余熱電站汽輪機水沖擊事故的危害及預防

王曉建，徐盛昌

余熱電站汽輪機水沖擊事故的危害及預防

The Harm and Prevention of Water Impact Accidentof Steam Turbine in Waste Heat Power Station

王曉建，徐盛昌

1 汽輪機水沖擊事故的危害

汽輪機水沖擊，即水或飽和蒸汽隨主蒸汽帶入汽輪機而引起的事故。水沖擊是造成汽輪機設備嚴重損壞的惡性事故之一，直接危害到機組的安全運行。

1.1 汽輪機動葉和推力軸承的損壞

發生水沖擊事故時，最容易受到損壞的是汽輪機動葉和推力軸承。

飽和水隨蒸汽通過汽輪機噴嘴時，在噴嘴內不能獲得與蒸汽同樣的加速度。如圖1所示，出噴嘴時水的絕對速度c1W比蒸汽的絕對速度c1小得多，進入動葉后，不僅水與動葉的相對速度W1W比蒸汽與動葉的相對速度W1小得多，而且由于輪周速度u的存在，在動葉中水的進汽角β1W也會大于蒸汽的相對速度進汽角β1，即帶水后汽流不能按正確方向進入動葉通道，而對動葉進汽邊的背弧進行沖擊，由此產生的力將阻止動葉的運動，形成能量損失，并使動葉應力超限而損壞，水沖擊動葉背弧本身就會使軸向推力大幅度升高。

圖1 蒸汽攜帶水后噴嘴出口速度三角形變化

以下根據某汽輪機級的動葉進口速度三角形，試分析帶水后的蒸汽與動葉的相對速度W1和蒸汽相對速度的進汽角β1的變化。

例如，某汽輪機級的平均直徑dm=1042.5mm，噴嘴出口角α1=11.3°，根據計算得出噴嘴出口絕對速度c1= 300.5m/s，由三角形的余弦定理和正弦定理求得蒸汽與動葉的相對速度W1和蒸汽相對速度的進汽角β1。

假設蒸汽出噴嘴攜帶水的絕對速度為上述相對速度c1的60%，即c1W為180.3m/s，按上述方式同樣求得蒸汽攜帶水與動葉的相對速度W1W和蒸汽攜帶水相對速度的進汽角β1W：

由以上分析可知，蒸汽攜帶水后，其進汽角β1W隨相對速度的降低而增加了45°以上，即θ=β1W-β1=69.6°-24.2°=45.4°，這會沖擊動葉進口邊的背弧，形成能量的損失。蒸汽攜帶水與動葉的相對速度W1W及沖擊示意如圖2所示。

圖2 蒸汽攜帶水對動葉進口邊背弧的沖擊

濕蒸汽的影響和上述分析結果相同，但凝結過程不同。當濕蒸汽離開噴嘴時，在動葉進口處由于凝結過程延長而形成不同直徑的水滴。這些水滴中較小的一部分很快又蒸發為汽體，然后再凝結在一些較大的水滴上，較大水滴的一部分聚集在噴嘴壁面上形成水膜，在噴嘴出汽邊附近水膜被高速汽流撕破，形成更大的水滴；在噴嘴出口到動葉進口這段距離內，在高速汽流摩擦力的作用下克服表面張力的約束而散裂成更大的水滴。這類水滴在動葉進口處的速度同樣遠低于蒸汽速度，汽流不能按正確方向進入動葉通道，沖擊動葉進汽邊的背弧，并對動葉產生制動作用。

1.2 蒸汽動能的變化

水沖擊事故危害之所以嚴重，是因為水的密度比蒸汽大得多。以水泥窯余熱汽輪機為例，機組的額定蒸汽參數一般為1.25MPa，320℃，密度為ρs=4.694kg/m3，相同壓力下飽和水的密度為ρW=876.271kg/m3，飽和水和蒸汽的密度比值約為R=ρW/ρs=876.271/4.694≈190倍。

仍以上述某汽輪機級為例，分析蒸汽動能的變化。我們知道，當質量為m的物體以速度c運動時，所具有的動能為mc2/2。由此得出單位體積的蒸汽進入動葉的動能ES為：

鍋爐蒸汽攜帶飽和水時，因蒸汽流速快，后面流過的過熱蒸汽在加熱汽化這部分飽和水的過程中，繼續對飽和蒸汽加熱并混合為較低過熱度的蒸汽，其低溫蒸汽的過熱度與過熱蒸汽的溫度、流速成正比，與飽和水量成反比。當蒸汽攜帶飽和水進入汽輪機的級后，后面流過的過熱蒸汽已經來不及混合并加熱這部分飽和水與飽和蒸汽。

