600MW直接空冷機(jī)組空冷凝結(jié)水下降管道沖擊振動原因分析及處理措施

苑志軍 趙佰千 馮振遠(yuǎn) 張興凱 蘇醒

摘 要：我廠一期為2*600MW亞臨界空冷燃煤機(jī)組，2008年投入運(yùn)行，采用斯比克（SPX）冷卻技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SRC型單排管機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)（ACC），單機(jī)換熱面積1605780m2共8列，56臺風(fēng)機(jī)，每列設(shè)兩個逆流單元。若空冷凝結(jié)水下降管沖擊振動則直接影響機(jī)組安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：空冷凝結(jié)水下降管道；沖擊振動分析；處理措施

中圖分類號：TK264.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0142-03

1 設(shè)備概述

陜西府谷電廠一期2×600MW直接空冷機(jī)組，一采用斯比克（SPX）冷卻技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SRC型單排管機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)（ACC），單機(jī)換熱面積1605780m2，共8列，56臺風(fēng)機(jī)，每列設(shè)兩個逆流單元?？绽湎到y(tǒng)自投運(yùn)以來，春、冬兩季的空冷凝結(jié)水下降管沖擊振動頻發(fā)。該現(xiàn)象會使管道焊口撕裂、吊架脫落，管道漏真空造成機(jī)組非停事件。

空冷凝汽器（ACC）通過向大氣釋放熱量對汽機(jī)排汽和汽機(jī)旁路的減溫減壓蒸汽進(jìn)行冷凝。府谷縣不屬于高寒地區(qū)，初設(shè)時室外空冷凝結(jié)水系統(tǒng)的保溫做到距地面13m的高度，各列凝結(jié)水支管、橫向母管和下降管13m以上部分未敷設(shè)保溫，裸露部分占80%。發(fā)生沖擊振動的部位在“S”型下降管轉(zhuǎn)彎處?？绽鋶u凝結(jié)水下集箱Φ610×8mm，空冷島凝結(jié)水支管：Φ168.3×7.1mm，Φ219.1×6.3mm，Φ273×6.3mm，Φ457×6.3mm，Φ610×6.3mm，空冷島凝結(jié)水下降母管：Φ660×8mm。

府谷電廠的空冷系統(tǒng)每一列凝結(jié)水下聯(lián)箱在逆流排處設(shè)兩個排出口，蒸汽凝結(jié)成水后由排出口流入該列凝結(jié)水支管；1-4列和5-8列的各列凝結(jié)水支管分別在空冷島平臺下部匯成兩段橫向母管，每段母管接一下行的“S”型下降管，在距地面2.5m高度轉(zhuǎn)為水平管道通過真空除氧器進(jìn)入汽輪機(jī)排汽裝置，凝結(jié)水靠自然重力回流至熱井?？绽鋶u平臺下部兩橫向凝結(jié)水母管在相鄰的端部設(shè)有向上彎曲的“Ω”型聯(lián)絡(luò)管，以保持兩段背壓均衡。冷卻元件為翅片管束。翅片管束是傳熱效率高、空氣阻力小、性能先進(jìn)、強(qiáng)度能滿足安裝、運(yùn)行、維修、沖洗要求的冷卻元件。采用的冷卻元件為單排管方案，翅片管基管采用鋼覆鋁結(jié)構(gòu)，基管壁厚為1.5mm，翅片采用鋁翅片，厚度為0.30mm。每根管束兩側(cè)均有獨(dú)立的，而并非相鄰管束公用的鋁蓋板，蓋板厚度為0.4mm。

在所有的運(yùn)行條件下，翅片管束不能有水平和垂直方向變形，其翅片也不能有變形發(fā)生，翅片有足夠的強(qiáng)度，能夠承受高壓水沖洗而不會遭受永久性的損傷變形。不論是空冷凝汽器內(nèi)每個管束的溫度是否一致，均保證在所有運(yùn)行條件下，所有的管束中均充滿蒸汽。冷卻管束、集管和相關(guān)管道采用自排水設(shè)計，其布置應(yīng)便于蒸汽的有效分配及凝結(jié)水的回收?？绽淠髂艹惺茉诰嗟孛?7m處的陣風(fēng)的影響。冷凝器的布置不因?yàn)闊崤蛎浕騼?nèi)部過壓力等原因而產(chǎn)生過大的應(yīng)力。

