水位控制閥疏水管道振動分析及防止策略

章勁淞

(湖南華電長沙發電有限公司，長沙 410000)

1 問題的提出

某電廠2×600 MW機組直流鍋爐為東方鍋爐廠引進日本巴布科克-日立公司(BHK)技術制造的DG1900/25.4MPa-Ⅱ1型超臨界參數變壓直流本生鍋爐，出于鍋爐快速啟動和低負荷運行的需要，確保過熱器呈干態運行，設置了鍋爐啟動旁路系統。內置式啟動系統主要由啟動分離器(由汽水分離器和儲水罐組成)、大氣式擴容器及水位控制閥(以下簡稱361閥)等組成(如圖1所示)。361閥為內置式啟動系統中控制汽水分離器儲水罐水位的關鍵部件，該閥疏水管道在運行中經常會出現強烈振動，嚴重時通往鍋爐定排的穿墻管可將墻體振壞。本文就該電廠內置式啟動系統運行中出現的361閥疏水管道振動問題進行具體分析，并提出防止策略。

圖1 啟動分離系統示意

2 管路振動時段和振動位置

當機組啟動和負荷小于35%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)時，啟動分離器以濕態方式運行，進入分離器的工質經汽水分離器擴容后，分離出來的水進入儲水罐，后經361閥排向鍋爐疏水擴容器或凝汽器，分離出來的飽和蒸汽進入過熱器。隨著鍋爐負荷增加，工質干度增加，儲水罐中的水位逐漸下降，當負荷大于35% BMCR時，361閥不再因儲水罐水位高而打開，分離器由濕態運行轉為干態運行而完成啟動過程。根據生產現場的實際情況，361閥疏水管路振動強烈的時段主要集中在投入運行初期和361閥開度大幅波動期間；振動強烈的位置集中在疏水至鍋爐定排管路。

3 管道振動原因分析

3.1 疏水管道設計不當

(1)從圖2可以看出，361閥至定排疏水管道段較長(兩側共約80 m)，管道空間布局呈∏形布置，普遍采用單拉桿剛性吊架懸掛，使得整個管系剛度不夠，自由度偏大，管道的自振頻率較低，在低頻激振條件下，管道會因共振而引發較大的振動[1]。

圖2 361閥疏水管道系統結構示意圖

(2)從圖2中可以看出，361閥布置在汽機側0.5 m高的位置，出于現場管道安裝布局的需要，361閥至定排擴容器疏水管道大部分布置在5.5～6.0 m層，361閥至定排擴容器疏水總管通往鍋爐側的管道布置在7.5 m層。當往定排擴容器疏水時，水流會在361閥后管道內形成一個急速轉向，產生很大的沖擊力，特別是在疏水初期，這種沖擊力更大，進而誘發361閥至定排擴容器疏水管道的振動。

3.2 流體脈動

出于對儲水罐水位的有效控制，在361閥的邏輯中，設有快開和快關邏輯。在361閥快開或快關的過程中，其疏水管道內流體速度忽快忽慢，壓力忽高忽低，形成一種不穩定的流體狀態。該不穩定液體對管道的作用力可以看作是在靜力(相當于壓力脈動的平均值即平均壓力對管件的作用力)的基礎上額外加上一個脈動力(相當于壓力脈動偏離平均壓力部分即脈動壓力對管件的作用力)。該脈動力會引發管道的振動響應，當管道對于次脈動產生的激勵響應頻率與其自身的固有頻率相重合時，管道與脈動就會產生共振。

3.3 汽液兩相流

在啟動系統中，361閥前管道設計壓力為28.8 MPa，設計溫度為375.00 ℃。361閥至定排擴容器電動閘閥前管道設計壓力為28.8 MPa，設計溫度為164.14 ℃。電動閘閥后管道設計壓力為0.9 MPa，設計溫度為80.00 ℃。 在機組極熱態啟動過程中，儲水罐內工質溫度在360.00 ℃以上，出于對凝汽器的保護，最初儲水罐內的水經361閥后疏往定排擴容器。雖經361閥及其管道的節流和冷卻，但整個過程中壓降速度快于溫降速度，最初進入361閥至定排擴容器電動閘閥后的工質可能為汽態或汽液兩相流，使得管道內壁處在汽液兩相流體的紊流層，從而引發管道振動。另外，流體在輸送過程中必然會產生壓降，隨著壓力的降低可能會出現液體汽化現象，當液化產生的氣泡破滅時，就會發生汽蝕，從而誘發管道振動。

3.4 管道受到熱沖擊

當機組進入直流運行后，361閥將強制關閉，退出運行，從而隔斷儲水罐側高溫高壓系統與凝汽器或定排側的低溫低壓系統的聯系。在停爐或緊急事故階段，需要投入361閥運行，而此時的361閥前后管道內工質參數相差巨大，如果貿然打開361閥，必然會對361閥及其管路造成熱沖擊。管路受熱后開始膨脹，溫差越大，膨脹量越大，一旦膨脹受阻，會使管路在受阻處產生較大應力并開始向自由空間運動，從而引發管道形變和振動。