假設單位體積的蒸汽中攜帶了1%的飽和水進入汽輪機，這時的蒸汽溫度則為接近對應壓力下的飽和蒸汽溫度，即189.82℃，單位體積的流體進入動葉的動能應為飽和蒸汽和飽和水兩部分。不考慮飽和蒸汽密度增加的速度變化，即噴嘴出口蒸汽絕對速度為c1=300.5m/ s，蒸汽攜帶水出噴嘴的絕對速度為上述相對速度c1的60%，即c1W為180.3m/s，由此得出單位體積的飽和蒸汽和水進入動葉的動能ESW為：

由以上分析看出，蒸汽攜帶水的速度雖低，但動能較大。即使單位體積的蒸汽中攜帶1%的飽和水進入汽輪機動葉，其蒸汽動能的變化還是明顯增加。由于這兩個動能的方向不同，所以不能用求和的方法得出相對動能值。

1.3 汽輪機軸向推力的變化

1.3.1 汽輪機蒸汽動能變化對軸向推力的影響

蒸汽攜帶水或冷蒸汽進入汽輪機后，其軸向推力比正常運行時要大得多。這是因為密度大的水有較大的附著力，會使通流部分阻塞，使蒸汽不能連續向后移動，造成各級葉片前后壓差增大，并使各級葉片反動度猛增，產生巨大的軸向推力，造成汽輪機動靜之間摩擦碰撞損壞機組。水沖擊事故時，軸向推力甚至可增大到正常情況時的數倍，使推力軸承超載而導致烏金燒毀。

仍以上述某汽輪機級為例，分析蒸汽攜帶水后的變化。若單位體積的蒸汽中攜帶1%的飽和水進入汽輪機動葉，雖然其動能的變化明顯增加，但通過分析可以看出，蒸汽與動葉相對速度的進汽角β1和水與動葉相對速度的進汽角β1W不同，即兩個動能方向不同，蒸汽和水與動葉的相對動能是兩個動能的矢量之和。

由圖3所示，蒸汽和水的共同作用，仍可根據汽輪機級的噴嘴出口速度三角形分析，用余弦定理和正弦定理求得單位體積的蒸汽和水與動葉的相對動能的矢量和E1SW，以及單位體積的蒸汽和水與動葉的相對動能的矢量角β1SW。

由平行四邊形的對頂角相等法則，可得角度γ= 180°-θ=180°-45.4°=134.6°，則

分析上述計算結果可知，單位體積的蒸汽和水綜合的動能作用在動葉上，矢量E1SW的垂直分量為，E1SWsinβ1SW=522832×sin52.8°=416451（Nm），即是對動葉的軸向推力。而單位體積的蒸汽動能作用在動葉上，矢量的垂直分量為，ESsinβ1=211934.7×sin24.2°=86877（Nm），兩者的比值

分析比較說明，此時汽輪機軸向推力的增加確實較快。

圖3 單位體積的蒸汽和水與動葉的相對動能分析

1.3.2 汽輪機蒸汽壓力等變化對軸向推力的影響

作用在沖動級上的軸向推力是由作用在動葉片上的軸向推力Fz1，作用在葉輪輪面上的軸向推力Fz2，以及作用在軸的凸肩處的軸向推力Fz3三部分組成。

（1）作用在動葉上的軸向推力Fz1為

式中：

dm——某汽輪機級的平均直徑，m

lb——葉片高度，m

Ωp——壓力反動度，定義為Ωp=

p0、p1、p2——級前、噴嘴后和級后的蒸汽壓力，MPa

由上式可知，作用在動葉上的軸向推力Fz1正比于Ωp（p0-p2）。

（2）作用在葉輪輪面上的軸向推力Fz2為：

式中：

d——葉輪兩側的輪轂直徑，m

Ωd——葉輪反動度，定義為Ωd=

pd——隔板和輪盤之間的蒸汽壓力pd，MPa

由上式可知，葉輪輪面上的軸向推力Fz2也正比于Ωd（p0-p2）。

（3）作用在軸的凸肩上的軸向推力Fz3

在汽輪機軸的軸封套和隔板軸封內軸上的凸肩等處，都會承受一定的軸向推力。一般Fz3的數值很小。

作用在一個級上的軸向推力即為上述三部分推力之和，即

Fz=Fz1+Fz2+Fz3

對于有n個級的轉子，其總的軸向推力為：

式中：

z——汽輪機級數

m——軸的凸肩數

汽輪機的運行要求推力軸承平衡軸向推力，以達到轉子與隔板等靜止部件的相對定位并穩定運轉的目的。推力軸承的安全系數設計值一般為：

即pA-ΣFz3＞1.5～1.7（ΣFz1+ΣFz2）

式中：

p——推力瓦塊所能承受的壓力，MPa

A——推力瓦塊的承壓面積，m2

蒸汽攜帶水或冷蒸汽進入汽輪機后，蒸汽不能連續向后移動，會造成級葉片前后壓差增大，級葉片反動度增加，即軸向推力Fz1和Fz2同時增加。由上式可看出，當（ΣFz1+ΣFz2）的1.7倍遠大于（pA-ΣFz3）項后，使推力瓦塊承受的壓力p大于設計壓力。

