電廠高旁閥振動(dòng)原因分析及處理

吳蔚宇，王小艷，胡沁坤，唐磊(.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙40007；.湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，湖南長(zhǎng)沙400；.湖南金爐科技有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙4000)

電廠高旁閥振動(dòng)原因分析及處理

吳蔚宇1，王小艷1，胡沁坤2，唐磊3
(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007；2.湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，湖南長(zhǎng)沙410203；3.湖南金爐科技有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410200)

某電廠在啟動(dòng)過(guò)程中，高旁閥出現(xiàn)高頻振動(dòng)造成閥桿振斷，通過(guò)對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行綜合分析，采取了針對(duì)性的處理措施，成功地解決了閥門高頻振動(dòng)問(wèn)題，消除了安全隱患。

汽輪機(jī)組；高旁閥；高頻振動(dòng)；原因分析

在電廠運(yùn)行設(shè)備中，汽機(jī)旁路系統(tǒng)作為一個(gè)非常重要的設(shè)備。旁路系統(tǒng)投入時(shí)，主蒸汽經(jīng)高壓旁路減溫減壓后，直接進(jìn)入再熱器冷段的管路系統(tǒng)；再熱器出來(lái)的蒸汽經(jīng)低壓旁路減溫減壓后直接排入凝汽器，對(duì)改善機(jī)組的啟動(dòng)性能，保護(hù)機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常重要的作用。

1 設(shè)備概述

某電廠600MW燃煤發(fā)電工程于2012年9月投入運(yùn)行，汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)的日立技術(shù)生產(chǎn)制造的超臨界汽輪機(jī)。鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司制造的超臨界參數(shù)、一次中間再熱、變壓直流燃煤鍋爐。采用40%容量高、低壓二級(jí)串聯(lián)液動(dòng)旁路。高壓旁路閥為博普羅依特安全與調(diào)節(jié)閥門有限公司產(chǎn)品，高壓旁路閥型式為角式，驅(qū)動(dòng)方式為液壓，高旁閥前后最大差為22.23MPa。

2 事故情況介紹

該電廠在2013年共進(jìn)行了3次沖轉(zhuǎn)，出現(xiàn)高排逆止閥門后疏水罐水位計(jì)接管焊縫振裂、高旁閥后壓力表管斷裂、高旁閥后溫度測(cè)點(diǎn)反復(fù)故障損壞等問(wèn)題；在啟動(dòng)過(guò)程中，高旁投入運(yùn)行時(shí)聲音較異常，噪聲非常大且尖銳，高旁閥振動(dòng)幅度較小，觀察不明顯，現(xiàn)場(chǎng)巡查無(wú)水錘聲音。

該電廠投產(chǎn)后在2013年12月機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，高旁投入運(yùn)行時(shí)噪音嚴(yán)重超標(biāo)，噪聲非常大且尖銳，高旁閥振動(dòng)幅度較小，但是頻率極高，因?yàn)楦吲蚤y后溫度測(cè)點(diǎn)因振動(dòng)損壞，控制系統(tǒng)誤判斷為閥門出口超溫，高旁閥減溫水投入自動(dòng)控制，減溫水調(diào)節(jié)閥瞬間全開反復(fù)波動(dòng)，造成過(guò)量噴水形成嚴(yán)重水擊，產(chǎn)生熱應(yīng)力沖擊，在高頻振動(dòng)疊加下，高旁閥減溫水環(huán)形管與噴嘴座連接管處的焊口、噴嘴座與高旁閥出口管的焊口出現(xiàn)開裂。同時(shí)，隨著高旁閥的開度增大，高旁閥附近區(qū)域的噪音明顯增大，高排逆止閥后疏水罐水位計(jì)接管和高旁閥后壓力表管在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程被振裂。

3 旁路振動(dòng)原因分析

3.1 旁路閥振動(dòng)原因

1)旁路閥閥座直徑過(guò)小，流經(jīng)閥座處的流速急劇增加，高旁閥前后壓差急劇變化，閥門閥籠受沖擊，穩(wěn)定性變差，造成旁路閥的穩(wěn)定性變差，引起旁路閥振動(dòng)，伴有刺耳聲。

2)旁路閥后管道布置不合理。旁路閥的安裝要求是旁路閥后的直管段長(zhǎng)度一般應(yīng)為管道直徑的5～10倍，且溫度測(cè)溫點(diǎn)要求在水滴完全霧化之后安裝距離約為0.15 s與管道出口最大流速之積，如旁路閥后直管段過(guò)短或管道布置出現(xiàn)U型彎等都會(huì)引起旁路閥門振動(dòng)，測(cè)溫點(diǎn)布置靠旁路出口太近，會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)確，容易引起噴水閥門的錯(cuò)誤動(dòng)作，導(dǎo)致水擊，從而形成熱應(yīng)力破壞。該電廠旁路閥后的管道布置合理，但是測(cè)溫點(diǎn)靠近旁路，導(dǎo)致噴水閥誤動(dòng)作，后續(xù)把測(cè)溫點(diǎn)向后移已滿足測(cè)溫正確的要求。

