机组启动过程中高旁管道震荡分析

2022-11-25华电朔州热电厂管海坡

电力设备管理 2022年3期

华电朔州热电厂管海坡

华电朔州热电厂汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的超临界、一次中间再热、直接空冷、单轴（采暖抽汽）、双缸双排汽式汽轮机。机组采用高、低压二级串联旁路系统。其中高压旁路容量为40%BMCR，低旁总容量为40%BMCR+高旁喷水量。旁路容量不仅能满足机组启动和甩负荷的要求，还能满足空冷器冬季启动及低负荷时的防冻要求。

1 设备与系统概况

高、低压旁路系统母管低位处各设有一路母管疏水管路，在机组启停过程中用于排除管道内积水。高、低压旁路还各设一组减温减压器，用于控制高低旁阀后温度。高旁减温水取自给水泵后出口母管，低旁减温水取自凝结水。汽轮机高、中压缸联合启动时采用该旁路运行方式，当锅炉点火后，锅炉主蒸汽压力达到0.15MPa时开启高、低旁炉系统，通过调整高、低压旁路阀开度，尽快提高主蒸汽温度和再热蒸汽温度以满足冲转的要求。控制主汽压力8.92MPa，控制再热汽压1.0MPa以内。机组并网后逐渐关闭高、低旁控制调阀。高旁减温水调整门控制高旁后汽温＜350℃，低旁减温水调整门控制低旁后汽温＜180℃。当机组跳闸停机后，背压超过55kPa时不准投入低旁运行。

锅炉为上海锅炉厂制造的350MW超临界参数变压运行直流炉，循环流化床燃烧方式，一次中间再热、平衡通风、全钢构架结构；过热器采用两级喷水调节蒸汽温度（直流负荷后以调节煤水比来调节温度）、再热器采用以烟气挡板调节蒸汽温度为主，同时设置微量喷水和事故喷水调温为辅的调温方式。

2 旁路系统的主要功能

在机组启动、停运和故障时协调机、炉间蒸汽流量的平衡，回收剩余工质，减少排汽产生的噪音。在汽轮机冲车和打闸后，汽轮机进汽调门主汽门全部关闭，蒸汽流量为零，而锅炉的热负荷却还有存余，使得这部分蒸汽无法消耗，如果排向大气会造成这部分工质和热量损失，且这部分蒸汽通过安全阀排向大气会产生严重的噪音。设置高压蒸汽旁路系统不仅可回收这部分蒸汽，并降低了排汽造成的环境污染。同时在机组发生故障甩负荷时，高压蒸汽旁路系统可将多余蒸汽排出锅炉，减少安全阀的动作次数，增加安全阀的严密性且延长使用寿命。

保护锅炉再热蒸汽系统。对于存在蒸汽进行一、二次再热系统的机组，在锅炉点火启动后，由于汽轮机未冲转，炉侧再热蒸汽管道无蒸汽流入，使得再热蒸汽管道处于干烧状态，当投入高压蒸汽旁路系统时，可使高温高压蒸汽经过高旁减温减压阀进行降温降压后再进入炉侧再热蒸汽管道对其冷却，防止了干烧和超温现象发生。投入低压蒸汽旁路，在机组解列和跳闸甩负荷时也可防止再热蒸汽系统超压。

协助控制锅炉侧蒸汽参数，使其符合汽轮机在冲车、并网、接带负荷时对蒸汽温度、压力和流量的参数要求。汽轮机在冷态、温态、热态、极热态条件下启动时，其金属温度是不同的，对冲转时的主蒸汽温度、压力、再热蒸汽温度、压力的要求也是不一样的，要求其最少有50℃的过热度，并保证主蒸汽温度和再热蒸汽温度分别高于汽轮机高、中压缸最高金属温度50℃。而机组启动过程中炉侧蒸汽流通受限，蒸发量和蒸汽温度无法达到冲转要求，所以就需通过高、低压蒸汽旁路系统来增加锅炉热负荷，使其具有一定的蒸发量和一定品质的蒸汽来满足蒸汽参数达到冲转要求。且在汽轮机升速、并网和接带负荷过程中，通过调整旁路系统控制锅炉侧蒸汽参数，避免参数大幅波动引起汽缸金属温度和转子胀差的变化。

