電廠疏水管路失效原因分析及改進(jìn)

張曉暉，余成長(zhǎng)

(1.蘇州大學(xué) 物理科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215006;2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

某電廠2臺(tái)機(jī)組 GSS(主蒸汽系統(tǒng))、AHP(高加系統(tǒng))所屬疏水管線頻繁出現(xiàn)開(kāi)裂泄漏，開(kāi)裂位置主要發(fā)生在疏水器到閃蒸箱之間的閥門(mén)、彎頭、三通、節(jié)流孔板前后的焊縫附近。

GSS與AHP系統(tǒng)抽汽管道的疏水管道系統(tǒng)的功能是將抽汽管道內(nèi)的凝結(jié)水排往冷凝器的FLASHBOX，避免蒸汽夾帶水珠高速流動(dòng)對(duì)管道造成水擊或大量積水時(shí)產(chǎn)生水錘對(duì)管道造成嚴(yán)重破壞。疏水管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥旁路，用于機(jī)組剛啟動(dòng)至30%負(fù)荷這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制凝結(jié)水的排放。機(jī)組功率大于30%以后改由疏水器管路進(jìn)行自動(dòng)疏水。疏水器及上游管道內(nèi)介質(zhì)為對(duì)應(yīng)抽汽管道工作壓力下的飽和水，疏水器開(kāi)啟后上游管道和疏水器內(nèi)的凝結(jié)水受壓差的驅(qū)動(dòng)開(kāi)始迅速流動(dòng)，凝結(jié)水在通過(guò)疏水器出口時(shí)被節(jié)流降壓，部分飽和水吸收汽化潛熱迅速轉(zhuǎn)變成蒸汽，在下游管道內(nèi)變成兩相流，高速流動(dòng)的水汽兩相流對(duì)管道產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕。

針對(duì)造成管線頻繁泄漏和斷裂現(xiàn)象，本文在調(diào)研基礎(chǔ)上，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)是否合理，尤其是汽水流速，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以改變沖蝕作用對(duì)管線影響。

1 原設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

為核算流速，需對(duì)原設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行整理。

1.1 疏水器選型依據(jù)的系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)

不同工況下設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1～3。

表1 啟動(dòng)工況時(shí)的參數(shù)Tab.1 Start up operating condition

表2 管線在達(dá)到30%工況時(shí)的參數(shù)Tab.2 30%load working condition of pipe lines

表3 管線在達(dá)到100%工況時(shí)的參數(shù)Tab.3 100%load working condition of pipe lines

1.2 疏水器性能

疏水器性能參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 疏水器性能表Tab．4 Steam trap specification

1.3 孔板參數(shù)

孔板參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 孔板參數(shù)Tab．5 Orifice plate specifications

1.4 疏水器的流量壓差特性

原設(shè)計(jì)選用了Armstrong 314和316系列疏水器，各疏水管路選用的疏水器型號(hào)如表6所列。

表6 管線疏水器型號(hào)Tab.6 Steam trap model

根據(jù)Armstrong314系列和316系列疏水器的特性曲線，可以分別求得對(duì)應(yīng)各個(gè)不同節(jié)流孔直徑的疏水器流量壓差特性函數(shù)。

314系列3/16″節(jié)流孔直徑疏水器 (GSS110/210DI)，根據(jù)其特性線上的讀數(shù)得到下列流量－壓差關(guān)系函數(shù) (單位分別換算成bar和kg/s):

316系列 11/32″節(jié)流孔直徑疏水器(AHP107DI)，根據(jù)其特性線上的讀數(shù)得到下列流量－壓差關(guān)系函數(shù):

316系列5/16″節(jié)流孔直徑疏水器 (AHP105/205DI)，根據(jù)其特性線上的讀數(shù)得到下列流量－壓差關(guān)系函數(shù):

1.5 孔板的流量壓差特性

根據(jù)孔板GSS110/210DI的設(shè)計(jì)參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關(guān)系式:ΔP2=4.9346×G2bar;

根據(jù)孔板AHP107DI的設(shè)計(jì)參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關(guān)系式:ΔP2=13.28×G2bar;

根據(jù)孔板AHP205DI的設(shè)計(jì)參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關(guān)系式:ΔP2=0.2922×G2bar;

