汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)改進(jìn)研究

張　宇

(上海電氣電站工程公司， 上海 201100)

?

汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)改進(jìn)研究

張宇

(上海電氣電站工程公司， 上海 201100)

摘要:通過對(duì)伊拉克某項(xiàng)目汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)的分析研究，發(fā)現(xiàn)3根疏水集管同時(shí)接入了系統(tǒng)管道和汽輪機(jī)本體的疏水，在啟動(dòng)、停機(jī)、甩負(fù)荷等特定工況下，可能會(huì)導(dǎo)致疏水倒流回汽缸。用增加疏水集管(噴管)的疏水出口總通流面積的方法，解決了疏水倒流的問題。

關(guān)鍵詞:疏水系統(tǒng)； 改進(jìn)； 通流面積

汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)應(yīng)能確保在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、快速升降負(fù)荷等運(yùn)行時(shí)，將汽輪機(jī)本體、本體閥門以及從主蒸汽、再熱蒸汽管道、軸封管道和輔汽管道內(nèi)的凝結(jié)水疏排出去，從而防止由于汽輪機(jī)進(jìn)水或冷汽而造成汽缸上下缸溫差大、汽缸變形、轉(zhuǎn)子彎曲、動(dòng)靜部件互相碰擦，甚至引起葉片斷裂等嚴(yán)重事故[1]。汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)是一個(gè)為確保機(jī)組安全、可靠運(yùn)行至關(guān)重要的系統(tǒng)。為此原國(guó)家電力公司在“二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求”中也明確了具體的反事故措施[2]。但在電廠實(shí)際運(yùn)行過程中，汽缸進(jìn)水導(dǎo)致大軸彎曲事故仍時(shí)有發(fā)生。制造廠和設(shè)計(jì)院普遍參照了ASME TDP-1-1980(1998)的建議。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《防止水對(duì)發(fā)電用汽輪機(jī)造成損壞的導(dǎo)則》(ANSI/ASMETDP-1-1985,1985年11月15日頒布)，《熱力發(fā)電譯叢》,1988年2月和《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水和冷蒸汽導(dǎo)則DL/T834-2003》設(shè)計(jì)防止汽缸進(jìn)水和冷汽方面的汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表明，86%的大軸彎曲事故是由于轉(zhuǎn)子碰磨引起，而其中80%以上是熱態(tài)起動(dòng)時(shí)發(fā)生,它們都與上、下汽缸的缸溫差大有關(guān)[3-4]。

國(guó)內(nèi)目前有不少電廠、學(xué)術(shù)界對(duì)汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)進(jìn)行了部分優(yōu)化設(shè)計(jì)或相關(guān)的優(yōu)化建議。主要在以下一些方面進(jìn)行了優(yōu)化，并基本解決了防止汽輪機(jī)汽缸進(jìn)入水和冷蒸汽的問題： ① 系統(tǒng)管道疏水與本體疏水分開，接入不同的疏水?dāng)U容器或疏水集管，根據(jù)實(shí)際情況，還可以增大疏水管徑(增加流量)或者加裝節(jié)流孔板(減少流量)[4-10]。② 增加自由疏水管路，直接排地溝或大氣[11]。③ 優(yōu)化疏水控制系統(tǒng)，把傳統(tǒng)的由機(jī)組負(fù)荷大小，來控制疏水閥門的開啟，改由管道蒸汽壓力和溫度來控制[5]。④ 優(yōu)化疏水運(yùn)行操作，在不同運(yùn)行工況下，開啟不同的疏水系統(tǒng)閥門及開度[9，12-14]。⑤ 增加疏水?dāng)U容器的排汽管道，增大通流面積[15]。

上述疏水系統(tǒng)的改進(jìn)措施，雖然是目前比較常用，也基本解決了系統(tǒng)管道疏水與汽機(jī)本體疏水之間串流和倒流的問題。但是上述改進(jìn)措施中，基本需要從增加疏水管道或疏水集管，改進(jìn)運(yùn)行操作規(guī)程，增加控制點(diǎn)和操作的復(fù)雜程度，對(duì)運(yùn)行人員提高要求。同時(shí)有些改進(jìn)措施在啟停期間，疏水直接排往地溝，既浪費(fèi)了工質(zhì)，也影響現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境。因此,有必要疏水系統(tǒng)的改進(jìn)措施做進(jìn)一步的優(yōu)化，減少對(duì)系統(tǒng)改造的涉及面，以及運(yùn)行的復(fù)雜性。本文在某4×330MW電廠項(xiàng)目中分析疏水系統(tǒng)的不同組成部分，并通過增加凝汽器擴(kuò)容器的疏水集管的通流面積的措施，確保集管內(nèi)部不存有壓力較高的疏水，以相對(duì)較低的改進(jìn)成本，較好地解決了疏水倒流的問題。

