三菱機(jī)組FGH 水沖擊問題原因分析和解決對策

陳 琦

（廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東惠州 516080）

1 FGH 系統(tǒng)簡介

為提高聯(lián)合循環(huán)效率，三菱M701F4 機(jī)組在F3 機(jī)型的基礎(chǔ)上對空冷型TCA（Turbine Cooling Air，燃機(jī)冷卻空氣）換熱器進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后分為TCA 換熱器和FGH（Fuel Gas Heater，燃料加熱器）換熱器。其中，F(xiàn)GH 換熱器利用中壓省煤器出口的熱水對天然氣進(jìn)行加熱，以達(dá)到燃燒器燃燒的要求。燃機(jī)FGH 系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 燃機(jī)FGH 系統(tǒng)

燃機(jī)發(fā)出啟動指令后，F(xiàn)GH 進(jìn)口旁路閥打開進(jìn)行注水，當(dāng)FGH 內(nèi)壓力達(dá)到4.5 MPa 后，進(jìn)口主路閥打開。燃機(jī)點火至低負(fù)荷階段，通過FGH 至凝汽器的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整流量。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高于135 MW 后，F(xiàn)GH 至低壓省煤器前的流量調(diào)節(jié)閥開始工作，至凝汽器流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。燃機(jī)停機(jī)階段，當(dāng)燃機(jī)熄火降速時，流量控制閥關(guān)閉，F(xiàn)GH 進(jìn)口主路、旁路閥延時600 s 關(guān)閉。FGH 至凝汽器的流量控制閥在低真空時閉鎖開啟。

2 現(xiàn)象描述

為降低廠用電率，電廠會對非兩班制運行機(jī)組進(jìn)程破壞真空，停運軸封、輔汽、凝結(jié)水系統(tǒng)的操作。當(dāng)凝結(jié)水泵停運后，在凝結(jié)水系統(tǒng)壓力下降的過程中，燃機(jī)FGH 系統(tǒng)管道及凝結(jié)水系統(tǒng)管道會發(fā)生水沖擊現(xiàn)象，且持續(xù)時間較長，對管道設(shè)備造成很大危害。典型的停運凝結(jié)水泵過程中FGH 出現(xiàn)水沖擊的曲線如圖2 所示。

圖2 典型凝泵停運后出現(xiàn)水沖擊的FGH 系統(tǒng)曲線

由圖2 可見，在A 點FGH 進(jìn)口主路、旁路閥關(guān)閉后，F(xiàn)GH 內(nèi)壓力迅速從6.0 MPa 降至與凝泵出口壓力一致（2.23 MPa），F(xiàn)GH出口溫度測點也有明顯上升，F(xiàn)GH 內(nèi)的熱水流出。在B 點凝結(jié)水泵壓力由2.23 MPa 調(diào)整降至1.3 MPa，F(xiàn)GH 內(nèi)壓力逐漸下降，下降趨勢明顯強(qiáng)于前一階段。在C 點凝結(jié)水泵停運，凝結(jié)水系統(tǒng)壓力迅速降至0，F(xiàn)GH 壓力雖然下降明顯，但明顯高于凝結(jié)水系統(tǒng)壓力，F(xiàn)GH 出口水溫逐漸上升。當(dāng)FGH 出口水溫達(dá)到最高點（D 點190 ℃，接近于A 點）時，F(xiàn)GH 系統(tǒng)及凝結(jié)水系統(tǒng)出現(xiàn)水沖擊現(xiàn)象，F(xiàn)GH 出口水溫隨即緩慢降低。初步判斷為FGH 內(nèi)的水通過至低壓省煤器前調(diào)節(jié)閥沖入凝結(jié)水系統(tǒng)，造成FGH 系統(tǒng)與凝結(jié)水系統(tǒng)管道的水沖擊。

為減緩水沖擊現(xiàn)象，運行人員在停運凝結(jié)水泵前打開FGH水側(cè)放水閥，對FGH 系統(tǒng)進(jìn)行泄壓。壓力降低后，停運凝結(jié)水泵時水沖擊現(xiàn)象有所減緩。FGH 水側(cè)放水口與放水手動閥距離較短，在放水過程中，存在人員燙傷風(fēng)險。有計劃在FGH 至低壓省煤器管路增加電動隔離閥，阻斷FGH 內(nèi)的水沖入凝結(jié)水系統(tǒng)，以解決水沖擊現(xiàn)象。

3 FGH 水沖擊的原因分析及對照試驗

從圖2 曲線可以看出，機(jī)組停運后FGH 內(nèi)水壓基本與凝結(jié)水系統(tǒng)壓力一致，可見FGH 至凝汽器的調(diào)節(jié)閥嚴(yán)密性較好，將機(jī)組停運后的熱水“憋”在FGH 內(nèi)。當(dāng)凝結(jié)水系統(tǒng)壓力降低時，F(xiàn)GH 內(nèi)相對壓力較高的水通過FGH 至低壓省煤器流量調(diào)節(jié)閥“漏”入凝結(jié)水系統(tǒng)，并保持與凝結(jié)水系統(tǒng)的壓力一致。

