水位控制閥疏水管道振動(dòng)分析及防止策略

章勁淞

(湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

1 問(wèn)題的提出

某電廠2×600 MW機(jī)組直流鍋爐為東方鍋爐廠引進(jìn)日本巴布科克-日立公司(BHK)技術(shù)制造的DG1900/25.4MPa-Ⅱ1型超臨界參數(shù)變壓直流本生鍋爐，出于鍋爐快速啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行的需要，確保過(guò)熱器呈干態(tài)運(yùn)行，設(shè)置了鍋爐啟動(dòng)旁路系統(tǒng)。內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)主要由啟動(dòng)分離器(由汽水分離器和儲(chǔ)水罐組成)、大氣式擴(kuò)容器及水位控制閥(以下簡(jiǎn)稱361閥)等組成(如圖1所示)。361閥為內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)中控制汽水分離器儲(chǔ)水罐水位的關(guān)鍵部件，該閥疏水管道在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)通往鍋爐定排的穿墻管可將墻體振壞。本文就該電廠內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的361閥疏水管道振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行具體分析，并提出防止策略。

圖1 啟動(dòng)分離系統(tǒng)示意

2 管路振動(dòng)時(shí)段和振動(dòng)位置

當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)和負(fù)荷小于35%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)時(shí)，啟動(dòng)分離器以濕態(tài)方式運(yùn)行，進(jìn)入分離器的工質(zhì)經(jīng)汽水分離器擴(kuò)容后，分離出來(lái)的水進(jìn)入儲(chǔ)水罐，后經(jīng)361閥排向鍋爐疏水?dāng)U容器或凝汽器，分離出來(lái)的飽和蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器。隨著鍋爐負(fù)荷增加，工質(zhì)干度增加，儲(chǔ)水罐中的水位逐漸下降，當(dāng)負(fù)荷大于35% BMCR時(shí)，361閥不再因儲(chǔ)水罐水位高而打開(kāi)，分離器由濕態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)為干態(tài)運(yùn)行而完成啟動(dòng)過(guò)程。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，361閥疏水管路振動(dòng)強(qiáng)烈的時(shí)段主要集中在投入運(yùn)行初期和361閥開(kāi)度大幅波動(dòng)期間；振動(dòng)強(qiáng)烈的位置集中在疏水至鍋爐定排管路。

3 管道振動(dòng)原因分析

3.1 疏水管道設(shè)計(jì)不當(dāng)

(1)從圖2可以看出，361閥至定排疏水管道段較長(zhǎng)(兩側(cè)共約80 m)，管道空間布局呈∏形布置，普遍采用單拉桿剛性吊架懸掛，使得整個(gè)管系剛度不夠，自由度偏大，管道的自振頻率較低，在低頻激振條件下，管道會(huì)因共振而引發(fā)較大的振動(dòng)[1]。

圖2 361閥疏水管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)從圖2中可以看出，361閥布置在汽機(jī)側(cè)0.5 m高的位置，出于現(xiàn)場(chǎng)管道安裝布局的需要，361閥至定排擴(kuò)容器疏水管道大部分布置在5.5～6.0 m層，361閥至定排擴(kuò)容器疏水總管通往鍋爐側(cè)的管道布置在7.5 m層。當(dāng)往定排擴(kuò)容器疏水時(shí)，水流會(huì)在361閥后管道內(nèi)形成一個(gè)急速轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生很大的沖擊力，特別是在疏水初期，這種沖擊力更大，進(jìn)而誘發(fā)361閥至定排擴(kuò)容器疏水管道的振動(dòng)。

3.2 流體脈動(dòng)

出于對(duì)儲(chǔ)水罐水位的有效控制，在361閥的邏輯中，設(shè)有快開(kāi)和快關(guān)邏輯。在361閥快開(kāi)或快關(guān)的過(guò)程中，其疏水管道內(nèi)流體速度忽快忽慢，壓力忽高忽低，形成一種不穩(wěn)定的流體狀態(tài)。該不穩(wěn)定液體對(duì)管道的作用力可以看作是在靜力(相當(dāng)于壓力脈動(dòng)的平均值即平均壓力對(duì)管件的作用力)的基礎(chǔ)上額外加上一個(gè)脈動(dòng)力(相當(dāng)于壓力脈動(dòng)偏離平均壓力部分即脈動(dòng)壓力對(duì)管件的作用力)。該脈動(dòng)力會(huì)引發(fā)管道的振動(dòng)響應(yīng)，當(dāng)管道對(duì)于次脈動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)響應(yīng)頻率與其自身的固有頻率相重合時(shí)，管道與脈動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生共振。

