门）有限公司，福建厦门 361102）

0 引言

汽水管道是电力行业最常用的介质输送设备，主要用于输送蒸汽、水、油以及其他气体或液体等流体介质。为了保证介质输送流量和速率要求，常采用带压输送。介质输送压力最高达到几十兆帕，输送速度最高可达60 m/s[1]。当压力管道中的水或蒸汽等流体遇到阀门突然开启或关闭、水泵突然启动或停运、温度急剧变化时，流体内部压力将发生急剧变化而产生局部压力差，流速发生瞬变，流体介质部分能量转换为管道振动的动能和变形能，导致管道强烈的冲击振动和噪声，即常说的水锤或水击和气锤[2]。

压力管道瞬态冲击振动产生的机理多种多样，最常见的主要有流体运动状态瞬变、气液两相流、介质相变等[3]。压力管道内的流体正常流动时会因为管道弯头、阀门及其他管道部件导致流体流向、流速改变，也会对管道本身产生持续性的反作用力，导致管道较高频率的稳态振动，此时整个管道及流体构成的系统处于动态平衡状态。如果管道阀门突然关闭或打开，水泵突然停运或启动，介质流速瞬变引起局部压力差，由于流体本身的惯性，压力差急剧增大。增大到一定程度后部分流体流向反向，与后续流体产生对冲，形成的强烈冲击波在流体介质内来回传播并引起管道强烈振动和产生噪声，此即流体运动状态瞬变引起的冲击振动。

气液两相流容易引起管道水锤冲击已成为普遍共识，当蒸汽管道内的凝结水没有及时排除时，由于液体和气体与管壁之间的黏度差别较大，液态流体流动速度较小，气态流体流动速度较大，气态流体带动液态流体向前运动形成“浪涌”。当管道内的液态流体量较大时，很容易形成水堵，作用相当于瞬间关闭的阀门，从而引起强力的瞬态冲击振动[4-5]。另外，当液体传输管道内混入部分气体介质时，也容易引起水锤冲击，气团在周围液体作用下不断地移动、收缩、膨胀、破碎、结合，使得周围液态水的流场发生剧烈变化，一方面增大水的流动阻力，另一方面也造成水对周围管壁压强的不均匀作用引起管道强烈振动[6-7]。

电厂中管道水击现象常见于蒸汽管道、给水管道、循环水管道和疏水管道。但在蒸汽、给水管道中水击发生的机理并不完全相同，相应的处理防范措施也有差异。以某燃气-蒸汽联合循环电站低温再热蒸汽管道的水击为例，通过对流体温度、压力以及瓦振监测信号的对比分析，结合阀门开闭信号还原水击产生的全过程，明确水击产生的根本原因，并提出针对性的防范措施，防止类似事件重发。

1 系统简介及事件描述

某燃机-蒸汽联合循环电厂采用F级燃机，燃机-发电机-汽机单轴配置。余热锅炉为HZ锅炉集团设计制造的三压、再热、卧式、无补燃、自然循环、露天布置型余热锅炉，机组采用日起夜停两班制运行。机组低温再热蒸汽管道与高压旁路管道的布置如图1所示，低温再热蒸汽管道上游连接汽轮机高压缸排气口，下游连接锅炉再热器进气口，中间连接来自主蒸汽管道的汽轮机高压缸旁路管道（高旁管道）。该管道高排逆止阀后设有上、下管壁温度测点，高旁三通后设有流体温度测点。管道坡度设置如图1所示，竖直管段前管道坡向高排逆止阀并在高排逆止阀前、后均设置疏水装置，竖直管段后管道坡向锅炉并在管道低点设置疏水装置。

图1 低温再热蒸汽管道与高压旁路管道

2016年12月21日机组检修工作结束，计划22日6:00并网发电，凌晨，运行人员将锅炉高压汽包上水至启动水位。3:28低温再热蒸汽管道出现上、下壁温差大报警，该报警一直持续到6:03高旁阀开启后才消失，当时运行人员未发现此报警，没有进行检查和处理。5:54机组并网，6:11汽机高压缸8#轴瓦出现瞬间振动高报警，报警即刻消失。6:53汽机SGC（Sub Group Control，汽轮机启动子组）程序停止不前，查看逻辑发现高排逆止阀后疏水阀本应处于关闭状态却显示开启，DCS（Distributed Control System，分散控制系统）界面显示高排逆止阀后疏水罐液位高报警，疏水阀频繁动作，机组停止冲转并随后停机。整个过程中相关信号的监测曲线如图2所示。

图2 在线监测信号曲线

现场勘查发现：高排逆止阀阀前疏水管开裂；高排逆止阀控制气源管道断裂；低温再热蒸汽管道出现严重下沉，最大下沉量约30 cm；低温再热蒸汽管道多个支吊架变形损坏，管道多处保温损坏，管道穿墙位置混凝土开裂等现象。部分缺陷如图3所示。根据现场勘查结果及高压缸8#轴瓦瓦振信号可以判断，低温再热蒸汽管道曾发生过强烈的冲击振动。冲击振动能量高，破坏性大，对机组的安全稳定运行造成了严重威胁。

图3 现场管道缺陷情况

2 冲击振动原因分析

根据高排阀后管壁温度和高旁三通后流体温度的变化曲线分析，低温再热蒸汽管道锅炉侧管段温度比汽机侧下降快，锅炉侧管段内先开始出现凝结水，大部分向锅炉侧流动，导致锅炉侧温度低，汽机侧温度相对较高。22日3:28少量凝结水流至高排逆止阀后管壁温度测点处，导致下部管壁温度降低，上、下壁温差超过预警值开始出现管壁温差大报警，如图2b）所示。但由于最初较少的凝结水被周围较高温度的管壁加热蒸发，出现管道下部壁温在130～148 ℃波动，随着凝结水量的增加，高排逆止阀后下部壁温逐渐稳定在119 ℃左右，同时，高排逆止阀后疏水阀开始频繁开启疏水，如图2a）和图2d）所示。

