汽輪機水循環系統泄露故障定位的仿真研究

張永太

（山西金駒煤電化有限責任公司，山西 晉城 048006）

引言

實踐表明，泄露是鍋爐汽輪機水循環系統在實際應用中常見的故障，不僅會影響汽輪機本身的安全性，還會影響整個系統的運行性能。汽輪機水循環系統主要由凝結水、鍋爐循環水、給水、過熱蒸汽等分系統構成，在實際生產中各個子系統緊密聯系。當汽輪機水循環系統中其中一個分系統出現泄漏故障時，相鄰子系統的運行也會受到影響。結合實踐應用可知，鍋爐汽輪機水循環系統常見的泄露故障包括有低壓加熱泄露、高壓加熱泄露以及鍋爐四管泄露等[1]。本文將對上述各種故障的原因進行分析，并對不同工況下的泄露故障進行仿真研究。

1 汽輪機水循環系統泄露故障原因分析

1.1 鍋爐四管泄露故障原因分析

所謂鍋爐四管指的是的與汽輪機相關鍋爐的鍋爐水冷壁、省煤器、過熱器和再熱器。結合多年生產經驗總結鍋爐四管出現泄露故障的原因如下：

1）制造鍋爐四管所采用的材質不合格。具體表現為：所采用管材中夾雜著殘渣，管材存在裂縫進而影響其整體的強度。此類鍋爐四管在高溫高壓情況下極易發生斷裂、爆管的現象。

2）鍋爐四管焊接質量不合格。具體表現為：管材焊縫的位置出現裂紋和咬合，在高溫高壓的作用下極易在橫向和縱向兩個方向出現更大裂縫，進而導致泄露[2]。

3）鍋爐四管位置布置不合理。具體表現為：鍋爐四管均在高壓、高溫環境下工作勢必會出現一定的熱脹冷縮現象。由于四管位置不合理導致其在熱脹的作用下出現裂縫。

4）鍋爐四管被堵塞。具體表現為：因未按照標準、規范安裝，導致管道中遺留異物或管道內壁出現脫落導致其被堵塞，最終導致管道內壓力升高從而出現泄露。

當鍋爐四管出現泄露故障時，常表現為如下現象：有水汽噴出；系統水泵的轉速增大；系統負壓波動較為劇烈；泄露一側與非泄露一側的水溫差距較大。

1.2 高壓加熱泄露故障原因分析

高壓加熱器為汽輪機水循環系統必不可少的設備，其主要功能為提升系統本身的熱循環效率。結合實踐經驗分析，高壓加熱泄露故障的原因可總結如下：

1）系統的熱應力過大。具體表現為：系統的熱應力過大而管路所采用管材的厚度各不相同，其膨脹或收縮的速率不同，導致管路端口出現泄露。

2）管路變形。具體表現為：由于高壓加熱器分為水側和汽側，兩側介質具有不同的特性。當系統出現負荷突變情況時，水側的壓力會發生較大的變化，進而導致管路端口出現泄露[3]。

除此之外，由于高壓加熱器對應管路的堵管工藝不合理、實際生產中的管道振動以及所采用材質不合格均會導致其出現泄露故障。

高壓加熱泄露故障對應的現象主要為汽輪機出力降低、煤耗增加、熱效率降低、水位波動異常、給水量增長異常等。

1.3 低壓加熱泄露故障原因分析

與高壓加熱器相類似，低壓加熱器同樣在高溫高壓的環境下工作，在長時間的運行下熱應力、振動、磨損等均會導致與低壓加熱器相匹配管道出現管道變形，管道變薄等問題。具體的故障原因包括有汽水長時間的沖刷、管道振動碰撞以及磨損、水汽對管道的腐蝕等。

低壓加熱泄露故障主要表現為系統的除氧效率降低、除氧設備的熱負荷增加、主汽溫升高等。

2 泄露故障規律仿真研究

2.1 鍋爐四管泄露故障規律仿真研究

鑒于鍋爐四管包括有高溫過熱器、高溫再熱器、省煤器以及水冷壁，本節對上述不同泄露部位在相同泄露程度下的現象進行仿真分析，不同部位的泄露程度如表1所示：

表1 鍋爐四管不同泄露部位的泄露程度

經仿真分析可知：鍋爐四管發生泄露后，系統對應的主蒸汽流量、壓力以及實際負荷均會降低。不同泄露部位所導致的現象如下：在同等泄露程度下，水冷壁出現泄露對系統負壓和主汽壓力的影響最大，即這兩個參數減小最為明顯；而省煤器泄露對系統負壓和主汽壓力的影響最小。在同等泄露程度下，對系統負壓和主汽壓力影響第二明顯的泄露部位為高溫再熱器，其泄露會導致給水流量的瞬間增大。對系統負壓和主汽壓力影響第三明顯的泄露部位為高溫過熱器，其泄露會導致系統的風機動葉開度增加[4]。

2.2 高壓加熱泄露故障規律仿真研究

高壓加熱系統的結構如圖1所示：

圖1 高壓加熱系統的結構示意圖

由實踐發現，導致高溫加熱器出現泄露的故障類型包括高溫加熱器進水室和出水室發生短路、高溫加熱器管路泄露以及高溫加熱器入口的三通閥出現故障。不同故障類型的故障程度如表2所示。

本節將對上述三種故障類型中1號高溫加熱器的進水室和出水室出現短路故障時的現象進行仿真分析。經仿真分析可得：當1號高溫加熱器的進水室和出水室短路時對應的給水溫度出現降低現象，且幅度很大。然而，對應的2號和3號高溫加熱器的溫升不受影響。具體表現為：當1號高溫加熱器的進水室和出水室短路20%時，溫度約降低5.7℃。

表2 不同故障類型的故障程度

2.3 低壓加熱泄露故障規律仿真研究

低壓加熱器系統的結構如圖2所示：

圖2 低壓加熱器系統結構示意圖

低壓加熱器故障類型主要包括有低壓加熱器進水室和出水室短路、低壓加熱器管路泄露等。本節對5號低壓加熱器管路出現8%泄露情況下的規律進行仿真研究。

經仿真分析可知：當5號低壓加熱器管路出現泄露時其對應的疏水閥和緊急疏水閥的開口大小會明顯增大；與此同時，其對應下游的其他低壓加熱器對應的疏水閥和緊急疏水閥的開口大小也會出現一定程度的增大[5]。而且，5號低壓加熱管路泄露還會導致系統除氧器水位調節閥開口增大。

3 結語

泄露為汽輪機水循環系統的主要故障，因此，為提升汽輪機水循環系統運行效率需從根本采取措施降低其出現泄露故障的概率，或當系統出現泄露故障時可快速對出現泄露的部位和泄露程度進行精準定位。