3)因管道或者閥內(nèi)有水導(dǎo)致水擊，水在瞬間氣化產(chǎn)生巨大的沖擊破壞力導(dǎo)致劇烈的振動(dòng)，主要是在機(jī)組啟動(dòng)初期，由于啟動(dòng)限制蒸汽無(wú)法快速達(dá)到過(guò)熱蒸汽(需要過(guò)熱度超過(guò)50℃)，此不飽和蒸汽或者低過(guò)熱度蒸汽會(huì)推動(dòng)管壁上的冷凝水高速移動(dòng)的水滴在流經(jīng)入口閥籠時(shí)速度會(huì)進(jìn)一步增大，當(dāng)水滴撞擊閥芯部件的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生水擊現(xiàn)場(chǎng)，過(guò)量的減溫水瞬間加汽化產(chǎn)生巨大的沖擊力，可以沖毀閥后的降噪籠，導(dǎo)致閥門的降壓效果大打折扣，從而進(jìn)一步加劇閥門的震動(dòng)噪音等問(wèn)題。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，高旁閥為高頻振動(dòng)，振幅小，振動(dòng)頻率高，設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家重新核算高旁閥閥座直徑是否滿足要求。閥門通流面積為閥座直徑與閥芯行程的乘積函數(shù)，在通流面積一定的情況下，閥座直徑大則閥芯行程短，反之亦然。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供高旁閥閥座直徑為Φ140 mm，行程為100mm。此閥座直徑下主蒸汽流量768 t/h對(duì)應(yīng)的Kverfw為384.0m3/h，Kvmax為504.6m3/h。閥門可以滿足運(yùn)行要求。

根據(jù)旁路生產(chǎn)廠家布置要求，如果減溫前的蒸汽溫度高于425℃，建議閥后采用低合金管，且閥門出口至第一個(gè)下游彎頭之間直管至少為5倍內(nèi)徑。這種布置方式主要是使減溫水能充分霧化并有足夠的距離與蒸汽混合，保證噴水減溫效果，避免霧化不充分產(chǎn)生的汽水兩相流，對(duì)管道產(chǎn)生沖刷，引起管道高頻振動(dòng)。該電廠項(xiàng)目高旁閥后為A691CrCL22合金鋼，且高旁閥后管道長(zhǎng)度為5 900 mm，管道外徑為Φ711.2mm，閥后管道長(zhǎng)度為管道直徑的8.3倍，完全滿足廠家要求，排除了管道布置不合理引起高旁振動(dòng)的因素。

3.3 振動(dòng)原因分析

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)各運(yùn)行工況和運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有以下原因造成高旁閥振動(dòng)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生破壞:

高旁閥后蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置不合理，蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)距離高旁閥距離不足3m，減溫水沒(méi)有完全霧化，導(dǎo)致測(cè)溫錯(cuò)誤，給DCS的信號(hào)錯(cuò)誤，從而錯(cuò)誤操作減溫水閥，產(chǎn)生過(guò)度噴水導(dǎo)致水擊，產(chǎn)生的巨大拉力把高旁閥上彈簧噴嘴拉裂。

在分析了機(jī)組啟動(dòng)時(shí)DCS數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程中主蒸汽溫度接近濕蒸汽區(qū)運(yùn)行，在啟動(dòng)并網(wǎng)過(guò)程中，運(yùn)行人員沒(méi)有及時(shí)打開管道疏水閥，高旁閥是在主蒸汽管道和再熱冷段管道沒(méi)有充分疏水的情況下開啟的。參照汽輪機(jī)制造商對(duì)主蒸汽溫度的要求可知，阿爾斯通公司要求蒸汽過(guò)熱度60℃以上，西門子公司要求蒸汽過(guò)熱度45℃以上。當(dāng)主蒸汽溫度接近濕蒸汽區(qū)運(yùn)行時(shí)，蒸汽混夾的水滴將對(duì)高旁閥閥芯產(chǎn)生沖擊，尤其是通過(guò)高旁閥座后流速升高，破壞力增大，閥門內(nèi)部四級(jí)降壓降噪籠可能因此發(fā)生損壞或脫落，造成蒸汽未經(jīng)充分減壓直接進(jìn)入閥后管道，產(chǎn)生高頻振動(dòng)和噪音。