根據(jù)孔板AHP105DI的設(shè)計(jì)參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關(guān)系式:ΔP2=52.7×G2bar;

根據(jù)孔板AHP106DI的設(shè)計(jì)參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關(guān)系式:ΔP2=1.2448×G2bar。

2 原設(shè)計(jì)管線疏水管路水力計(jì)算

2.1 疏水管道水力計(jì)算簡(jiǎn)化條件

可以近似地認(rèn)為凝結(jié)水在經(jīng)過(guò)疏水器節(jié)流孔和孔板節(jié)流孔時(shí)的過(guò)程為熱力學(xué)等焓過(guò)程，同時(shí)忽略疏水器下游管道的散熱，即疏水器前后以及孔板前后介質(zhì)的焓值保持不變，等于疏水器內(nèi)的凝結(jié)水焓值。因此，在忽略閥門(mén)和彎頭等的局部阻力，僅考慮疏水器和下游孔板的流動(dòng)阻力的情況下根據(jù)疏水器上游介質(zhì)參數(shù)和要保證的排放背壓即FLASHBOX的工作壓力 (0.92 bar)，根據(jù)疏水器壓差流量特性和孔板壓差流量特性，運(yùn)用水蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)可以計(jì)算得到疏水器出口和孔板出口濕蒸汽介質(zhì)的比容、以及可以通過(guò)的介質(zhì)流量，從而計(jì)算得到在計(jì)算流量和給定管徑條件下管道內(nèi)濕蒸汽的流速。

2.2 原設(shè)計(jì)疏水器下游管道介質(zhì)流速計(jì)算

按照原有設(shè)計(jì)對(duì)疏水器管道內(nèi)介質(zhì)的流速進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)以GSS110DI/210DI管線為例進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，見(jiàn)表7。

其他類同，從略，原設(shè)計(jì)疏水器下游管道介質(zhì)流速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

根據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5054－1996[1]，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的濕蒸汽流速值20～35 m/s，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，其流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中推薦的流速，流速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致流體對(duì)管道的沖擊力過(guò)大，會(huì)損壞管道，與此相伴隨的孔板前后的壓力差很大，這些地方的孔板如果選用不當(dāng)，就會(huì)給安全運(yùn)行帶來(lái)很大隱患。當(dāng)水經(jīng)過(guò)節(jié)流孔板縮口時(shí)，流束會(huì)變細(xì)或收縮，流束的最小橫斷面出現(xiàn)在實(shí)際縮口的下游，稱為縮流斷面，在縮流斷面處，流速是最大的，流速的增加伴隨著縮流斷面處的壓力的降低，在縮流斷面后的區(qū)域，速度下降，壓力增加，但由于能量損失的存在，下游的壓力不會(huì)完全恢復(fù)到上游的壓力，當(dāng)縮流斷面處的壓力小于當(dāng)?shù)厮娘柡驼羝麎毫r(shí)，部分水會(huì)汽化，同時(shí)，溶解在水中的部分氣體也會(huì)逸出，形成蒸汽與氣體混合的小汽泡，如果孔板下游的壓力仍低于當(dāng)?shù)厮娘柡驼羝麎毫Γ輰⒃谙掠蔚墓艿览^續(xù)產(chǎn)生，汽液兩相混合存在，形成閃蒸現(xiàn)象。產(chǎn)生閃蒸以后，如果孔板下游的壓力沒(méi)有保持在相應(yīng)水的飽和蒸汽壓力以下，而是恢復(fù)到高于該飽和壓力的水平，那么，汽泡在高壓的作用下，迅速凝結(jié)而破裂，在汽泡破裂的瞬間，產(chǎn)生空穴，高壓水以極高的速度流向這些原汽泡占有的空間，形成一個(gè)沖擊力。由于汽泡中的氣體和蒸汽來(lái)不及在瞬間全部溶解和凝結(jié)，在沖擊力作用下又分成小汽泡，再被高壓水壓縮、凝結(jié)，如此形成多次反復(fù)，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，閃蒸和空化合稱為汽蝕。

表7 GSS110DI/210DI管線的流速計(jì)算Tab.7 Velocity calculation of GSS110DI/210DI pipe line