1某項(xiàng)目汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)分析

該電廠項(xiàng)目的汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是把汽輪機(jī)系統(tǒng)管道的疏水和汽輪機(jī)本體的疏水按照同等級(jí)壓力的疏水匯集到疏水集管進(jìn)行降溫降壓，而后再在疏水?dāng)U容器內(nèi)通過噴淋減溫水進(jìn)一步實(shí)施降溫降壓。經(jīng)兩次消能之后的疏水,通過擴(kuò)容器的底部流入凝汽器的熱井，部分閃蒸的蒸汽則進(jìn)入凝汽器喉部與汽輪機(jī)排汽混合。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，總共設(shè)計(jì)了7根疏水集管，分別編號(hào)為： A、B、C、D、E、F、H，每根集管均為φ325mm×13mm，每根疏水集管上在120°的弧度范圍內(nèi)，均勻布置了744個(gè)φ10mm的小孔。

該項(xiàng)目的汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)在汽輪機(jī)正常、穩(wěn)定的負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，能夠滿足系統(tǒng)管道和汽輪機(jī)本體的疏水要求，但是經(jīng)過仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)、甩負(fù)荷等特殊運(yùn)行工況時(shí)，部分疏水集管(D、E、H)有可能存在系統(tǒng)管道和本體疏水管路的疏水壓力不一致的情況，部分疏水集管上既連接了系統(tǒng)蒸汽管道的疏水管路又連接了汽輪機(jī)本體的疏水管路,這時(shí)就有可能導(dǎo)致疏水不暢或回流等。

圖1　疏水集管D的系統(tǒng)圖Fig.1　System diagram for bolder D of drain water

疏水集管D接入了1段抽汽(包括高壓缸本體)、高溫再熱蒸汽管道、高溫再熱主汽門疏水和漏汽(見圖1)。把高溫再熱蒸汽管道的系統(tǒng)疏水與1段抽汽和高溫再熱閥門的本體疏水匯集到1根疏水集管中。在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)或汽輪機(jī)甩負(fù)荷、緊急跳閘等特定工況下，按照運(yùn)行規(guī)程，開啟高溫再熱蒸汽管道的疏水閥門時(shí)，因?yàn)闆]有設(shè)置節(jié)流孔板，這樣在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)大量疏水或者蒸汽進(jìn)入疏水集管。一旦疏水集管中的疏水或蒸汽不能及時(shí)排往疏水?dāng)U容器進(jìn)行擴(kuò)容降壓，則將聚集在疏水集管中，形成壓力相對(duì)較高的疏水或蒸汽。如果在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)或負(fù)荷快速變化時(shí)，按照運(yùn)行要求，開啟1段抽汽管路的疏水閥門進(jìn)行疏水，即使高壓加熱器沒有投運(yùn)，抽汽逆止門關(guān)閉，但是在汽缸內(nèi)沒有壓力或壓力較低的情況下，疏水集管中壓力較高的疏水就可能沿著1段抽汽逆止門前的疏水管路進(jìn)入高壓缸，造成汽缸下缸進(jìn)水，上下缸溫差變大的情況。

疏水集管E接入了3段、4段抽汽(包括低壓缸本體)疏水和冷段到輔汽聯(lián)箱管道、輔助蒸汽聯(lián)箱等系統(tǒng)管道疏水(見圖2)。根據(jù)運(yùn)行要求，輔助蒸汽聯(lián)箱在鍋爐點(diǎn)火前就需要投用，為鍋爐燃油霧化和空預(yù)器提供蒸汽，同時(shí)也為除氧器加熱和軸封系統(tǒng)提供蒸汽。輔助蒸汽聯(lián)箱的設(shè)計(jì)壓力為1.4MPa，設(shè)計(jì)溫度362.77℃，在啟動(dòng)階段，輔助蒸汽聯(lián)箱及相關(guān)管道疏水時(shí)，有壓力的疏水進(jìn)入疏水集管，而在汽輪機(jī)啟動(dòng)前，中壓缸通過中低壓連通管與低壓缸的真空系統(tǒng)相連，處于真空狀態(tài)，與中壓缸相連的3段、4段抽汽管道也處于一定的真空狀態(tài)。汽輪機(jī)啟動(dòng)前，開啟本體疏水閥門，對(duì)汽缸進(jìn)行疏水。中壓缸本體是通過3段、4段抽汽管道逆止門前的疏水管路進(jìn)行疏水的。這時(shí)如果集管中的疏水不能及時(shí)排出集管，使得具有一定壓力的疏水積存在集管中，則疏水有可能會(huì)沿著3段、4段抽汽管道在抽汽逆止門前的疏水管倒流到中壓缸。