為了保證系統(tǒng)的真空氣密性，冷凝器的管束、集管和蒸汽分配管道必須采用焊接連接。汽機(jī)的排汽應(yīng)在整個系統(tǒng)的冷卻管束內(nèi)均勻分配。冷卻管束安裝在由側(cè)板，支撐和定位裝置組成的結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成能夠吸收熱膨脹的自支撐單元，對所有管束焊縫進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，對于集管的進(jìn)出口管道提供焊接用的接管座。集管的尺寸和形狀保證蒸汽能均勻分配至所有的冷卻元件，在管束入口處無腐蝕。對集管采用全焊接結(jié)構(gòu)，焊接符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不采用螺紋連接及螺絲固定連接。在焊接封閉之前，集管的內(nèi)外表面進(jìn)行噴砂除銹處理，處理后應(yīng)達(dá)到凈白（按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）集管外表面進(jìn)行油漆防腐處理（按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)），充分注意管束和管板之間連接的密封。每塊管束進(jìn)行單獨(dú)的氣密性試驗(yàn)。管束兩端應(yīng)采用可靠有效的封堵，以免損壞銹蝕。

每個風(fēng)機(jī)對應(yīng)的冷卻管束（冷卻單元）應(yīng)有其空氣通道，以保證冷空氣進(jìn)入及熱空氣排出，凝汽器支撐鋼結(jié)構(gòu)的布置不影響冷空氣進(jìn)入凝汽器。不同冷卻單元之間設(shè)隔墻，以免相鄰冷卻單元相互影響和相鄰風(fēng)機(jī)的停運(yùn)而降低通風(fēng)效率，隔墻便于拆裝和維護(hù)，并具有一定的強(qiáng)度，以免由于振動而損壞。對整個凝汽器除冷凝器風(fēng)道以外的縫隙，采用抗腐蝕板進(jìn)行封堵，以保證凝汽器不被旁路。

我廠所用風(fēng)機(jī)為技術(shù)先進(jìn)，性能可靠的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)及電動機(jī)功率通過優(yōu)化計算確定，風(fēng)機(jī)的靜壓效率不低于58.9%。風(fēng)機(jī)和電動機(jī)為戶外型，能適應(yīng)廠址地區(qū)的自然環(huán)境?？绽滹L(fēng)機(jī)采用雙速風(fēng)機(jī)。順流單元的風(fēng)機(jī)減速箱有逆轉(zhuǎn)制動裝置，用于逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)可以反轉(zhuǎn)。風(fēng)機(jī)配有防冷淬的葉片，葉片應(yīng)為整體部件，嚴(yán)禁采用多個部件通過螺栓連接組成一個葉片。將風(fēng)機(jī)葉片緊固在輪轂上，風(fēng)機(jī)輪轂應(yīng)為鋼鑄件或鋼加工件。風(fēng)機(jī)葉片的尖端最大線速度值不超過40.00m/s。風(fēng)機(jī)不會引起其周圍結(jié)構(gòu)或凝汽器產(chǎn)生任何過大的振動，采用減震裝置。風(fēng)機(jī)裝設(shè)相應(yīng)的振動保護(hù)裝置。風(fēng)機(jī)配備玻璃鋼鐘型進(jìn)風(fēng)口整流罩，在整流罩上緊固鍍鋅鋼網(wǎng)保護(hù)，保護(hù)網(wǎng)能承受1000N/m2的活動荷載。在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時，減速箱有足夠的潤滑油。減速箱設(shè)有防止油泄漏設(shè)施，注油后，注油孔不應(yīng)有油泄漏。油位標(biāo)尺位于易接近的位置。減速箱外殼堅固，由高質(zhì)量鑄鐵制成。為適應(yīng)嚴(yán)寒環(huán)境，減速箱內(nèi)設(shè)有防止?jié)櫥蛢鼋Y(jié)的裝置。

抽真空系統(tǒng)：抽真空系統(tǒng)的功能是在機(jī)組啟動和正常運(yùn)行時排出汽輪機(jī)、空冷凝汽器和其它輔助設(shè)備和管道中的空氣，建立和維持機(jī)組真空。

抽真空系統(tǒng)采用3臺100%容量的水環(huán)式機(jī)械真空泵，其中1臺運(yùn)行，1臺備用，一臺檢修備用。一臺水環(huán)式機(jī)械真空泵的抽真空能力應(yīng)滿足機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的要求。真空泵布置在A排外。

建立真空的抽真空設(shè)備全部運(yùn)行的條件下，空冷凝汽器從當(dāng)?shù)卮髿鈮哼_(dá)到35kPa的時間不超過40min。

日常運(yùn)行方式：風(fēng)機(jī)自動投入；

目前運(yùn)行狀況：風(fēng)機(jī)自動投入，加負(fù)荷期間，手動調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，平衡空冷各列抽真空和空冷凝結(jié)水參數(shù)，減小凝結(jié)水管道振動。

