安全閥導(dǎo)致凝汽器真空度降低原因分析及應(yīng)對措施

譚江鋒

(中海福建燃?xì)獍l(fā)電有限公司， 福建莆田 351156)

21世紀(jì)初我國引進(jìn)了重型燃?xì)廨啓C發(fā)電設(shè)備，天然氣發(fā)電具有清潔環(huán)保、適用于調(diào)峰發(fā)電的優(yōu)勢，為我國電力供應(yīng)提供了優(yōu)質(zhì)高效的電力資源。目前，我國建成并發(fā)電的重型燃?xì)廨啓C設(shè)備主要由美國GE、日本三菱、德國西門子3種機型組成。隨著機組國產(chǎn)化水平越來越高，在融合國外技術(shù)時難免遇到一些問題，只有通過對這些問題進(jìn)行分析和總結(jié)，才能不斷提高生產(chǎn)工藝水平。

1 機組概況

某廠安裝了4套M701F3燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，單機容量390 MW，燃?xì)廨啓C、汽輪機采用DIAS(Digital Intelligent Automation System)，余熱鍋爐、公用系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)(DCS)。

該廠M701F3燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為單軸設(shè)計，啟動時燃?xì)廨啓C和汽輪機轉(zhuǎn)子同時被拖動。為防止機組啟動至汽輪機進(jìn)汽前這一段時間內(nèi)因汽輪機葉片鼓風(fēng)摩擦造成低壓缸過熱，系統(tǒng)設(shè)計從機組輔汽母管引一路冷卻蒸汽至低壓主汽閥前(見圖1)。在機組轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min后，低壓主汽調(diào)節(jié)閥逐漸開啟至冷卻位置(約18%)，給低壓缸通冷卻蒸汽，以帶走鼓風(fēng)摩擦產(chǎn)生的熱量。為防止該段管道超壓，在低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥后設(shè)有一套沖量式安全閥。

圖1 低壓缸冷卻蒸汽管道

2 故障現(xiàn)象

當(dāng)該機組啟動達(dá)到額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min準(zhǔn)備并網(wǎng)時，出現(xiàn)凝汽器真空度較正常低的現(xiàn)象，且以約4 kPa/min的速度急劇下降；立即手動將凝汽器備用真空泵啟動，并檢查軸封系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的閥門狀態(tài)，參數(shù)均正常；但發(fā)現(xiàn)低壓缸冷卻蒸汽壓力為負(fù)值，輔汽至低壓缸冷卻蒸汽電動隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài)；于是立刻手動開啟低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥和低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥，直至低壓缸冷卻蒸汽壓力為正值后，凝汽器真空度停止下降并回升(見圖2)。

3 原因分析

3.1 DCS邏輯缺陷

為查明故障原因，查閱歷史曲線發(fā)現(xiàn)：在機組轉(zhuǎn)速為2 300 r/min時，低壓缸主蒸汽調(diào)節(jié)閥開度還很小，低壓缸冷卻蒸汽用汽量不大，恰好此時低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥后的疏水電動閥關(guān)閉，導(dǎo)致低壓缸冷卻蒸汽壓力升高，使處于自動調(diào)節(jié)下的低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)小至零位。由于DCS中設(shè)置當(dāng)?shù)蛪焊桌鋮s蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥開度小于1%時，關(guān)閉該調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥的邏輯，因此系統(tǒng)自動切斷了低壓缸冷卻蒸汽，且無閥門關(guān)閉的報警信息，以致運行人員一時沒有察覺，機組繼續(xù)啟動，而此時低壓缸主汽閥和低壓缸主汽調(diào)節(jié)閥均已打開，低壓缸冷卻蒸汽管道與凝汽器相通，在無冷卻蒸汽供給的情況下，低壓缸冷卻蒸汽管道內(nèi)形成真空，從而造成空氣通過主安全閥進(jìn)入凝汽器導(dǎo)致凝汽器真空度快速下降的現(xiàn)象。

3.2 安全閥結(jié)構(gòu)缺陷

在機組停運后維持真空進(jìn)行了以下試驗：將低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥及低壓缸冷卻蒸汽電動隔離閥關(guān)閉，開啟低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥后疏水電動閥(該閥疏水通往凝汽器)，當(dāng)這一段管道為負(fù)壓后，凝汽器真空度便會以約4 kPa/min的速度開始下降，大約下降到-50 kPa后真空度不再下降(見圖3)。

圖3 安全閥泄漏與真空破壞閥開啟時真空度下降曲線對比

真空度急劇下降說明低壓缸冷卻蒸汽管道存在大量漏空氣的地方。對該管道進(jìn)行灌水查漏后并未發(fā)現(xiàn)任何漏點，且低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥至低壓主汽門這一段管道的疏水管道只通往凝汽器，該管唯一能與外界相通的只有低壓缸冷卻蒸汽管道上的一套沖量式安全閥。

分析該沖量式安全閥、主安全閥的結(jié)構(gòu)和動作原理，以及凝汽器真空度下降的原因如下[1]：

(1) 當(dāng)?shù)蛪焊桌鋮s蒸汽管道內(nèi)蒸汽壓力大于零但小于沖量式安全閥動作值時，主安全閥閥芯受力為向下的大氣壓力、向上的彈簧力和蒸汽壓力。蒸汽壓力越高，作用在閥芯上向上的力越大，主安全閥越嚴(yán)密(見圖4)。