4 防范措施

4.1 增加剛性限位支架

對管路振動情況進行了模態分析和應力計算，在此基礎上，為防范管路振動，采取了有效措施。在361閥至定排擴容器疏水管路的較長水平段上增加3處剛性限位支架(圖2中a，b，c點)和1處液壓阻尼器(圖2中d點)。其中a點和b點的限位支架限制管道沿y向和z向的晃動，c點的限位支架限制管道沿x向和y向的晃動；d點的液壓阻尼器水平布置，消化吸收管道沿z向的振動能量。改造后增加了水平段管路的剛性，提高了其自振頻率，取得了較好的效果。

4.2 消減管系的激擾力

(1)在冷態啟機過程中，為減少工質損失和提高產汽率，給水流量應控制到較小程度，為減小361閥調節幅度，維持疏水管內流量穩定，采用投運單側361閥來調整儲水罐水位。

(2)完善361閥聯鎖邏輯。

1)取消原有“儲水罐水位高于18 m且361閥沒有在開位且貯水箱壓力小于12 MPa則對應快開電磁閥動作，聯鎖快速全開361閥”邏輯，避免因361閥快開造成疏水管內水流量突增，增大對管道的脈動力。取而代之，在分散控制系統(DCS)汽機報警中增加“儲水罐水位高”報警(觸發條件為：儲水罐水位達到18 m)，提醒運行人員手動干預儲水罐水位的調整，因為儲水罐水位的高低關鍵還是在于給水流量的調整。

2)在儲水罐液位控制站自動口設置限速模塊，對系統自動與手動切換時361閥開度調節指令的偏差進行平滑作用控制，使儲水罐液位控制站平穩地由手動指令過渡到更為合理的自動控制參數，以防止出現指令偏差大而導致361閥開度大幅波動的現象[2]。

3)在鍋爐啟動階段，隨著爐水焓值的上升，將會產生汽水膨脹現象。為防止汽水膨脹引起水位劇烈變化而使361閥異常動作，對其開動作進行速率限制。為防止汽水膨脹時水位迅速上漲而導致361閥開度突然大增，當儲水罐液位從高位開始下降時，給水位信號增加一負偏置，以避免水位變化過大[3]。

4)由于儲水罐液位允許控制范圍較大且361閥流量特性較好。當沒有聯關指令且分離器壓力小于11 MPa時，361閥調節采用開環控制，根據分離器水位確定開度指令。水位調整下限為10 m，上限為16 m，在此范圍內，361閥開度指令按0%～100%調節[4]。

(3)在361閥運行期間，應加強鍋爐給水和燃料的調整，維持給水流量相對穩定，維持361閥開度在15%～30%小范圍波動，以防止361閥大幅開/關而造成管道內工質流量的大幅波動。在鍋爐汽水膨脹期間，應停止對鍋爐燃燒和給水的調整，以減少對361閥水位控制的擾動因素。

4.3 對361閥及其附屬管路暖管

鍋爐轉直流運行后，361閥強制關閉，在緊急事故或停爐階段，需要打開361閥對儲水罐水位進行控制。361閥前管路內工質壓力和溫度相當高，為防止361閥突然開啟對系統造成沖擊, 需提前對361閥及其附屬管路暖管。

(1)在鍋爐直流運行中，打開省煤器出口至361閥的暖管閥(圖1中#4和#8閥門)，及儲水罐至過熱器二級減溫水的截止閥(圖1中#9閥門)。加熱水經暖管閥流向361閥后，倒流入儲水罐內，再經儲水罐至二級噴水管路排走，實現對361閥及其前管路的在線暖管。

(2)在361閥投入運行前，全開361閥后所有疏水門，稍開361閥(5%左右開度)，對管路暖管10～15 min，待疏水管溫度高于150 ℃后，暖管結束。然后，根據需要開啟361閥至凝汽器電動閥(圖1中#2或#6閥門)或至定排電動閥(圖1中#3或#7閥門)。手動調節361閥開度，待儲水罐水位基本穩定后，將其切自動控制方式。

5 結束語

本文從現場實際的角度出發，深入總結了生產經驗，較為系統地分析和解決了361閥管路振動的問題，并在實際生產中取得了較好的效果。可為其他電廠同類型機組在投運361閥時的防止管路振動提供借鑒。

參考文獻：

[1]鄧廣發,張超群,董強,等.發電廠汽水管道振動的原因分析及消除[J].華東電力,2005(7):97-98.

[2]彭勃，周隆.600 MW直流爐儲水罐液位控制技術分析與改進[J].廣西電力,2009(2):58-60.

[3]盧斗，林正春，代茂林.超臨界直流鍋爐汽水分離器儲水罐水位的控制[J].發電設備,2006(1):58-62.

[4]熊建明，王伯春，陳彥峰.600 MW機組鍋爐361閥的工作原理及調試特點[J].湖南電力,2008(5):44-45.