2 空冷凝結(jié)水下降管道沖擊振動原因分析

機(jī)組在加負(fù)荷期間空冷島凝結(jié)水管道有不同程度的振動。春、冬兩季的空冷凝結(jié)水下降管沖擊振動時有發(fā)生，自從2016年#1機(jī)組凝結(jié)水下降管各加裝一組穩(wěn)流器后，振動大幅度減小，振動消除約80%，#2機(jī)組凝結(jié)水下降管振動在運(yùn)行期間較#1機(jī)組偏小，僅在5-8列凝結(jié)水下降管加裝一只穩(wěn)流器，#2機(jī)組振動很少發(fā)生。

通過機(jī)組運(yùn)行時對#1、#2機(jī)空冷凝結(jié)水管道觀察得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）沖擊振動多半發(fā)生在環(huán)境溫度-5℃-20℃下的機(jī)組高負(fù)荷時段，集中在春、冬季。

（2）一般表現(xiàn)為兩根凝結(jié)水下降管中的一根發(fā)生沖擊振動，而另一根運(yùn)行平穩(wěn)；或兩根均發(fā)生，其中一根強(qiáng)烈，一根較弱。

（3）此類凝結(jié)水下降管的沖擊振動和機(jī)組的真空嚴(yán)密性存在一定關(guān)系。#1機(jī)真空嚴(yán)密性在50-80Pa/min，#2機(jī)真空嚴(yán)密性在120-180Pa/min，#1機(jī)沖擊振動強(qiáng)烈，#2機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，并非真空嚴(yán)密性差的機(jī)組凝結(jié)水下降管沖擊振動幅度大。

機(jī)組運(yùn)行時對#1、#2機(jī)空冷凝結(jié)水管道通過溫度檢測，空冷島真空調(diào)整及風(fēng)機(jī)頻率變化（見表1）分析出管道振動的原因有以下兩點(diǎn)：

（1）真空系統(tǒng)漏真空，漏入的空氣被帶入空冷島使分配到各翅片管內(nèi)的蒸汽不均衡，分配份額較多的管束，蒸汽凝結(jié)后溫度較高，或還處于過飽和狀態(tài)，含有蒸汽泡，隨水流流入下降管。

（2）同一列的不同區(qū)域真空存在差別，逆流列真空最低，從該列其它風(fēng)室單元流來凝結(jié)飽和水和部分帶有汽泡的不飽和水，流至背壓較低的逆流列時就會形成過飽和水，產(chǎn)生蒸汽泡，蒸汽泡來不及釋放就在該列流入凝結(jié)水母管，從各列來的帶有汽泡的凝結(jié)水在母管中匯合，向下流入下降管。在下降管中，蒸汽泡向下的流速低于凝結(jié)水的流速，于是原來的汽泡就會和流來的小氣泡匯合使汽泡逐漸變大，流速逐漸變小，下降過程中使處于室外自然環(huán)境下的凝結(jié)水管道介質(zhì)溫度逐步降低；在通過管道彎頭時，汽泡會受擠壓，凝結(jié)水的壓力相對較高，在這三重作用下，大氣泡破裂，形成強(qiáng)烈水沖擊“水錘”、管道振動現(xiàn)象。

凝結(jié)水在流動過程中引發(fā)的沖擊振動，是由于管內(nèi)存在汽水兩相流，凝結(jié)水中摻雜的未凝結(jié)汽泡匯聚后破裂造成。具體的成因可以分析為以下過程：

（1）空冷同一列不同區(qū)域的蒸汽分配不均勻，冷卻過程中風(fēng)量、翅片管的臟污程度存在差別，因此形成各區(qū)域凝結(jié)水的過冷度不同，即凝結(jié)水的溫度不同；同一列不同區(qū)域的背壓也是存在差別（差別不大）。逆流單元的蒸汽分配量最少，并在此蒸汽已接近全部凝結(jié)，并且抽空氣管道在此持續(xù)抽吸作用下，因而此處背壓是最低的，對應(yīng)的飽和溫度也最低。從兩側(cè)流來的較高溫度凝結(jié)水，在逆流單元的放水口附近將達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)，產(chǎn)生第一批汽泡，并順?biāo)飨騾R集管。

（2）同一機(jī)組空冷各列的蒸汽分配不均勻，由于風(fēng)場的影響，不同列風(fēng)量分配不均；由于沿程阻力和局部阻力的因素，真空泵對各列的抽吸能力存在差別。以上原因使各列匯集入空冷島下部水平橫管的水溫存在差別，背壓較高、溫度較高列流入的凝結(jié)水溫度高，其在相對凝結(jié)水母管的偏低背壓環(huán)境下，存在達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)可能，進(jìn)而形成第二批汽泡流向“S”型凝結(jié)水下降管。