1.4 動靜部分碰磨

汽輪機進水或冷蒸汽，使處于高溫下的金屬部件突然冷卻而急劇收縮，產生很大的熱應力和熱變形，使相對膨脹急劇變化，局部收縮變形導致動靜部分軸向和徑向碰磨。

2 水沖擊事故的分析和判斷

余熱電站機組與火電廠機組的水沖擊事故因素既相似，也有不同。因此有必要針對余熱電站機組的水沖擊故障因素，提出合理的預防和處理建議。

2.1 汽輪機發生水沖擊的幾個象征及原因

（1）主蒸汽溫度急劇下降50℃以上，汽缸溫度急劇下降，汽缸的上、下缸壁溫差增大。上、下缸壁溫差增大的原因是飽和水的重度大和溫度低，匯集在下汽缸，使其溫降速度快。

（2）主汽閥法蘭處、汽缸結合面，調節汽閥閥桿，軸封處冒白汽或濺出水珠。因為處于高溫下的金屬部件遇水突然冷卻而急劇收縮，產生很大的熱應力和熱變形，局部收縮變形造成法蘭結合面的漏汽，冒白汽和濺出水珠說明漏出的蒸汽是低溫的飽和濕蒸汽和水。

（3）負荷下降，汽輪機聲音變沉，機組振動增大。原因是蒸汽帶水是不穩定的變化過程，即動能是不斷變化的，在動能變化的作用下，汽輪機會出現大小不規則變化的振動。通過以上分析可看出，即使蒸汽攜帶1%的飽和水進入汽輪機，其結果也會造成汽機振動增大。

（4）轉子的軸向位移增大，推力瓦溫度升高，脹差減小或出現負脹差。通過以上分析可以看出，因軸向推力的增大，會使軸向位移增大和推力瓦溫度升高。脹差減小的原因是轉子的質量小于靜子，遇冷時相對收縮較快，脹差減小或出現負脹差，而出現負脹差是很危險的。

2.2 余熱汽輪機水沖擊事故的影響因素

水泥窯余熱電站鍋爐有其特殊的設計和運行方式，因而余熱汽輪機水沖擊的影響因素也有其特點。

2.2.1 余熱電站汽輪機的額定蒸汽參數過熱度低

從表1可以看出，余熱電站汽輪機的蒸汽過熱度比火電機組過熱度低很多，因此，運行中稍微疏忽，出現蒸汽溫度下降，即接近規范要求過熱度＞70℃的極限。

2.2.2 余熱電站汽輪機的閃蒸補汽方式

采用閃蒸補汽方式的余熱電站汽輪機，即在汽輪機的末端的幾級補入飽和蒸汽，實質上是增加了汽輪機末級的濕度。如果運行中補汽流量過大，會在末級葉片因過多水珠的匯集出現水沖擊，并且如果補汽管道上未開啟疏水閥，積水會隨補汽的飽和蒸汽進入汽輪機，作用在后面補汽的幾級葉片上，造成水沖擊事故。

2.2.3 水泥生產線窯頭鍋爐溫度變化頻繁

受生產線熟料量變化等因素的影響，窯頭AQC鍋爐的煙氣溫度變化較大，鍋爐蒸發量變化較大，調整負荷速度快，汽包水位變化大，很容易造成汽包滿水，發生水沖擊事故。

2.2.4 水沖擊事故發生時的速度

以某臺9MW余熱電站汽輪機組為例，AQC鍋爐和SP鍋爐的有關設計參數見表2。

試分析水沖擊的速度。由連續性方程Gv=Ac，則AQC鍋爐的蒸汽流速c為：

SP鍋爐的蒸汽流速c為：

以AQC鍋爐為例，蒸汽流速為25.3m/s。假設鍋爐至汽輪機蒸汽管道的長度為400m，蒸汽攜帶飽和水的流速為蒸汽流速的二十分之一，即1.3m/s，則蒸汽進入汽輪機的時間約為16s，而飽和水被攜帶進入汽輪機的時間約為307s。由此可見鍋爐蒸汽帶水造成汽輪機的水沖擊是非常快的，是在幾分鐘內就能發生的故障，必須及時采取措施。