3 事故经过

3.1 机组启动时的管道震荡

该公司在机组启动过程时提前将高、低压旁管道疏水门打开，炉侧锅炉热负荷不断提高，蒸汽参数的逐步提升，当炉侧主蒸汽压力达到0.1MPa时，逐渐打开低压、高压旁控制阀，投入高、低压旁路系统，随着蒸汽参数的提高，汽机侧管道逐渐进蒸汽，高旁管道及冷再管道开始振动，参数越高，提升越快，管道振动越大。汽机侧根据管道振动大、小开始逐渐开启和关小高、低压旁路控制阀，当主汽压力升到1.0MPa时，听到炉侧有异响，巡检员对炉侧系统进行检查，发现冷再管道的支吊架有变形和断裂情况。开始增加暖管时间和锅炉侧升温升压参数缓慢要求，为了保证设备安全，此次机组启动由于高旁及再热器冷段管道振动大，大大延长了高旁管路暖管时间和机组启动时间，高旁暖管要40min左右、冬季时更长。在机组启动过程中，管道振荡使得冷再管道支吊架脱落和变形。

3.2 机组停运时的管道震荡

根据电网调度要求对该厂机组停运。由于运行时#2、#4高调门故障，为了控制检修时间，机组停运方式采用滑参数停机。按照汽轮机维护停机曲线要求减负荷，降温降压。根据设计滑压曲线设置目标压力，参照滑停曲线降低主、再热蒸汽温度，为了控制主、再热蒸汽汽温，投运锅炉侧主、再热蒸汽一、二级减温水系统，根据降温速率严格控制主、再热蒸汽温度降温速率。当主汽温度降至420℃左右时机组打闸停运，整个滑停时间将近4小时。

锅炉停运后，由于炉内仍有高温物料，为保证锅炉冷却及为检修争取时间，仍采取对锅炉继续微量补水的方式进行冷却，机组打闸后盘车都已投运，高旁及冷再管道出现振荡，在停运电动给水泵，锅炉停止上水后振荡慢慢消除。为保证锅炉补水冷却，再次启动电泵上水，不久高旁及再热器管道再次振荡，等补水完毕后停运电动给水泵，再热器管道振动消失。此时通过间断的启动电泵给锅炉储水箱补水补至液位8m左右，来保证炉内存水和锅炉不干烧。

随着现货交易的开展，新能源装机容量的增加，使得火电机组的调峰作用尤为凸显，机组启动、停运次数越来越多，而机组频繁启、停会对设备、管道损伤很大，为了保证机组运行期间的安全性及检修任务时间紧的现状，锅炉要进行冷却，而锅炉冷却就很容易使得管道受热面受热不均，热应力分配不均匀，使得管道焊口拉裂（存在安装及设计因素）。为了保证机组四管的可靠运行，该厂采取了一项措施就是停机后利用正常水压试验检验四管的可靠性，这项措施不能每次都检查出问题、但有时会检查出多处漏点，大大降低了因四管泄露造成的机组非停事故发生，该公司也保持着两年机组零非停记录。

4 原因分析及危害

4.1 从形成原理分析

管道震荡主要是因为水塞的形成，汽水共通。水塞一般发生在蒸汽管道上，蒸汽阀门关闭后，管道内残留的蒸汽会凝结成水，当管道安装不合理时凝结水在管道低点容易积聚无法排出，当管道内再次送汽时，高流速的蒸汽会推动凝结水从而形成水塞，水塞被高速的蒸汽推动就会发生水击现象。从形成原因可看出水塞形成条件一是需管道内积水，二是高流速蒸汽。

机组旁路或冷再管道内积水形成原因分析：机组启动时，汽轮机冲转前高、低旁路控制阀开度过小，没有达到足够的蒸发量，进入高旁管道后冷却凝结成水。同时由于高、低压旁路管道较粗、管壁很厚,在机组启机过程中暖管所需的时间就长；高旁管道温度控制器母管减温水调整阀不严，锅炉上水期间通过减温水管道流入高旁管路，形成积水；炉侧冷再入口减温水调整门不严，冷再入口管道水平位置较低再入口联箱段水平位置低，使得减温水倒流至机侧再热器管道，使得冷再管道发生水塞引起振动；锅炉进行水压试验后，由于电网调度调启，再热系统管道放水未放空，堵板拆除时，使得部分存水倒流至机侧高旁管道；机组启动初期，高旁控制阀内漏，冷再管道有源源不断的蒸汽流入并冷却凝结成水。机组停运时间较短时，再次启机时随着蒸汽通入管道、管道内的压力随之增加，再加上积水所形成的阻力使管道振动加剧，以上都是能使管道内出现积水的原因。