（3）空冷島下部的兩段凝結(jié)水母管間，設(shè)有均衡背壓的“Ω”型聯(lián)絡(luò)管，兩段母管的背壓是一致的，但兩管內(nèi)的凝結(jié)水溫度不同（原因：汽輪機(jī)A、B排汽裝置的蒸汽流量不同、1-4列空冷單元和5-8列空冷單元的冷卻狀況不同），凝結(jié)水溫度較高的母管內(nèi)的凝結(jié)水，由于均衡背壓對應(yīng)的飽和溫度低于或等于凝結(jié)水溫度，會達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)，在該側(cè)的水平橫向凝結(jié)水母管內(nèi)形成第三批汽泡。

（4）真空系統(tǒng)漏真空，漏入的空氣被帶入空冷島使分配到各翅片管內(nèi)的蒸汽不均衡，分配份額較多的管束，蒸汽凝結(jié)后溫度較高，或還處于過飽和狀態(tài)，含有蒸汽泡，即第四批汽泡隨水流流入下降管。

（5）因?yàn)槊恳涣胁煌瑓^(qū)域真空有差別，逆流風(fēng)室真空最低，該列其它單元流來的凝結(jié)飽和水和部分帶有汽泡的不飽和凝結(jié)水，流至背壓較低的逆流風(fēng)室時就會形成過飽和水，產(chǎn)生蒸汽泡，蒸汽泡來不及釋放就在該列流入凝結(jié)水母管，從各列來的帶有汽泡的凝結(jié)水在母管中匯合，向下流入下降管，在下降管中汽泡向下的流速低于凝結(jié)水的流速，于是原來的汽泡就會和流來的小氣泡匯合使汽泡變大，流速變慢，下降過程中逐漸變大，由于凝結(jié)水管無保溫，下降過程中凝結(jié)水冷卻，流動轉(zhuǎn)彎過程中汽泡會受擠壓，越向下流，凝結(jié)水的壓力相對越高，在這三重作用下，大氣泡破裂，形成強(qiáng)烈水沖擊“水錘”現(xiàn)象。

以上原因形成的汽泡達(dá)到一定的數(shù)量，在流經(jīng)“S”彎下降管過程中，水流的速度大于汽泡下行速度，汽泡會形成擁集、匯聚由小變大，下降管的“S”型設(shè)計也加劇了該過程，在攜有不斷匯聚變大汽泡的凝結(jié)水流流經(jīng)“S”彎時由于流速變緩，致使汽泡周圍壓力升高，加之凝結(jié)水下降管為裸管，凝結(jié)水溫度在流動過程中是不斷下降，以上因素使大汽泡在轉(zhuǎn)彎處破裂形成水沖擊，引發(fā)凝結(jié)水下降管發(fā)出強(qiáng)烈沖擊聲響和振動。

3 空冷凝結(jié)水下降管道沖擊振動處理措施

通過分析管道振動的原因、查看現(xiàn)場管道布置、結(jié)合運(yùn)行人員平時在調(diào)整空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式消除凝結(jié)水下降管道振動時的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。總結(jié)出以下4種處理措施：

（1）在#1、2機(jī)空冷島“S”型凝結(jié)水下降管道從上往下第一個拐彎處上部33m處加裝穩(wěn)流器（形狀見圖2），2016年已實(shí)施（具體位置如圖1），實(shí)施后發(fā)現(xiàn)管道振動、響聲大幅度減小，約消除80%，效果較為顯著。

（2）2018年#1機(jī)組A修期間，對空冷凝結(jié)水垂直母管部分加裝保溫，減少氣泡的形成。

（3）2018年#1機(jī)組A修期間，在“S”型凝結(jié)水下降管道從上往下數(shù)第二個拐彎19.73m上方再各加裝一組穩(wěn)流器（具體位置見圖1），徹底消除氣泡。

（4）運(yùn)行人員通過手動調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率手動調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，平衡空冷各列抽真空和空冷凝結(jié)水參數(shù)，避免凝結(jié)水管道振動。

4 結(jié)語

基于空冷島在干旱水資源缺乏地區(qū)火電行業(yè)的廣泛使用，空冷島使用壽命直接影響著企業(yè)的安全、經(jīng)營業(yè)績。實(shí)踐證明，上述總結(jié)出的處理方法，大大提升了空冷島健康運(yùn)行水平，消除了設(shè)備安全隱患，為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠保障。