表1 幾種類型汽輪機額定蒸汽參數的過熱度

表2 AQC鍋爐和SP鍋爐的有關設計參數

2.2.5 余熱電站鍋爐滿水后事故形成分析

分析認為，是帶入過熱器的飽和水被加熱為飽和蒸汽。由于水的汽化潛熱大和過熱器的能力限制，當攜帶的飽和水質量過大，則導致飽和蒸汽攜帶飽和水通過過熱器進入主汽系統。此時飽和蒸汽在流程中吸收了系統的熱量，至汽輪機前為低溫過熱蒸汽。蒸汽的流動速度快，先進入汽輪機；而飽和水流動速度慢，和后面流過的過熱蒸汽繼續被加熱，混合為低溫過熱蒸汽后以蒸汽的速度流動。只有較低速度的飽和水和低溫飽和蒸汽同時進入汽輪機后，水沖擊對設備的損害才達到極限。

由此可知，余熱電站鍋爐滿水后，水沖擊事故的形成方式為，先是在鍋爐側顯示接近飽和溫度的蒸汽低溫，持續幾秒鐘后恢復正常，然后在汽機側出現蒸汽溫度降低，幾分鐘后汽機側蒸汽溫度迅速下降至接近飽和溫度，并攜帶飽和水進入汽輪機。

2.2.6 其他影響因素

（1）誤操作以及給水DCS設置自動調節品質差，造成鍋爐滿水。

（2）啟動過程中，主汽系統暖管時間短，管道積水，使冷水汽進入汽輪機內。

3 余熱電站汽輪機水沖擊事故的預防

針對水沖擊事故因素，應在設計和運行上給予重視。

3.1 設計

（1）正確設置疏水點。主蒸汽管道上每個最低點處均應設置疏水點。速關閥前的水平管道上應選較大直徑的疏水閥，這種方式可以合理地縮短機組啟動的暖管時間。

（2）設置可靠的鍋爐水位監視裝置和報警及聯鎖保護功能。監視水位通常設置是5件水位計，即1件就地石英玻璃管水位計，1件電接點水位計，1件配置攝像頭的水色水位計和2件平衡容器水位計。報警功能在電接點水位計和平衡容器水位計的液位中設置，聯鎖保護功能在平衡容器水位計的液位中設置。例如，DCS系統分別設置，報警Ⅰ值，H≥+ 75mm；報警Ⅱ值，HH≥+100mm；聯鎖保護動作值，H3≥+200mm，開啟自動事故放水閥直到水位恢復至100mm關閉。做到在鍋爐水位高限時，事故放水閥即自動開啟，保護功能能夠可靠地實現。

（3）分別將鍋爐和汽機側的主汽溫度設置溫度的報警功能。

3.2 運行

（1）加強運行人員的學習，使其認識到汽輪機水沖擊事故的危害和熟悉應對措施。

（2）在機組啟動過程中要嚴格按規定控制加負荷的速率，并保證蒸汽過熱度≮70℃。

（3）蒸汽管道在汽輪機沖轉前應充分暖管疏水，嚴防低溫水汽進入汽輪機。

（4）采用閃蒸補汽方式的余熱電站汽輪機，補汽運行過程中，注意補汽流量不要過大，避免汽輪機末級過多水珠的沖擊。應在汽輪機補汽入口前的水平管道上設疏水閥，并保持稍微的開度運行，隨時排出飽和蒸汽的疏水。

（5）余熱電站鍋爐與電站鍋爐不同，其蒸汽溫度及壓力隨水泥生產線的變化波動很大，即負荷的變化也較大，這時更應嚴密監視汽包水位。由于余熱鍋爐的溫度特點，因而采用低水位運行方式是很適用的。一般余熱電站鍋爐是保持在-100～-50mm的低水位方式運行。

（6）汽輪機在運轉狀態時，各鍋爐水位的聯鎖保護必須開啟，不得退出。

（7）經常檢查DCS鍋爐水位調節設置，高水位報警和高水位事故放水聯鎖保護可靠。

（8）增加負荷和開啟排汽閥時要緩慢操作，必須注意不能連續加負荷或過快開啟排汽閥。避免出現鍋爐水位滿水和滿水進入蒸汽系統。鍋爐熱負荷出現增加過快時，可及時調整鍋爐的煙氣旁通閥。