3.3 汽液兩相流

在啟動(dòng)系統(tǒng)中，361閥前管道設(shè)計(jì)壓力為28.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度為375.00 ℃。361閥至定排擴(kuò)容器電動(dòng)閘閥前管道設(shè)計(jì)壓力為28.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度為164.14 ℃。電動(dòng)閘閥后管道設(shè)計(jì)壓力為0.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度為80.00 ℃。 在機(jī)組極熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，儲(chǔ)水罐內(nèi)工質(zhì)溫度在360.00 ℃以上，出于對(duì)凝汽器的保護(hù)，最初儲(chǔ)水罐內(nèi)的水經(jīng)361閥后疏往定排擴(kuò)容器。雖經(jīng)361閥及其管道的節(jié)流和冷卻，但整個(gè)過(guò)程中壓降速度快于溫降速度，最初進(jìn)入361閥至定排擴(kuò)容器電動(dòng)閘閥后的工質(zhì)可能為汽態(tài)或汽液兩相流，使得管道內(nèi)壁處在汽液兩相流體的紊流層，從而引發(fā)管道振動(dòng)。另外，流體在輸送過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生壓降，隨著壓力的降低可能會(huì)出現(xiàn)液體汽化現(xiàn)象，當(dāng)液化產(chǎn)生的氣泡破滅時(shí)，就會(huì)發(fā)生汽蝕，從而誘發(fā)管道振動(dòng)。

3.4 管道受到熱沖擊

當(dāng)機(jī)組進(jìn)入直流運(yùn)行后，361閥將強(qiáng)制關(guān)閉，退出運(yùn)行，從而隔斷儲(chǔ)水罐側(cè)高溫高壓系統(tǒng)與凝汽器或定排側(cè)的低溫低壓系統(tǒng)的聯(lián)系。在停爐或緊急事故階段，需要投入361閥運(yùn)行，而此時(shí)的361閥前后管道內(nèi)工質(zhì)參數(shù)相差巨大，如果貿(mào)然打開(kāi)361閥，必然會(huì)對(duì)361閥及其管路造成熱沖擊。管路受熱后開(kāi)始膨脹，溫差越大，膨脹量越大，一旦膨脹受阻，會(huì)使管路在受阻處產(chǎn)生較大應(yīng)力并開(kāi)始向自由空間運(yùn)動(dòng)，從而引發(fā)管道形變和振動(dòng)。

4 防范措施

4.1 增加剛性限位支架

對(duì)管路振動(dòng)情況進(jìn)行了模態(tài)分析和應(yīng)力計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，為防范管路振動(dòng)，采取了有效措施。在361閥至定排擴(kuò)容器疏水管路的較長(zhǎng)水平段上增加3處剛性限位支架(圖2中a，b，c點(diǎn))和1處液壓阻尼器(圖2中d點(diǎn))。其中a點(diǎn)和b點(diǎn)的限位支架限制管道沿y向和z向的晃動(dòng)，c點(diǎn)的限位支架限制管道沿x向和y向的晃動(dòng)；d點(diǎn)的液壓阻尼器水平布置，消化吸收管道沿z向的振動(dòng)能量。改造后增加了水平段管路的剛性，提高了其自振頻率，取得了較好的效果。

4.2 消減管系的激擾力

(1)在冷態(tài)啟機(jī)過(guò)程中，為減少工質(zhì)損失和提高產(chǎn)汽率，給水流量應(yīng)控制到較小程度，為減小361閥調(diào)節(jié)幅度，維持疏水管內(nèi)流量穩(wěn)定，采用投運(yùn)單側(cè)361閥來(lái)調(diào)整儲(chǔ)水罐水位。

(2)完善361閥聯(lián)鎖邏輯。

1)取消原有“儲(chǔ)水罐水位高于18 m且361閥沒(méi)有在開(kāi)位且貯水箱壓力小于12 MPa則對(duì)應(yīng)快開(kāi)電磁閥動(dòng)作，聯(lián)鎖快速全開(kāi)361閥”邏輯，避免因361閥快開(kāi)造成疏水管內(nèi)水流量突增，增大對(duì)管道的脈動(dòng)力。取而代之，在分散控制系統(tǒng)(DCS)汽機(jī)報(bào)警中增加“儲(chǔ)水罐水位高”報(bào)警(觸發(fā)條件為：儲(chǔ)水罐水位達(dá)到18 m)，提醒運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)儲(chǔ)水罐水位的調(diào)整，因?yàn)閮?chǔ)水罐水位的高低關(guān)鍵還是在于給水流量的調(diào)整。