按正常运行程序，高排逆止阀后管壁温差大报警，提示管道内部存在凝结水时禁止开启高旁阀。但由于运行值班人员并未发现该报警，于6:01开启高旁阀，6:03高旁阀开至33%开度，相对高温高压的蒸汽从高压旁路管道流入低温再热蒸汽管道后，低温再热蒸汽管道压力逐渐升高，如图4所示。刚开始，低温再热蒸汽管道压力的升高并未引起管道冲击振动，经高压旁路管道排放过来的蒸汽主要流向锅炉侧。当管道内压力升高到一定程度之后，原本位于高排逆止阀至高压旁路三通之间的蒸汽由于压力超过其饱和蒸汽压瞬间凝结形成低压区，导致来自高压旁路管道的蒸汽和三通后低温再热蒸汽管道内的蒸汽瞬间逆流，冲向高排逆止阀，第一次冲击振动产生。三通后低温再热蒸汽管道内的凝结水被逆流蒸汽带入高排逆止阀后管段地位，三通后低温再热蒸汽管道流体温度升高。冲击过程中，管道大幅振动，管道内凝结水和蒸汽形成浪涌，加上管道下沉，高排逆止阀后上壁测温点长时间接触到凝结水，温度迅速下降。冲击产生后，管道内流体温度、压力逐渐达到新的平衡，由高压旁路管道排放过来的蒸汽继续提升低温再热蒸汽管道的压力并主要流向锅炉侧。当新的压力高点再次达到高排逆止阀至高压旁路三通之间管段内蒸汽的饱和蒸汽压时，管段内蒸汽再次瞬间凝结，管道重复上述过程再次产生冲击振动，直至不再具备条件为止。

图4 高旁阀开启，管道产生冲击振动时的监测信号

从图2c所示高压缸8#轴瓦的瓦振监测曲线可以看出，从6:03到6:13，该管道连续产生了大量强度不一的瞬态冲击振动，之后管道不再发生冲击振动。整个过程中，低温再热蒸汽管道内蒸汽压力从0.11 MPa（表压）升高到0.59 MPa（表压），对应的饱和温度由120 ℃提高到165 ℃。此变化过程对应的饱和蒸汽比容、饱和水比容以及汽、水体积比如表1所示。从表1可以看出，同一温度和压力下，相同质量的饱和蒸汽体积是饱和水体积的数百倍，当蒸汽凝结成水时，体积瞬间减小形成低压区。

根据上述分析可知，造成低温再热蒸汽管道冲击振动有以下两方面的主要原因，一是运行操作失误，在监测设备发出低温再热蒸汽管道上、下壁温差大报警，提示管道内存在凝结水的情况下，运行人员并未察觉该报警并开启高旁阀；二是低温再热蒸汽管道内介质参数与高压旁路管道排出的介质参数差别大，两种不同参数的介质迅速混合时，部分介质发生相变，体积瞬间减小，介质流速瞬间升高，在密闭的空间内产生压力波动，从而引起管道的强烈瞬态冲击。

3 预防措施及改进意见

对可能产生凝结水的蒸汽管道，应严格按照设计标准，在不经常流通的蒸汽管道末端、管段低点和蒸汽引出管界区的阀前等位置合理设计疏水器，合理选择疏水器类型，以确保管路中产生的凝结水能被及时排除，尽量避免在管道中形成两相流。针对日起夜停的调峰机组，为了暖管保压，一般不会保持疏水阀常开状态。在管道系统投运前，更应该严格核实管道内是否存在过多凝结水。

表1 饱和蒸汽状态参数

在任何运行操作过程中，不宜将两种参数差别较大的介质相互混合。在准备开启阀门将介质从一个系统释放到另一系统前，应合理调节控制阀的开度或投入单独的暖管系统，对后一系统的管道进行充分暖管，当两系统的介质参数基本一致时再缓慢、逐步增大控制阀的开度释放介质。避免两种参数不同的介质在管道内快速混合，产生介质相变或流速、压力的瞬变而引起管道冲击振动。

随着科学技术的发展，电厂日趋智能化。目前，电厂重要设备及管道安装了大量的在线监测设备，实时监测并反馈设备及管道的运行状态参数，辅助机组运行与管理。运行操作时应充分利用监测信号，及时了解设备及管道的异常情况，根据实际情况合理选择运行程序，避免执行不适用于当前状态的运行操作，减少事故的发生。

引起管道冲击振动的因素多种多样，比如阀门的突然开闭、泵的突然启停、汽液两相流、介质相变、安全阀动作、柱塞流、以及管道布置不合理或运行操作不合理导致管路水封、汽封等。在大多数情况下，管道的冲击振动可以通过运行操作程序的合理调整来避免，建议电厂将产生管道瞬态冲击振动的各类因素及相关预防措施与运行操作程序的编制与执行充分融合，减少管道瞬态冲击振动事件的发生。

4 结论

通过综合分析现场勘查结果和机组设备及管道的状态监测信号，根据管道温度、管道压力、阀门动作以及汽轮机轴瓦瓦振等在线监测信号的变化，分析某电厂低温再热蒸汽管道产生瞬态冲击振动的内在机理和详细过程。阐明了该管道产生瞬态冲击振动的根本原因是两种不同参数的介质快速混合，导致部分介质相变引起密闭空间内介质流速和压力瞬变所致。明确介质相变是导致压力管道瞬态冲击振动较常见的原因之一，并针对该类型的管道瞬态冲击振动提出预防措施，对同类型的管道冲击振动具有一定参考意义。