600MW直接空冷機組空冷凝結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 張興凱 蘇醒

摘 要：我廠一期為2*600MW亞臨界空冷燃煤機組，2008年投入運行，采用斯比克（SPX）冷卻技術有限公司生產的SRC型單排管機械通風直接空冷系統（ACC），單機換熱面積1605780m2共8列，56臺風機，每列設兩個逆流單元。若空冷凝結水下降管沖擊振動則直接影響機組安全運行。

關鍵詞：空冷凝結水下降管道；沖擊振動分析；處理措施

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

1 設備概述

陜西府谷電廠一期2×600MW直接空冷機組，一采用斯比克（SPX）冷卻技術有限公司生產的SRC型單排管機械通風直接空冷系統（ACC），單機換熱面積1605780m2，共8列，56臺風機，每列設兩個逆流單元。空冷系統自投運以來，春、冬兩季的空冷凝結水下降管沖擊振動頻發。該現象會使管道焊口撕裂、吊架脫落，管道漏真空造成機組非停事件。

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

府谷電廠的空冷系統每一列凝結水下聯箱在逆流排處設兩個排出口，蒸汽凝結成水后由排出口流入該列凝結水支管；1-4列和5-8列的各列凝結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高度轉為水平管道通過真空除氧器進入汽輪機排汽裝置，凝結水靠自然重力回流至熱井?？绽鋶u平臺下部兩橫向凝結水母管在相鄰的端部設有向上彎曲的“Ω”型聯絡管，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、強度能滿足安裝、運行、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構，基管壁厚為1.5mm，翅片采用鋁翅片，厚度為0.30mm。每根管束兩側均有獨立的，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生，翅片有足夠的強度，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每個管束的溫度是否一致，均保證在所有運行條件下，所有的管束中均充滿蒸汽。冷卻管束、集管和相關管道采用自排水設計，其布置應便于蒸汽的有效分配及凝結水的回收。空冷凝汽器能承受在距地面57m處的陣風的影響。冷凝器的布置不因為熱膨脹或內部過壓力等原因而產生過大的應力。

為了保證系統的真空氣密性，冷凝器的管束、集管和蒸汽分配管道必須采用焊接連接。汽機的排汽應在整個系統的冷卻管束內均勻分配。冷卻管束安裝在由側板，支撐和定位裝置組成的結構內，形成能夠吸收熱膨脹的自支撐單元，對所有管束焊縫進行泄漏試驗，對于集管的進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構，焊接符合相關標準的規定，不采用螺紋連接及螺絲固定連接。在焊接封閉之前，集管的內外表面進行噴砂除銹處理，處理后應達到凈白（按相關標準）集管外表面進行油漆防腐處理（按相應標準），充分注意管束和管板之間連接的密封。每塊管束進行單獨的氣密性試驗。管束兩端應采用可靠有效的封堵，以免損壞銹蝕。

每個風機對應的冷卻管束（冷卻單元）應有其空氣通道，以保證冷空氣進入及熱空氣排出，凝汽器支撐鋼結構的布置不影響冷空氣進入凝汽器。不同冷卻單元之間設隔墻，以免相鄰冷卻單元相互影響和相鄰風機的停運而降低通風效率，隔墻便于拆裝和維護，并具有一定的強度，以免由于振動而損壞。對整個凝汽器除冷凝器風道以外的縫隙，采用抗腐蝕板進行封堵，以保證凝汽器不被旁路。

我廠所用風機為技術先進，性能可靠的風機，風機的性能參數及電動機功率通過優化計算確定，風機的靜壓效率不低于58.9%。風機和電動機為戶外型，能適應廠址地區的自然環境。空冷風機采用雙速風機。順流單元的風機減速箱有逆轉制動裝置，用于逆流凝汽器的風機可以反轉。風機配有防冷淬的葉片，葉片應為整體部件，嚴禁采用多個部件通過螺栓連接組成一個葉片。將風機葉片緊固在輪轂上，風機輪轂應為鋼鑄件或鋼加工件。風機葉片的尖端最大線速度值不超過40.00m/s。風機不會引起其周圍結構或凝汽器產生任何過大的振動，采用減震裝置。風機裝設相應的振動保護裝置。風機配備玻璃鋼鐘型進風口整流罩，在整流罩上緊固鍍鋅鋼網保護，保護網能承受1000N/m2的活動荷載。在風機旋轉時，減速箱有足夠的潤滑油。減速箱設有防止油泄漏設施，注油后，注油孔不應有油泄漏。油位標尺位于易接近的位置。減速箱外殼堅固，由高質量鑄鐵制成。為適應嚴寒環境，減速箱內設有防止潤滑油凍結的裝置。

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

抽真空系統采用3臺100%容量的水環式機械真空泵，其中1臺運行，1臺備用，一臺檢修備用。一臺水環式機械真空泵的抽真空能力應滿足機組連續運行的要求。真空泵布置在A排外。