圖2　疏水集管E的系統(tǒng)圖Fig.2　System diagram for bolder E of drain water

疏水集管H則接入了冷段再熱蒸汽管道和2段抽汽管道(包括中壓缸本體)的疏水(見圖3)。同樣存在系統(tǒng)管道疏水和汽輪機(jī)本體疏水混合接入同一集管內(nèi)。在機(jī)組啟動(dòng)前，高旁閥開啟，主蒸汽經(jīng)高旁減溫減壓后進(jìn)入冷段再熱管道，處于啟動(dòng)前的暖管和蒸汽升溫升壓階段，冷段再熱管道在高排逆止門之后的疏水閥門開啟進(jìn)行管道疏水。汽輪機(jī)高排逆止門前的疏水閥門也需要被開啟進(jìn)行高壓缸本體疏水。如果此時(shí)疏水集管疏水沒有被及時(shí)排至疏水?dāng)U容器，在集管內(nèi)形成帶壓力的疏水，則就有可能通過高排逆止門前的疏水管道倒流到高壓缸的底部。

圖3　疏水集管H的系統(tǒng)圖Fig.3　System diagram for bolder H of drain water

2汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)的改進(jìn)措施

為了避免可能存在的汽缸進(jìn)水事故，應(yīng)該對(duì)疏水集管D、E、H所涉及的疏水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改造。據(jù)前面的分析可知，在啟動(dòng)、停機(jī)或甩負(fù)荷等特定運(yùn)行工況下，可能導(dǎo)致疏水沿著疏水管路倒流回汽缸的前提條件是在疏水集管中積聚了一定壓力的疏水，并且該壓力可以克服抽汽逆止門前疏水管路的高度靜壓力及汽缸殘壓。在上述特定工況下，系統(tǒng)管道的疏水量比較大，同時(shí)壓力和溫度也相對(duì)較高。這時(shí)如果疏水集管中的疏水不能及時(shí)、迅速地排入擴(kuò)容器，而是積聚在集管內(nèi)，就有可能造成集管中充滿具有一定壓力的疏水。當(dāng)集管內(nèi)的壓力超過疏水管路的靜壓和汽缸殘壓之和，就有可能會(huì)發(fā)生疏水串流、倒流的現(xiàn)象。因此只要確保流入集管中的疏水能夠立即排入擴(kuò)容器，疏水不在集管(噴管)內(nèi)積聚，不形成帶壓疏水，就可以避免發(fā)生疏水串流、倒流。

根據(jù)相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及其他類似電廠的改造后實(shí)際運(yùn)行情況，為了保證集管內(nèi)的疏水能夠立即排入擴(kuò)容器，噴管結(jié)構(gòu)噴嘴通流面積需要滿足大于集管橫截面一定比例的條件。由于汽輪機(jī)本體疏水、汽機(jī)系統(tǒng)管道的疏水、以及凝汽器的中汽機(jī)排汽對(duì)疏水集管疏水排放產(chǎn)生多重相互作用，特別是在汽機(jī)甩負(fù)荷工況下，通流面積的擴(kuò)大比例受實(shí)際系統(tǒng)配置的影響。根據(jù)在其他機(jī)組上改造經(jīng)驗(yàn)通流面積也不是越大越好，通流面積過大會(huì)引起與凝汽器疏水?dāng)U容器相關(guān)的系統(tǒng)在運(yùn)行產(chǎn)生一些振動(dòng)以及過大的熱沖擊，同時(shí)對(duì)疏水集管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此該項(xiàng)目在保持對(duì)現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)總體不變的情況下，采取邊改進(jìn)，邊運(yùn)行試驗(yàn)觀察的方式，逐步推進(jìn)，以免引起其他的熱沖擊或效率降低的問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選擇了1.5倍以上，2倍以下比列的改造措施，以觀察改進(jìn)的效果，看是否進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。具體增加的通流面積的比例將由所改造的集管結(jié)構(gòu)和尺寸來確定。通過改造后的實(shí)際運(yùn)行效果，發(fā)現(xiàn)在此比例范圍下能夠滿足疏水系統(tǒng)通暢，沒有出現(xiàn)串流、倒流的現(xiàn)象，同時(shí)也沒有出現(xiàn)其他的運(yùn)行問題。