高流速蒸汽形成原因：正常启动时，由于炉侧热负荷逐渐升高，为了提高蒸汽参数，逐渐开启高、低压旁路控制阀，形成通路。由于较高的汽压差，使得高压蒸汽流入汽机侧再热器管道及高旁管道内；高、低压旁路控制调节阀存在内漏的情况，在机组打闸后，锅炉冷却降温降压的过程中，高压旁路控制阀内漏，使得高压旁路系统及冷再管道内通入高温、高压蒸汽。这里也可解释在机组停运后冷再管道震荡的原因：一是高旁阀内漏使得管道内介质流动，二是高旁管道内积水排不尽，管道堵塞造成水塞。

4.2 从设备及运行调整上分析

启动操作引起的振动。在机组温、热态启动过程中升温、升压参数较快，暖管时间短，开、关高低压旁路控制阀较为频繁，管道疏水门开启过晚或未开，使得管道内凝结水不能及时的随蒸汽排走，形成水塞，加剧了管道震荡的形成；疏水管道不畅或设计出力不合理，机组启动过程中，管道内凝结的水不能及时排出。高旁及冷再管道上的残留蒸汽凝结后的水及高旁减温水门内漏流入的水在此处积聚，使得管道堵塞。

4.3 现象分析

这种震荡现象也是从2020年度开始的，机组从15年底投产，只是在近一年里启动过程中出现的次数越来越频繁，加之现货交易期间机组启停频繁，大多数都是机组在温态、热态下的启动；锅炉水压试验时或锅炉上水时出现高旁阀后压力升高的现象，随着上水时间的增加，管道内会进行充水充压，压力逐渐升高至0.2MPa，说明高旁温度控制器母管减温水阀门内漏不严；机组停运后高旁阀后温度快速下降，说明高旁阀不严、一直是流动状态，与锅炉相通，流至炉侧冷再管道内。

通过以上原因分析，首先可确定#1机组停运引起的管道震荡是由于高旁阀内漏及高旁后减温水控制阀内漏引起的。机组启动过程中引起的管道震荡原因是多方面共同影响。但通过现象分析主要是高旁温度控制器减温水控制阀内漏形成积水较大，以及水压试验后系统放水不完全使得管道内积水较多、而管道疏水排水能力限制的原因居高。

4.4 管道震荡的危害

频繁的管道振动会造成管道上的阀门、管件和焊缝的松动损坏，产生的应力变化频繁，造成管道应力疲劳。强烈的管道振动甚至会引发连接的设备振动和损坏、管道的开裂、支吊架变形和脱落等危害，造成有高温高压蒸汽泄漏，影响了管道的安全运行和操作人员的人身安全。

该厂机组启动阶段，炉侧冷再管道及高旁管道振动严重，造成了炉侧再热蒸汽冷段管道支吊架大面积脱落和变形，管道严重下沉，与冷再管道进汽联箱连接处应力集中，在机组停运时发现连接处变形严重，对其进行了重新校正和补焊，造成检修工作量增加及对变形和脱落支吊架进行高空修复校核。在停炉冷却阶段，由于管道震荡使得锅炉无法正常上水冷却，增加锅炉冷却时间、增加检修工期。

5 防范措施

利用机组大小修对高旁温度控制器母管减温水气动阀、调阀进行解体检查，必要时进行更换。或在启动时将高旁母管减温水管道的放水手动门打开，使母管内喷入的水量减少，机组运行正常后，再关闭放水手动门，当机组停运时，再打开高旁母管减温水管道的放水手动门，控制母管内的进水量。也可增设减温水母管阀后手动门，用于此类情况的最后保障；利用检修机会联系厂家对高旁路控制阀进行检修，保证高、低压旁路控制阀的严密性。

机组启动过程中完善操作流程，制定标准化操作票，加强可行性的操作技能培训，使暖管过程充分且均匀来减少管道振动现象的发生；利用检修机会对高压旁路母管疏水管道进行内窥检查，查找是否有存在结垢堵管等现象；或根据实际情况重新计算其管道通流能力，进行管道整改；检查锅炉系统放水管道，保证放水系统畅通，了解锅炉放水所用时间，然后再根据检修时间安排机组是否进行水压检查试验，短时间内停机严禁强冷锅炉进行水压试验；锅炉升温升压应根据情况进行延缓升参，保证设备充分预暖。