三菱机组FGH 水冲击问题原因分析和解决对策

陈 琦

（广东粤电大亚湾综合能源有限公司，广东惠州 516080）

1 FGH 系统简介

为提高联合循环效率，三菱M701F4 机组在F3 机型的基础上对空冷型TCA（Turbine Cooling Air，燃机冷却空气）换热器进行改进，改进后分为TCA 换热器和FGH（Fuel Gas Heater，燃料加热器）换热器。其中，FGH 换热器利用中压省煤器出口的热水对天然气进行加热，以达到燃烧器燃烧的要求。燃机FGH 系统如图1 所示。

图1 燃机FGH 系统

燃机发出启动指令后，FGH 进口旁路阀打开进行注水，当FGH 内压力达到4.5 MPa 后，进口主路阀打开。燃机点火至低负荷阶段，通过FGH 至凝汽器的流量调节阀调整流量。当机组负荷高于135 MW 后，FGH 至低压省煤器前的流量调节阀开始工作，至凝汽器流量调节阀关闭。燃机停机阶段，当燃机熄火降速时，流量控制阀关闭，FGH 进口主路、旁路阀延时600 s 关闭。FGH 至凝汽器的流量控制阀在低真空时闭锁开启。

2 现象描述

为降低厂用电率，电厂会对非两班制运行机组进程破坏真空，停运轴封、辅汽、凝结水系统的操作。当凝结水泵停运后，在凝结水系统压力下降的过程中，燃机FGH 系统管道及凝结水系统管道会发生水冲击现象，且持续时间较长，对管道设备造成很大危害。典型的停运凝结水泵过程中FGH 出现水冲击的曲线如图2 所示。

图2 典型凝泵停运后出现水冲击的FGH 系统曲线

由图2 可见，在A 点FGH 进口主路、旁路阀关闭后，FGH 内压力迅速从6.0 MPa 降至与凝泵出口压力一致（2.23 MPa），FGH出口温度测点也有明显上升，FGH 内的热水流出。在B 点凝结水泵压力由2.23 MPa 调整降至1.3 MPa，FGH 内压力逐渐下降，下降趋势明显强于前一阶段。在C 点凝结水泵停运，凝结水系统压力迅速降至0，FGH 压力虽然下降明显，但明显高于凝结水系统压力，FGH 出口水温逐渐上升。当FGH 出口水温达到最高点（D 点190 ℃，接近于A 点）时，FGH 系统及凝结水系统出现水冲击现象，FGH 出口水温随即缓慢降低。初步判断为FGH 内的水通过至低压省煤器前调节阀冲入凝结水系统，造成FGH 系统与凝结水系统管道的水冲击。

为减缓水冲击现象，运行人员在停运凝结水泵前打开FGH水侧放水阀，对FGH 系统进行泄压。压力降低后，停运凝结水泵时水冲击现象有所减缓。FGH 水侧放水口与放水手动阀距离较短，在放水过程中，存在人员烫伤风险。有计划在FGH 至低压省煤器管路增加电动隔离阀，阻断FGH 内的水冲入凝结水系统，以解决水冲击现象。

3 FGH 水冲击的原因分析及对照试验

从图2 曲线可以看出，机组停运后FGH 内水压基本与凝结水系统压力一致，可见FGH 至凝汽器的调节阀严密性较好，将机组停运后的热水“憋”在FGH 内。当凝结水系统压力降低时，FGH 内相对压力较高的水通过FGH 至低压省煤器流量调节阀“漏”入凝结水系统，并保持与凝结水系统的压力一致。

对多次水冲击曲线进行分析后发现，FGH 出现水冲击时的系统压力、水温均不同。停机时间越长，水冲击出现时的压力越低、水温越低，且水温为该压力下水的饱和温度。海南文昌F4 燃机联合循环电厂调试过程中也出现类似的水冲击现象。出现水冲击时，FGH 内水压约0.2 MPa，FGH 出口水温120 ℃。

由此推断，在凝结水泵停运后，FGH 系统压力下降的过程中，FGH 内的热水发生汽化并造成水冲击现象。为确定FGH 水冲击的产生机理，设计以下对照试验。

3.1 试验一

机组状态：机组维持真空，凝结水泵出口压力1.5 MPa。

试验目的：检验当FGH 内为常温水时，利用FGH 至凝汽器调节阀进行泄压，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动（与试验三做对比）。

试验步骤：①启动中压给水泵，打开FGH 进口旁路阀，往FGH 内注入常温水；②当FGH 注水完成后，关闭FGH 进口旁路阀；③打开FGH 至凝汽器调节阀进行泄压，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动，若发生振动，记录振动开始及结束时刻。

3.2 试验二

机组状态：机组维持真空，凝结水泵出口压力1.5 MPa。

试验目的：检验当FGH 内为常温水时，破坏凝汽器真空，停运凝结水泵，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动（与典型案例做对比）。

试验步骤：①启动中压给水泵，打开FGH 进口旁路阀，往FGH 内注入常温水；②当FGH 注水完成后，关闭FGH 进口旁路阀；③破坏凝汽器真空；③停运凝结水泵，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动，若发生振动，记录振动开始及结束时刻。