該項(xiàng)目中疏水集管與疏水?dāng)U容器相連接的噴管通過744只φ10mm的疏水小孔把疏水排入擴(kuò)容器內(nèi)降溫降壓。

根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，各種面積計(jì)算如下：

疏水集管(噴管)的橫截面積

S1=3.14×(325-13)2/4=76415mm2

噴管疏水小孔的出口總通流面積

S2=3.14×102/4×744=57288mm2

疏水?dāng)U容器噴管的噴嘴出口總通流面積僅為疏水集管橫截面積的0.75(S2/S1=0.75)。通過計(jì)算結(jié)果可知，如果在溫態(tài)、熱態(tài)啟動(dòng)、停機(jī)或甩負(fù)荷等運(yùn)行工況下，系統(tǒng)管道的疏水量比較大，而且疏水的能級(jí)也比較高，可能會(huì)存在不能及時(shí)排入擴(kuò)容器的情況，那么這些還具有比較高壓力和溫度的疏水將在集管(噴管)內(nèi)積聚，這時(shí)就可能沿著已經(jīng)打開疏水閥門的本體疏水管路倒流進(jìn)入汽缸。

通過保證噴管的噴嘴出口總通流面積至少為疏水集管(噴管)的橫截面積的1.5倍，以確保在集管內(nèi)不積聚一定壓力疏水，對(duì)疏水集管D、E、H所對(duì)應(yīng)的噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。最初的噴管是在一側(cè)120°范圍內(nèi)已經(jīng)全部鉆了744個(gè)噴嘴小孔，為了增加噴管出口總通流面積，在與D、E、H疏水集管相連的每根噴管原有的小孔基礎(chǔ)上增加10只φ100mm的疏水孔。

新增φ100mm疏水孔的通流面積

S3=3.14×1002/4×10=78500mm2

增加φ100mm的疏水孔必然與原有的部分φ10mm小孔在位置上重疊，這樣導(dǎo)致原有疏水小孔的總通流面積相應(yīng)的減少。根據(jù)兩種不同直徑疏水孔的布置，1只φ100mm疏水孔，大致將覆蓋17只φ10mm的疏水孔。如圖4所示，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，小孔的軸向中線的間距為20mm，徑向中心線的間距為3.14×325×8°/360°=22.7mm。減少的疏水孔的通流面積為

S4=3.14×102/4×17×10=13345mm2

圖4　增加1只φ100mm的大孔將　覆蓋17只φ10mm的小孔Fig.4　Adding a big hole with diameter of 100mm can　cover 17 holes with diameter of 10mm

經(jīng)過上述對(duì)疏水?dāng)U容器的疏水噴管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造后，噴管疏水孔的出口總通流面積與疏水集管橫截面積的比例為

(S2-S4+S3)/S1=

(57288-13345+78500)/76415=

1.6023>1.5

噴管疏水孔的出口總通流面積是疏水集管橫截面積的1.6023倍。經(jīng)過改造后，疏水集管中的疏水能夠立即通過這些疏水孔進(jìn)入處于一定真空狀態(tài)的疏水?dāng)U容器，可以確保疏水集管中不積聚形成有一定壓力的疏水，也就避免了疏水串流、倒流，進(jìn)入汽缸的情況。

根據(jù)噴管和疏水?dāng)U容器的結(jié)構(gòu)尺寸，10只φ100mm疏水孔的位置布置如圖5所示。根據(jù)疏水孔的設(shè)計(jì)原則，所有孔均在軸向和徑向錯(cuò)開布置，既方便疏水，又有利于噴管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。噴管疏水孔的布置范圍為軸向長(zhǎng)度1.2m，與擴(kuò)容器的寬度一致，小孔中心線的徑向長(zhǎng)度為120°的弧度，即3.14×325×120°/360°=340mm；因此，把10只φ100mm疏水孔均勻布置在此范圍內(nèi)。