對多次水沖擊曲線進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GH 出現(xiàn)水沖擊時的系統(tǒng)壓力、水溫均不同。停機(jī)時間越長，水沖擊出現(xiàn)時的壓力越低、水溫越低，且水溫為該壓力下水的飽和溫度。海南文昌F4 燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠調(diào)試過程中也出現(xiàn)類似的水沖擊現(xiàn)象。出現(xiàn)水沖擊時，F(xiàn)GH 內(nèi)水壓約0.2 MPa，F(xiàn)GH 出口水溫120 ℃。

由此推斷，在凝結(jié)水泵停運后，F(xiàn)GH 系統(tǒng)壓力下降的過程中，F(xiàn)GH 內(nèi)的熱水發(fā)生汽化并造成水沖擊現(xiàn)象。為確定FGH 水沖擊的產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計以下對照試驗。

3.1 試驗一

機(jī)組狀態(tài)：機(jī)組維持真空，凝結(jié)水泵出口壓力1.5 MPa。

試驗?zāi)康模簷z驗當(dāng)FGH 內(nèi)為常溫水時，利用FGH 至凝汽器調(diào)節(jié)閥進(jìn)行泄壓，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動（與試驗三做對比）。

試驗步驟：①啟動中壓給水泵，打開FGH 進(jìn)口旁路閥，往FGH 內(nèi)注入常溫水；②當(dāng)FGH 注水完成后，關(guān)閉FGH 進(jìn)口旁路閥；③打開FGH 至凝汽器調(diào)節(jié)閥進(jìn)行泄壓，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動，若發(fā)生振動，記錄振動開始及結(jié)束時刻。

3.2 試驗二

機(jī)組狀態(tài)：機(jī)組維持真空，凝結(jié)水泵出口壓力1.5 MPa。

試驗?zāi)康模簷z驗當(dāng)FGH 內(nèi)為常溫水時，破壞凝汽器真空，停運凝結(jié)水泵，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動（與典型案例做對比）。

試驗步驟：①啟動中壓給水泵，打開FGH 進(jìn)口旁路閥，往FGH 內(nèi)注入常溫水；②當(dāng)FGH 注水完成后，關(guān)閉FGH 進(jìn)口旁路閥；③破壞凝汽器真空；③停運凝結(jié)水泵，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動，若發(fā)生振動，記錄振動開始及結(jié)束時刻。

3.3 試驗三

機(jī)組狀態(tài)：機(jī)組停機(jī)后，機(jī)組維持真空，凝結(jié)水泵出口壓力1.5 MPa。

試驗?zāi)康模簷z驗當(dāng)FGH 內(nèi)為熱水時，利用FGH 至凝汽器調(diào)節(jié)閥進(jìn)行泄壓，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動。

試驗步驟：①機(jī)組停機(jī)后，維持凝汽器真空；②打開FGH 至凝汽器調(diào)節(jié)閥進(jìn)行泄壓，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動，若發(fā)生振動，記錄振動開始及結(jié)束時刻。

3.4 試驗四

機(jī)組狀態(tài)：完成試驗三。

試驗?zāi)康模和ㄟ^試驗三的操作，停運凝結(jié)水泵，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動，檢驗試驗三操作的正確性。

試驗步驟：①試驗三結(jié)束后；②破壞凝汽器真空；③停運凝結(jié)水泵，觀察FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道是否發(fā)生振動，若發(fā)生振動，記錄振動開始及結(jié)束時刻。

4 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)對比

根據(jù)試驗方案進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 對照試驗結(jié)果

根據(jù)試驗一與試驗三、試驗二與典型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以看出當(dāng)FGH 內(nèi)為熱水時，F(xiàn)GH 內(nèi)水壓下降速率明顯變慢，說明FGH內(nèi)熱水在該過程中不斷汽化，減緩了泄壓的過程。當(dāng)FGH 內(nèi)為熱水時，在泄壓過程中，F(xiàn)GH 系統(tǒng)與凝結(jié)水系統(tǒng)管道會發(fā)生振動或晃動現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場觀察，振動（晃動）現(xiàn)象發(fā)生在特定的時間段內(nèi)。

為確定管道晃動原因，將試驗三過程中FGH 出口水溫、出口壓力、晃動時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)FGH 出口壓力計算該壓力下飽和溫度，將計算后的飽和溫度與FGH 出口水溫進(jìn)行對比。調(diào)閥100%、50%、25%開度泄壓試驗如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 調(diào)閥100%開度泄壓試驗