3.3 试验三

机组状态：机组停机后，机组维持真空，凝结水泵出口压力1.5 MPa。

试验目的：检验当FGH 内为热水时，利用FGH 至凝汽器调节阀进行泄压，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动。

试验步骤：①机组停机后，维持凝汽器真空；②打开FGH 至凝汽器调节阀进行泄压，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动，若发生振动，记录振动开始及结束时刻。

3.4 试验四

机组状态：完成试验三。

试验目的：通过试验三的操作，停运凝结水泵，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动，检验试验三操作的正确性。

试验步骤：①试验三结束后；②破坏凝汽器真空；③停运凝结水泵，观察FGH 及凝结水系统管道是否发生振动，若发生振动，记录振动开始及结束时刻。

4 试验结果及数据对比

根据试验方案进行试验，试验结果见表1。

表1 对照试验结果

根据试验一与试验三、试验二与典型数据进行对比，可以看出当FGH 内为热水时，FGH 内水压下降速率明显变慢，说明FGH内热水在该过程中不断汽化，减缓了泄压的过程。当FGH 内为热水时，在泄压过程中，FGH 系统与凝结水系统管道会发生振动或晃动现象，根据现场观察，振动（晃动）现象发生在特定的时间段内。

为确定管道晃动原因，将试验三过程中FGH 出口水温、出口压力、晃动时间数据进行处理。根据FGH 出口压力计算该压力下饱和温度，将计算后的饱和温度与FGH 出口水温进行对比。调阀100%、50%、25%开度泄压试验如图3、图4、图5所示。

图3 调阀100%开度泄压试验

图4 调阀50%开度泄压试验

图5 调阀25%开度泄压试验

在泄压的过程中，FGH 内热水逐渐流经温度测点，FGH 出口水温在逐渐升高，最高温度略低于为停机前FGH 进口水温。随着FGH 内的压力逐渐降低，对应饱和温度也在降低。在图3（调阀100%开度）中，有明显的饱和温度高于出口水温的区域，该区域也正是管道发生晃动的区域。在图5（调阀25%开度）中，没有发生饱和温度高于出口水温的区域，管道未发生晃动。在图4（调阀50%开度）中，有短时的饱和温度高于出口水温的区域，在该区域内，管道发生了晃动，但比调阀100%开度泄压时晃动幅度小。由此可以看出，在FGH 压力降低的过程中，FGH内的水发生汽化，是导致管道晃动及水击的根本原因。FGH 泄压速度与出口温度关系如图6 所示。

图6 FGH 泄压速度与出口温度关系

水在汽化过程中需要吸收热量，在试验过程中FGH 系统并无外部热源，由此判断，FGH 内汽化部分的水吸收了FGH 内其他水的热量，导致在泄压过程中水温下降。通过对比试验三中不同泄压速度对FGH 内水温的影响可以看出，当FGH 内压力下降越快，FGH 内水汽化越剧烈，吸收的热量越多，水温下降越快，管道晃动越剧烈。

由表1 可以看出，虽然试验三中25%调阀开度的泄压速率明显高于典型案例速率，但试验过程中并没有出现明显的水击现象。主要原因是试验三中，管道中的汽化现象主要发生在FGH 至凝汽器流量调节阀处，调节阀后为真空，汽化后的水蒸汽被快速的“抽”凝汽器。因此，管道内流质的压力不会产生突变，造成管道水冲击。

5 结论

通过以上分析，重新对机组停运凝结水泵时FGH 及凝结水系统管道发生水击现象进行解释。在机组停运后，FGH 内在保存大量的热水。在机组保持真空、凝结水泵运行时，因FGH 至凝汽器流量调节阀严密性较好，FGH 内热水保持与凝结水泵出口一致的压力，且水温在饱和温度以下。当凝结水泵停运后，FGH 至低压省煤器流量调节阀后的压力骤降，该调节阀严密性较差，FGH 内的热水进入凝结水系统，FGH 内压力逐渐降低。在压力下降的过程中，FGH 内水的饱和温度也逐渐下降，当水温超过饱和温度时，管道内的水开始剧烈汽化，并造成FGH 及凝结水系统管道水冲击。在汽化的过程中，汽化部分的水吸收了FGH 内其他水的热量，水温逐渐下降，当水温低于饱和温度时，汽化现象消失，水冲击现象消失。

在试验四中，由于FGH 内已无热水，在凝结水泵停运时，FGH 及凝结水系统管道均无发现水击及晃动现象。证明利用凝汽器保持真空，通过FGH 至凝汽器流量调节阀对FGH 进行泄压，可有效避免凝结水泵停运时FGH 及凝结水管道的水冲击现象，但泄压过程中应控制泄压速度，防止管道内的水发生汽化现象。

6 结束语

通过对三菱F4 机组凝结水泵停运时，FGH 及凝结水管道系统发生水击现象进行观察，寻找、总结水击现象的规律。通过设计对比试验和数据分析，找到发生水击现象的核心原因是FGH内的热水在降压过程中汽化。同时，找到了简单的运行操作方法来防止水击现象。在提高机组设备安全性的同时，避免了不必要的改造工作和人为就地高风险操作。