圖5　10只φ100mm疏水孔的布置圖(mm)Fig.5　Arrangement of 10 holes with diameter of 100mm

3總結(jié)和建議

在對(duì)某項(xiàng)目的汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)，按照分析研究和相應(yīng)改進(jìn)措施，把伊拉克某項(xiàng)目的汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)中與D、E、H疏水集管相連的每根擴(kuò)容器噴管上增開10只φ100mm的疏水孔，以增加總通流面積。該項(xiàng)目的第一臺(tái)機(jī)組自汽輪機(jī)整套啟動(dòng)，到完成30天可靠性試運(yùn)行，直至后續(xù)商業(yè)運(yùn)行的過程中，整個(gè)汽輪機(jī)和凝汽器運(yùn)行均非常穩(wěn)定。在調(diào)試和可靠性試運(yùn)期間，雖多次因?yàn)殄仩t原因?qū)е轮魅剂舷到y(tǒng)跳閘或消缺性停機(jī)，但在啟動(dòng)、停機(jī)和甩負(fù)荷等特定運(yùn)行工況下，均沒有出現(xiàn)汽輪機(jī)汽缸上下缸溫超限的異常情況。這表明上述改進(jìn)措施，有效地解決了在特定運(yùn)行工況下系統(tǒng)管道疏水和汽輪機(jī)本體疏水串流、倒流的問題，同時(shí)本體疏水?dāng)U容器的噴管改造后，也運(yùn)行正常，沒有發(fā)生任何異常情況。

通過增加本體疏水?dāng)U容器噴管疏水出口的總通流面積，保證流入疏水集管(噴管)中疏水能夠及時(shí)地全部排入擴(kuò)容器內(nèi);確保在疏水集管中不積聚有壓力的疏水，從而解決在特定運(yùn)行工況下疏水串流、倒流，汽缸進(jìn)水的問題。上述改進(jìn)過程

也相對(duì)簡(jiǎn)便、實(shí)用，其他具有類似情況的電廠可以參考本研究，進(jìn)行相應(yīng)的疏水系統(tǒng)改進(jìn)，避免發(fā)生汽缸進(jìn)水的事故。

參考文獻(xiàn)：

[1]李煥輝，曾慶泉.汽輪機(jī)中壓缸溫差大原因分析及其改造[J].廣東電力，2003(3): 72-74.

[2]國(guó)家電力公司.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[M].南昌： 21世紀(jì)出版社，2001: 33-35.

[3]崔賢基，張啟林.大型汽輪機(jī)疏水量計(jì)算研究[J].機(jī)械工程師,2011(7): 171-172.

[4]李路江，李暉，梁華.國(guó)產(chǎn)150MW汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].熱力發(fā)電，2007(4): 65-68.

[5]石佳.1GW汽輪機(jī)主、再熱汽管道疏水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2008(11): 50-52.

[6]許文輝，戴木強(qiáng).200MW汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)的改進(jìn)[J].發(fā)電設(shè)備，2009,23(4): 262-265.

[7]田豐.大型機(jī)組汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)若干問題探討[J].熱力透平，2004,33(2): 124-126.

[8]彭國(guó)文，李海峰.電廠汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)的優(yōu)化[J].廣西電力，2007(3): 48-50.

[9]張偉，周文民，荊立坤.330MW汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)優(yōu)化改造[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2013,55(2): 147-149.

[10]李秉正，徐志強(qiáng)，武宏偉.200MW汽輪機(jī)主、再熱汽管道疏水系統(tǒng)的改造[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2004,22(3): 47,50.

[11]徐廣喜.300MW機(jī)組疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式探討[J].河南電力，2002(2): 21-23,42.

[12]文立斌.300MW汽輪機(jī)啟動(dòng)疏水?dāng)U容器甩負(fù)荷工作異常的原因分析及處理[J].廣西電力，2005(1): 21-23.

[13]梁振明，喬永成.汽輪機(jī)啟停過程中上下缸溫差增大的控制[J].中國(guó)電力，2010,43(8): 31-33.

[14]劉昌龍.電廠汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)的優(yōu)化[J].科技傳播，2010(8): 145,133.

[15]朱小令，李明亮，鄧世敏，等.珠江電廠300MW汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)及其運(yùn)行方式的改進(jìn)[J].熱力發(fā)電,1995(5): 3-9.

Improvement of Drainage System for Steam Turbine

ZHANGYu

(Shanghai Electric Power Generation Engineering Company, Shanghai 201100, China)

Abstract:Research on the drainage system of a steam turbine in a power plant in Iraq show that three drainage manifolds are connected to drainage pipes from the system steam piping and the turbine’s main body. Under certain operation conditions such as start up, shut down, and load rejection, drainage probably enters back into the cylinder of the steam turbine. By adding the total area of passage in the outlet of each drainage manifold, the above-mentioned problem is solved.

Key words:drainage system； improvement； area of passage

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TK 264.9

文章編號(hào)2095 - 0020(2015)01 -0053 - 05

作者簡(jiǎn)介：張宇(1975-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)槠啓C(jī)系統(tǒng)調(diào)試，E-mail: yemeifang123456@126.com

收稿日期：2015 - 01 - 28