圖4 調(diào)閥50%開度泄壓試驗

圖5 調(diào)閥25%開度泄壓試驗

在泄壓的過程中，F(xiàn)GH 內(nèi)熱水逐漸流經(jīng)溫度測點，F(xiàn)GH 出口水溫在逐漸升高，最高溫度略低于為停機(jī)前FGH 進(jìn)口水溫。隨著FGH 內(nèi)的壓力逐漸降低，對應(yīng)飽和溫度也在降低。在圖3（調(diào)閥100%開度）中，有明顯的飽和溫度高于出口水溫的區(qū)域，該區(qū)域也正是管道發(fā)生晃動的區(qū)域。在圖5（調(diào)閥25%開度）中，沒有發(fā)生飽和溫度高于出口水溫的區(qū)域，管道未發(fā)生晃動。在圖4（調(diào)閥50%開度）中，有短時的飽和溫度高于出口水溫的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，管道發(fā)生了晃動，但比調(diào)閥100%開度泄壓時晃動幅度小。由此可以看出，在FGH 壓力降低的過程中，F(xiàn)GH內(nèi)的水發(fā)生汽化，是導(dǎo)致管道晃動及水擊的根本原因。FGH 泄壓速度與出口溫度關(guān)系如圖6 所示。

圖6 FGH 泄壓速度與出口溫度關(guān)系

水在汽化過程中需要吸收熱量，在試驗過程中FGH 系統(tǒng)并無外部熱源，由此判斷，F(xiàn)GH 內(nèi)汽化部分的水吸收了FGH 內(nèi)其他水的熱量，導(dǎo)致在泄壓過程中水溫下降。通過對比試驗三中不同泄壓速度對FGH 內(nèi)水溫的影響可以看出，當(dāng)FGH 內(nèi)壓力下降越快，F(xiàn)GH 內(nèi)水汽化越劇烈，吸收的熱量越多，水溫下降越快，管道晃動越劇烈。

由表1 可以看出，雖然試驗三中25%調(diào)閥開度的泄壓速率明顯高于典型案例速率，但試驗過程中并沒有出現(xiàn)明顯的水擊現(xiàn)象。主要原因是試驗三中，管道中的汽化現(xiàn)象主要發(fā)生在FGH 至凝汽器流量調(diào)節(jié)閥處，調(diào)節(jié)閥后為真空，汽化后的水蒸汽被快速的“抽”凝汽器。因此，管道內(nèi)流質(zhì)的壓力不會產(chǎn)生突變，造成管道水沖擊。

5 結(jié)論

通過以上分析，重新對機(jī)組停運凝結(jié)水泵時FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道發(fā)生水擊現(xiàn)象進(jìn)行解釋。在機(jī)組停運后，F(xiàn)GH 內(nèi)在保存大量的熱水。在機(jī)組保持真空、凝結(jié)水泵運行時，因FGH 至凝汽器流量調(diào)節(jié)閥嚴(yán)密性較好，F(xiàn)GH 內(nèi)熱水保持與凝結(jié)水泵出口一致的壓力，且水溫在飽和溫度以下。當(dāng)凝結(jié)水泵停運后，F(xiàn)GH 至低壓省煤器流量調(diào)節(jié)閥后的壓力驟降，該調(diào)節(jié)閥嚴(yán)密性較差，F(xiàn)GH 內(nèi)的熱水進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，F(xiàn)GH 內(nèi)壓力逐漸降低。在壓力下降的過程中，F(xiàn)GH 內(nèi)水的飽和溫度也逐漸下降，當(dāng)水溫超過飽和溫度時，管道內(nèi)的水開始劇烈汽化，并造成FGH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道水沖擊。在汽化的過程中，汽化部分的水吸收了FGH 內(nèi)其他水的熱量，水溫逐漸下降，當(dāng)水溫低于飽和溫度時，汽化現(xiàn)象消失，水沖擊現(xiàn)象消失。

在試驗四中，由于FGH 內(nèi)已無熱水，在凝結(jié)水泵停運時，F(xiàn)GH 及凝結(jié)水系統(tǒng)管道均無發(fā)現(xiàn)水擊及晃動現(xiàn)象。證明利用凝汽器保持真空，通過FGH 至凝汽器流量調(diào)節(jié)閥對FGH 進(jìn)行泄壓，可有效避免凝結(jié)水泵停運時FGH 及凝結(jié)水管道的水沖擊現(xiàn)象，但泄壓過程中應(yīng)控制泄壓速度，防止管道內(nèi)的水發(fā)生汽化現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

通過對三菱F4 機(jī)組凝結(jié)水泵停運時，F(xiàn)GH 及凝結(jié)水管道系統(tǒng)發(fā)生水擊現(xiàn)象進(jìn)行觀察，尋找、總結(jié)水擊現(xiàn)象的規(guī)律。通過設(shè)計對比試驗和數(shù)據(jù)分析，找到發(fā)生水擊現(xiàn)象的核心原因是FGH內(nèi)的熱水在降壓過程中汽化。同時，找到了簡單的運行操作方法來防止水擊現(xiàn)象。在提高機(jī)組設(shè)備安全性的同時，避免了不必要的改造工作和人為就地高風(fēng)險操作。