2)在儲(chǔ)水罐液位控制站自動(dòng)口設(shè)置限速模塊，對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)與手動(dòng)切換時(shí)361閥開(kāi)度調(diào)節(jié)指令的偏差進(jìn)行平滑作用控制，使儲(chǔ)水罐液位控制站平穩(wěn)地由手動(dòng)指令過(guò)渡到更為合理的自動(dòng)控制參數(shù)，以防止出現(xiàn)指令偏差大而導(dǎo)致361閥開(kāi)度大幅波動(dòng)的現(xiàn)象[2]。

3)在鍋爐啟動(dòng)階段，隨著爐水焓值的上升，將會(huì)產(chǎn)生汽水膨脹現(xiàn)象。為防止汽水膨脹引起水位劇烈變化而使361閥異常動(dòng)作，對(duì)其開(kāi)動(dòng)作進(jìn)行速率限制。為防止汽水膨脹時(shí)水位迅速上漲而導(dǎo)致361閥開(kāi)度突然大增，當(dāng)儲(chǔ)水罐液位從高位開(kāi)始下降時(shí)，給水位信號(hào)增加一負(fù)偏置，以避免水位變化過(guò)大[3]。

4)由于儲(chǔ)水罐液位允許控制范圍較大且361閥流量特性較好。當(dāng)沒(méi)有聯(lián)關(guān)指令且分離器壓力小于11 MPa時(shí)，361閥調(diào)節(jié)采用開(kāi)環(huán)控制，根據(jù)分離器水位確定開(kāi)度指令。水位調(diào)整下限為10 m，上限為16 m，在此范圍內(nèi)，361閥開(kāi)度指令按0%～100%調(diào)節(jié)[4]。

(3)在361閥運(yùn)行期間，應(yīng)加強(qiáng)鍋爐給水和燃料的調(diào)整，維持給水流量相對(duì)穩(wěn)定，維持361閥開(kāi)度在15%～30%小范圍波動(dòng)，以防止361閥大幅開(kāi)/關(guān)而造成管道內(nèi)工質(zhì)流量的大幅波動(dòng)。在鍋爐汽水膨脹期間，應(yīng)停止對(duì)鍋爐燃燒和給水的調(diào)整，以減少對(duì)361閥水位控制的擾動(dòng)因素。

4.3 對(duì)361閥及其附屬管路暖管

鍋爐轉(zhuǎn)直流運(yùn)行后，361閥強(qiáng)制關(guān)閉，在緊急事故或停爐階段，需要打開(kāi)361閥對(duì)儲(chǔ)水罐水位進(jìn)行控制。361閥前管路內(nèi)工質(zhì)壓力和溫度相當(dāng)高，為防止361閥突然開(kāi)啟對(duì)系統(tǒng)造成沖擊, 需提前對(duì)361閥及其附屬管路暖管。

(1)在鍋爐直流運(yùn)行中，打開(kāi)省煤器出口至361閥的暖管閥(圖1中#4和#8閥門(mén))，及儲(chǔ)水罐至過(guò)熱器二級(jí)減溫水的截止閥(圖1中#9閥門(mén))。加熱水經(jīng)暖管閥流向361閥后，倒流入儲(chǔ)水罐內(nèi)，再經(jīng)儲(chǔ)水罐至二級(jí)噴水管路排走，實(shí)現(xiàn)對(duì)361閥及其前管路的在線暖管。

(2)在361閥投入運(yùn)行前，全開(kāi)361閥后所有疏水門(mén)，稍開(kāi)361閥(5%左右開(kāi)度)，對(duì)管路暖管10～15 min，待疏水管溫度高于150 ℃后，暖管結(jié)束。然后，根據(jù)需要開(kāi)啟361閥至凝汽器電動(dòng)閥(圖1中#2或#6閥門(mén))或至定排電動(dòng)閥(圖1中#3或#7閥門(mén))。手動(dòng)調(diào)節(jié)361閥開(kāi)度，待儲(chǔ)水罐水位基本穩(wěn)定后，將其切自動(dòng)控制方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的角度出發(fā)，深入總結(jié)了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，較為系統(tǒng)地分析和解決了361閥管路振動(dòng)的問(wèn)題，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的效果。可為其他電廠同類型機(jī)組在投運(yùn)361閥時(shí)的防止管路振動(dòng)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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