（9）鍋爐側的蒸汽溫度如果出現快速下降，應立即開啟該鍋爐在主汽集箱前的疏水閥，關閉該鍋爐的并汽閥，并配合壓力情況開啟該鍋爐的排汽閥和降低機組負荷。疏水20min左右，確認蒸汽帶水被排出后，再緩慢并汽進入主汽集箱。

4 汽輪機水沖擊事故的處理

（1）汽輪機發生水沖擊時，應立即破壞真空停機。

（2）主蒸汽溫度和壓力不穩定時，要注意監視，特別是汽輪機進汽溫度急劇下降到規定值，通常為50℃時，應按緊急停機處理。

（3）發現汽溫突然下降，并且主汽管道、主汽閥、調節汽閥冒白汽時，也應按緊急停機處理。

（4）開啟主汽集箱和主汽管道所有疏水。

（5）汽機轉速到零后立即連續盤車，盤車電流應在正常數值且穩定。

（6）停機過程中軸向位移、脹差、振動、推力軸承金屬溫度明顯升高，惰走時間明顯縮短，盤車電流增大或擺動范圍增加，應檢查推力軸承情況后決定是否揭缸檢查。

（7）惰走時間及盤車電流正常，汽輪機內部無異常聲音，停機24h后可重新啟動。升速及帶負荷過程中應注意軸向位移，推力瓦塊溫度及汽缸脹差指示，仔細傾聽機組聲音，測量機組振動，如發現汽機內部有異常或摩擦聲音應立即停止啟動。

5 余熱電站汽輪機水沖擊事故處理實例

（1）某臺余熱電站汽輪機在啟動并網后的運行中，發生蒸汽速關閥的法蘭墊片沖壞，并伴隨軸移保護± 0.6mm的停機值聯鎖動作停機。

檢查發現軸向位移傳感器的端面部位被撞擊損壞。軸向位移傳感器在汽機轉子凸肩端面的前方，與轉子端面有1mm的安裝間隙。正常的停機不會造成傳感器的損壞，顯然是汽輪機轉子出現異常的負向位移的事故。由于未考慮到水沖擊事故影響造成負向位移，更換蒸汽速關閥的法蘭墊片和軸向位移傳感器后機組繼續啟動，并網后蒸汽速關閥的法蘭墊片再次損壞。此時才判斷一定是水沖擊事故。

分析認為，水沖擊發生時，水的較大附著力使通流部分阻塞，蒸汽不能連續向后移動，先是冷卻蒸汽速關閥，并在汽輪機內產生巨大的軸向推力，然后是隨著速關閥法蘭變形的泄漏，大量蒸汽從沖壞的墊片處噴出，以及水通過級后，汽輪機轉子又在迅速失去軸向推力的情況下，轉子迅速前移，伴隨軸移保護±0.6mm的停機值聯鎖，電磁閥動作速關閥關閉，并使轉子的測量平面與軸向位移傳感器端面發生撞擊，導致傳感器損壞。

汽機通過兩路經速關閥進汽。檢查發現，其中一路在速關閥前進汽的水平管道上，疏水閥損壞，未更換處理，機組啟動時一直未打開此閥進行疏水。經更換疏水閥處理后，機組啟動時進行疏水，水沖擊現象消失。

（2）某臺余熱電站汽輪機運行中由于窯頭AQC鍋爐熱量迅速增加，加負荷過快，汽包水位滿水。這時主汽溫度突然降低，幾秒鐘后又逐漸恢復正常。判斷是蒸發管段帶水進入過熱器和主汽系統，以前也曾發生過此類水沖擊事故的案例。現場的及時反映是，迅速開啟AQC鍋爐進入汽機房主汽集箱管道前的疏水，在關閉該管道的并汽閥過程中，根據壓力的變化，配合開啟該管道的排汽閥和降低機組負荷。約20～30min后，緩慢恢復投入AQC鍋爐蒸汽系統。由于應對措施正確及時，避免了一次水沖擊事故。

（3）某臺余熱電站汽輪機運行中振動增加，檢查運行參數發現補汽壓力較低，流量偏大。分析認為是較大流量的補汽使汽輪機末幾級的濕度過大，水滴的沖擊增加。經減小補汽流量，并開啟補汽管道的疏水后，振動值恢復正常。

6 結語

由上述分析可知，只要正確設置疏水點，在運行中密切監視鍋爐水位，確保鍋爐系統保護設置開啟，并有針對性的預案和正確及時的反應，余熱電站汽輪機的水沖擊事故是完全可以避免的。

[1]馮慧雯.汽輪機課程設計參考資料[M].水力電力出版社,1991.

[2]康松，楊建明，胥建群.汽輪機原理[M].中國電力出版社，2000.■

TQ172.625.9

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2013-11-13；編輯：呂光