據(jù)反映高旁閥在安裝后第1次投入使用時(shí)(調(diào)試期間，168 h試驗(yàn)運(yùn)行前)，就存在很大的噪音；而在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，高旁閥隨著鍋爐點(diǎn)火而投入使用(保護(hù)鍋爐再熱器)，規(guī)程要求主蒸汽升溫速率小于1℃/min，且至少有2 h主蒸汽溫度在接近濕蒸汽區(qū)運(yùn)行。因此，高旁閥作為機(jī)組的啟動(dòng)閥門，必須適應(yīng)濕蒸汽區(qū)運(yùn)行，而旁路廠家要求該閥門穩(wěn)定在過(guò)熱蒸汽區(qū)間運(yùn)行且過(guò)熱度大于45～60℃，沒(méi)有考慮到電廠的實(shí)際運(yùn)行情況，閥門存在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。

4 旁路振動(dòng)處理方案

1)將高旁閥后測(cè)溫點(diǎn)移至高旁閥出口管道下游適當(dāng)位置，保證測(cè)點(diǎn)區(qū)域減溫水完全霧化并與蒸汽混合，以保證測(cè)溫點(diǎn)準(zhǔn)確的測(cè)出高旁出口的真實(shí)溫度，避免錯(cuò)誤操作減溫水閥產(chǎn)生過(guò)度噴水導(dǎo)致水擊。

2)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)按照運(yùn)行規(guī)程和廠家要求對(duì)主蒸汽管道和再熱冷段管道進(jìn)行充分疏水，不應(yīng)在沒(méi)有暖管的情況下開啟高旁閥，盡量縮短主蒸汽溫度接近濕蒸汽區(qū)的運(yùn)行時(shí)間，以減少蒸汽中夾帶水滴對(duì)高旁閥的破壞。

3)旁路生產(chǎn)廠家針對(duì)該電廠實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)閥門內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì):閥芯由圓筒型改為拋物線型，改善低開度工況時(shí)閥芯的微調(diào)控制品質(zhì)，并將第3級(jí)降噪籠與第4級(jí)降噪籠分離，第3級(jí)降噪籠尺寸縮小，厚度增大改為閥座懸掛結(jié)構(gòu)，同時(shí)第4級(jí)降噪籠增加體積尺寸和底部封板厚度。這種閥門結(jié)構(gòu)的修改將閥芯改為帶一段可調(diào)節(jié)的閥芯，可以在小開度時(shí)更好的調(diào)節(jié)分配在各級(jí)籠罩上壓降比，避免局部流速過(guò)高，另外最重要的將第3級(jí)籠罩改為閥座籠罩，這樣可以將流經(jīng)閥座處的大股的經(jīng)過(guò)降壓膨脹后的蒸汽能量通過(guò)閥座籠罩分散成多股小的能量，避免原來(lái)第3，4級(jí)置于閥后設(shè)計(jì)導(dǎo)致的大股能量直接沖擊籠罩底部，特別是有水擊的情況下，不會(huì)導(dǎo)致籠罩底部脫落。如果運(yùn)行中有少量的濕蒸汽工況時(shí)，少量水汽化產(chǎn)生的能量會(huì)通過(guò)閥座籠罩分成小的能量，避免直接沖擊。但是也不允許閥門長(zhǎng)期運(yùn)行于濕蒸汽工況。這種改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以有效地解決閥門運(yùn)行中受夾帶水滴的濕蒸汽沖擊而損壞的問(wèn)題。改進(jìn)后的閥門如圖1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

高旁閥維修改造后投入運(yùn)行，順利完成各種試驗(yàn)，高旁閥開啟時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)高頻振動(dòng)情況，噪音在80 db以下，運(yùn)行參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行情況良好。減少了機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)，根除了高旁事故隱患，確保機(jī)組安全高效運(yùn)行，改造取得了滿意的效果。

圖1 高旁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

〔1〕博普羅依特公司.高低壓汽機(jī)旁路控制閥操作維護(hù)手冊(cè)〔R〕.2010.

〔2〕中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，巾華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50764—2012〔S〕.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

〔3〕中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì).火力發(fā)電廠調(diào)節(jié)閥選型導(dǎo)則:DJGJ 167—2004〔S〕.2004.

Analysis and Treatment on Vibration Causes of HP Bypass Valve in Power Plant

WUWeiyu1，HU Qinkun2，TANG Lei3，WANG Xiaoyan1
(1.China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Hunan Electric Power Design Institute，Changsha 410007，China；2.Hunan Huadian Group Changsha Power Plant Co.，Ltd.，Changsha 410203，China；3.Hunan Gold Furnace Science＆Technology Co.，Ltd.，Changsha 410200，China)

In the process of start-up at a power plant，high frequency vibration of HP bypass valve occurred，and the stem of valve cracked.Through the comprehensive analysisof the causes of vibration，with correspondingmeasures，the problem of high frequency vibration of HP bypass valve was solved successfully，and the security risk has been eliminated.

steam turbine；HP bypass valve；high frequency vibration；cause analysis

TM621.3

B

1008-0198(2017)03-0065-03

吳蔚宇(1971)，女，高級(jí)工程師，主要從事熱力發(fā)電廠設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.018

2016-08-09 改回日期:2017-04-20