圖4 管道內(nèi)蒸汽壓力正常時

(2) 當(dāng)?shù)蛪焊桌鋮s蒸汽管道內(nèi)蒸汽壓力超過沖量式安全閥動作值時，沖量式安全閥開啟，蒸汽通過沖量式安全閥管道進(jìn)入主安全閥活塞室。主安全閥閥芯受力為向下的大氣壓力和活塞的蒸汽壓力、向上的彈簧力和作用在閥芯上的蒸汽壓力。由于活塞受力面積遠(yuǎn)大于閥芯，活塞上部向下的蒸汽壓力克服閥芯向上的蒸汽壓力和彈簧力，推動閥芯下移，使安全閥打開，對外排汽(見圖5)。待低壓缸冷卻蒸汽管道內(nèi)壓力降到?jīng)_量式安全閥返回值后沖量式安全閥關(guān)閉，切斷進(jìn)入主安全閥活塞室的蒸汽，主安全閥在彈簧和蒸汽壓力作用下自行關(guān)閉。

(3) 當(dāng)?shù)蛪焊桌鋮s蒸汽管道內(nèi)為負(fù)壓時，主安全閥閥芯受力為向下的大氣壓力、向上的彈簧力和少量蒸汽壓力。隨著低壓缸冷卻蒸汽管道內(nèi)的蒸汽壓力降低，管內(nèi)真空度也隨之升高，當(dāng)管內(nèi)真空高于一定值時，作用在閥芯上彈簧力與蒸汽壓力之和小于大氣作用力時，主安全閥閥芯向下移動，于是空氣進(jìn)入到低壓缸冷卻蒸汽管道內(nèi)(見圖6)。

圖5 管道內(nèi)蒸汽超壓時

圖6 管道內(nèi)為真空時

在啟動過程中，機組轉(zhuǎn)速到達(dá)2 000 r/min后低壓缸冷卻蒸汽開始進(jìn)汽，如果低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥關(guān)閉或低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥開度過小，就會造成低壓缸冷卻蒸汽停止供應(yīng)或供應(yīng)不足，使低壓缸冷卻蒸汽管道變成真空，于是出現(xiàn)上述情況(3)，空氣依次通過主安全閥→低壓缸主汽閥→低壓缸主汽調(diào)節(jié)閥→汽輪機低壓缸→凝汽器，造成凝汽器真空度快速下降。根據(jù)凝汽器真空度曲線計算表明：該時期真空下降速率約4 kPa/min，僅次于全開真空破壞閥速率(約8 kPa/min)。如果在5 min內(nèi)未能及時處理就會造成凝汽器低真空度保護(hù)動作，機組跳閘。

4 應(yīng)對措施

針對上述DCS邏輯控制缺陷和安全閥結(jié)構(gòu)上的問題，提出以下應(yīng)對措施：

(1) 取消DCS低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥開度<1%聯(lián)關(guān)低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥的邏輯，防止在調(diào)節(jié)閥后壓力突然升高關(guān)小調(diào)節(jié)閥至<1%，進(jìn)而聯(lián)關(guān)低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥前電動隔離閥。

(2) 增加低壓缸冷卻蒸汽壓力小于0.03 MPa時聯(lián)鎖關(guān)閉低壓缸冷卻蒸汽電動隔離閥和低壓缸冷卻蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥后疏水電動閥的控制邏輯，以切斷可能通往凝汽器的空氣。機組點火后加強對低壓缸冷卻蒸汽管道壓力的監(jiān)視，提前投入低壓缸冷卻蒸汽，并保持低壓缸冷卻蒸汽壓力0.25 MPa左右。

(3) 運行中若因低壓缸冷卻蒸汽安全閥泄漏導(dǎo)致真空度下降過快時，可立刻手動將低壓主蒸汽調(diào)節(jié)閥暫時關(guān)閉。同時遠(yuǎn)方開啟(或就地手動開啟)低壓缸冷卻蒸汽調(diào)節(jié)閥及之前的電動隔離閥，調(diào)整低壓缸冷卻蒸汽管道內(nèi)為正壓后，再緩慢開啟低壓缸主汽調(diào)節(jié)閥至冷卻位置。

(4) 將低壓缸冷卻蒸汽管道上的沖量式安全閥、主安全閥更換成普通彈簧式安全閥[2]。

目前該廠已執(zhí)行前三條措施，基本消除了因使用沖量式安全閥、主安全閥導(dǎo)致凝汽器低真空度的隱患，但要做到本質(zhì)安全，還必須執(zhí)行最后一條安全措施。

5 結(jié)語

筆者通過對單軸聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機低壓缸冷卻蒸汽系統(tǒng)上的沖量式安全閥的結(jié)構(gòu)及不同工況下的受力分析，說明了空氣從系統(tǒng)外通過沖量式安全閥進(jìn)入凝汽器導(dǎo)致真空度下降的過程，因此對可能處于真空狀態(tài)的系統(tǒng)在選用安全閥時，應(yīng)避免使用沖量式安全閥。對于已采用沖量式安全閥的低壓缸冷卻蒸汽系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)和設(shè)備選型方面提出了有效的防范和改進(jìn)措施，對運行維護(hù)單位和設(shè)計單位具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭崇志, 朱壽林. 安全閥超壓泄放瞬態(tài)動力學(xué)數(shù)值模擬研究[J]. 流體機械, 2012, 40(2): 30-35, 14.

[2] 楊源泉. 閥門設(shè)計手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1992.