建立真空的抽真空設備全部運行的條件下，空冷凝汽器從當地大氣壓達到35kPa的時間不超過40min。

日常運行方式：風機自動投入；

目前運行狀況：風機自動投入，加負荷期間，手動調整風機頻率，平衡空冷各列抽真空和空冷凝結水參數，減小凝結水管道振動。

2 空冷凝結水下降管道沖擊振動原因分析

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

通過機組運行時對#1、#2機空冷凝結水管道觀察得出以下幾點結論：

（1）沖擊振動多半發生在環境溫度-5℃-20℃下的機組高負荷時段，集中在春、冬季。

（2）一般表現為兩根凝結水下降管中的一根發生沖擊振動，而另一根運行平穩；或兩根均發生，其中一根強烈，一根較弱。

（3）此類凝結水下降管的沖擊振動和機組的真空嚴密性存在一定關系。#1機真空嚴密性在50-80Pa/min，#2機真空嚴密性在120-180Pa/min，#1機沖擊振動強烈，#2機運行平穩，并非真空嚴密性差的機組凝結水下降管沖擊振動幅度大。

機組運行時對#1、#2機空冷凝結水管道通過溫度檢測，空冷島真空調整及風機頻率變化（見表1）分析出管道振動的原因有以下兩點：

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

（2）同一列的不同區域真空存在差別，逆流列真空最低，從該列其它風室單元流來凝結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，產生蒸汽泡，蒸汽泡來不及釋放就在該列流入凝結水母管，從各列來的帶有汽泡的凝結水在母管中匯合，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境下的凝結水管道介質溫度逐步降低；在通過管道彎頭時，汽泡會受擠壓，凝結水的壓力相對較高，在這三重作用下，大氣泡破裂，形成強烈水沖擊“水錘”、管道振動現象。

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

（1）空冷同一列不同區域的蒸汽分配不均勻，冷卻過程中風量、翅片管的臟污程度存在差別，因此形成各區域凝結水的過冷度不同，即凝結水的溫度不同；同一列不同區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，并且抽空氣管道在此持續抽吸作用下，因而此處背壓是最低的，對應的飽和溫度也最低。從兩側流來的較高溫度凝結水，在逆流單元的放水口附近將達到飽和或過飽和狀態，產生第一批汽泡，并順水流向匯集管。

（2）同一機組空冷各列的蒸汽分配不均勻，由于風場的影響，不同列風量分配不均；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水溫度高，其在相對凝結水母管的偏低背壓環境下，存在達到飽和或過飽和狀態可能，進而形成第二批汽泡流向“S”型凝結水下降管。

（3）空冷島下部的兩段凝結水母管間，設有均衡背壓的“Ω”型聯絡管，兩段母管的背壓是一致的，但兩管內的凝結水溫度不同（原因：汽輪機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），凝結水溫度較高的母管內的凝結水，由于均衡背壓對應的飽和溫度低于或等于凝結水溫度，會達到飽和或過飽和狀態，在該側的水平橫向凝結水母管內形成第三批汽泡。

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

（5）因為每一列不同區域真空有差別，逆流風室真空最低，該列其它單元流來的凝結飽和水和部分帶有汽泡的不飽和凝結水，流至背壓較低的逆流風室時就會形成過飽和水，產生蒸汽泡，蒸汽泡來不及釋放就在該列流入凝結水母管，從各列來的帶有汽泡的凝結水在母管中匯合，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，由于凝結水管無保溫，下降過程中凝結水冷卻，流動轉彎過程中汽泡會受擠壓，越向下流，凝結水的壓力相對越高，在這三重作用下，大氣泡破裂，形成強烈水沖擊“水錘”現象。

以上原因形成的汽泡達到一定的數量，在流經“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”型設計也加劇了該過程，在攜有不斷匯聚變大汽泡的凝結水流流經“S”彎時由于流速變緩，致使汽泡周圍壓力升高，加之凝結水下降管為裸管，凝結水溫度在流動過程中是不斷下降，以上因素使大汽泡在轉彎處破裂形成水沖擊，引發凝結水下降管發出強烈沖擊聲響和振動。

3 空冷凝結水下降管道沖擊振動處理措施

通過分析管道振動的原因、查看現場管道布置、結合運行人員平時在調整空冷風機運行方式消除凝結水下降管道振動時的經驗總結?？偨Y出以下4種處理措施：

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

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

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

（4）運行人員通過手動調整風機頻率手動調整風機頻率，平衡空冷各列抽真空和空冷凝結水參數，避免凝結水管道振動。

4 結語

基于空冷島在干旱水資源缺乏地區火電行業的廣泛使用，空冷島使用壽命直接影響著企業的安全、經營業績。實踐證明，上述總結出的處理方法，大大提升了空冷島健康運行水平，消除了設備安全隱患，為機組安全經濟運行提供可靠保障。