汽蝕造成的破壞是巨大的，汽泡破裂和高速?zèng)_擊會(huì)引起嚴(yán)重的噪音，管道振動(dòng)大，在流道表面極微小的面積上，沖擊力形成的壓力可高達(dá)幾百甚至上 kMPa，沖擊頻率可達(dá)每 s幾萬(wàn)次，在短時(shí)間內(nèi)就可能引起沖刷面的嚴(yán)重?fù)p壞，不論是閃蒸還是空化，都是對(duì)安全運(yùn)行不利的，因此，需要通過(guò)設(shè)計(jì)合適的管道通流能力、控制疏水器下游管道和孔板下游介質(zhì)的流速使其盡量在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦數(shù)值范圍之內(nèi)，這樣才可以顯著降低汽液兩相流對(duì)管道的沖蝕作用。

表8 100%負(fù)荷工況下各疏水管道原設(shè)計(jì)的流速計(jì)算結(jié)果匯總Tab.8 Original design velocity of pipelines under 100%load condition

3 疏水管路失效的改進(jìn)設(shè)計(jì)

要降低疏水器下游管道中的介質(zhì)流速有3種途徑:(1)保持現(xiàn)有管道通徑不變，僅減小疏水器和孔板的節(jié)流孔徑，通過(guò)增加管道局部阻力來(lái)降低管道介質(zhì)流量。(2)保持疏水器和節(jié)流孔板的節(jié)流孔徑不變，即在保持流量不變的情況下增大疏水器下游管道的通徑即流通截面積。(3)既通過(guò)減小疏水器和孔板的節(jié)流孔徑降低流量，同時(shí)又增加管道流通面積。

下面根據(jù)不同管線的具體情況，通過(guò)計(jì)算選擇最合適的途徑來(lái)降低管道內(nèi)介質(zhì)的流速。

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算

3.1.1 GSS110DI/210DI管線的改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算

由于GSS110DI和GSS210DI管線的流動(dòng)工況參數(shù)完全相同，故兩條管線采用同一種方法進(jìn)行節(jié)流減速。原設(shè)計(jì)的計(jì)算流量為0.484 kg/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.25 kg/s的工況要求，有較大的下調(diào)空間。

在考慮計(jì)算流量和滿足背壓的情況下，進(jìn)行了驗(yàn)算，最終決定保留原有設(shè)計(jì)時(shí)使用的314系列疏水器GSS102PU，其流量－壓差關(guān)系函數(shù)為

改變節(jié)流孔板的孔徑，將孔板孔徑由9 mm改為7 mm，同時(shí)增大疏水器下游管道的管徑，由原來(lái)的40 mm改為80 mm，即使用原設(shè)計(jì)孔板AHP107DI，其流量－壓差關(guān)系函數(shù)為

在滿足背壓0.92 bar的同時(shí)，通過(guò)一系列的計(jì)算、核算最終確定計(jì)算流量為0.469 kg/s，能夠滿足100%工況時(shí)0.25 kg/s的流量。啟動(dòng)工況時(shí)的計(jì)算流量為0.278 kg/s，基本能滿足系統(tǒng)的要求。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)的GSS110DI和GSS210DI管線在100%工況時(shí)，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的78 m/s降至改進(jìn)后的8.6 m/s，孔板下游介質(zhì)的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的197 m/s降至改進(jìn)后的46.67 m/s。

3.1.2 AHP107DI管線的改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算

由于AHP107DI管線的100%工況下的設(shè)計(jì)流量為0.98 kg/s，原設(shè)計(jì)管路的計(jì)算流量為1.022 2 kg/s，下調(diào)空間太小，不能通過(guò)降低介質(zhì)流量來(lái)降低流速，可適當(dāng)將疏水器下游管道的通徑增大，由原設(shè)計(jì)的直徑80mm增大至100 mm。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)的AHP107DI管線在100%工況時(shí)，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的1 m/s降至改進(jìn)后的0.6 m/s，孔板下游介質(zhì)的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的84 m/s降至改進(jìn)后的53 m/s。

3.1.3 AHP205DI管線的改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算

由于AHP205DI管線原設(shè)計(jì)的計(jì)算流量為1.635 kg/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.98 kg/s的工況要求，有較大的下調(diào)空間。

在考慮計(jì)算流量和滿足背壓的情況下，進(jìn)行了驗(yàn)算，最終決定去除原有設(shè)計(jì)時(shí)使用的316系列疏水器 AHP201PU，改用316系列疏水器AHP107DI，其流量－壓差關(guān)系函數(shù)為

另外改變節(jié)流孔板的孔徑，將孔板孔徑由18 mm改為7 mm，即把原設(shè)計(jì)孔板AHP205DI更換掉，使用孔板 AHP107DI，其流量 －壓差關(guān)系函數(shù)為

在滿足背壓0.92 bar的同時(shí)，通過(guò)一系列的計(jì)算、核算最終確定計(jì)算流量為1.215 kg/s，能夠滿足100%工況時(shí)0.99 kg/s的流量，啟動(dòng)工況時(shí)的計(jì)算流量為0.686 kg/s，基本能滿足系統(tǒng)的要求。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)的AHP205DI管線在100%工況時(shí)，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的78 m/s降至改進(jìn)后的1.2 m/s，孔板下游介質(zhì)的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的160 m/s降至改進(jìn)后的114 m/s。

3.1.4 AHP105DI管線的改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算

在考慮計(jì)算流量和滿足背壓的情況下，進(jìn)行了驗(yàn)算，最終決定去除原有設(shè)計(jì)時(shí)使用的316系列疏水器 AHP201PU，改用316系列疏水器AHP107DI，其流量－壓差關(guān)系函數(shù)為

另外改變節(jié)流孔板的孔徑，將孔板孔徑由18 mm改為7 mm。即把原設(shè)計(jì)孔板AHP105DI更換掉，使用孔板 AHP107DI，其流量 －壓差關(guān)系函數(shù)為

在滿足背壓0.92 bar的同時(shí)，通過(guò)一系列的計(jì)算、核算最終確定計(jì)算流量為1.215 kg/s，能夠滿足100%工況時(shí)0.99 kg/s的流量，啟動(dòng)工況時(shí)的計(jì)算流量為0.686 kg/s，基本能滿足系統(tǒng)的要求。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)的AHP105DI在100%工況時(shí)，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的78 m/s降至改進(jìn)后的12 m/s，孔板下游介質(zhì)的流速?gòu)脑性O(shè)計(jì)的160 m/s降至改進(jìn)后的114 m/s。

上述計(jì)算結(jié)果匯總詳見(jiàn)表9。

根據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的濕蒸汽流速值20～35 m/s，從改進(jìn)設(shè)計(jì)后的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，部分流速雖然仍大于標(biāo)準(zhǔn)中推薦的流速。但已遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)的流速，減少了流體對(duì)管道的沖擊力，降低了對(duì)管道的損壞，取得較好的改進(jìn)效果。

表9 100%負(fù)荷工況下各疏水管道改進(jìn)設(shè)計(jì)后的流速計(jì)算結(jié)果匯總Tab.9 Retrofitted design velocity of pipelines under 100%load condition

4 結(jié)論

管道焊縫及孔板對(duì)接焊逢包括孔板本身頻繁發(fā)生泄漏的一個(gè)主要原因是疏水器下游管道內(nèi)介質(zhì) (汽液兩相)的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)行業(yè)推薦值，流速太快使管道遭受?chē)?yán)重沖蝕破壞，誘發(fā)微裂紋，再在疲勞 (間隙性排放)作用下使裂紋不斷擴(kuò)展，最終造成斷裂失效。

在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)疏水系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在基本滿足設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的情況下，對(duì)各管線的疏水器和孔板進(jìn)行了調(diào)整，通過(guò)這次改進(jìn)，采用本方案改造后管內(nèi)介質(zhì)流速將大為減小，其所產(chǎn)生的沖蝕破壞也將大大降低，由此造成的管道破裂事故將明顯得到抑制。

[1]中華人民共和國(guó)．電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 5054－1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[s]．北京:中國(guó)電力出版社，2004．

[2]景思睿，張鳴遠(yuǎn)．流體力學(xué)[M]．西安:西安交通大學(xué)出版社，2001．