虹吸效應引發汽輪機進水分析

朱志龍

(國家能源集團重慶恒泰發電有限公司，重慶 400800)

0 引言

汽輪機進水是導致汽輪機重大設備損壞最常見、最危險的事故之一,尤其在汽輪機運行或缸溫較高的情況下,很可能會因劇烈的熱沖擊及軸向推力造成汽輪機強烈振動、軸瓦損壞、汽封磨損、葉片斷裂、氣缸變形、大軸彎曲等一系列嚴重事故。

眾多的電力運行規程、規范及相關規章制度都對汽輪機防進水作了詳細要求,甚至具體到防止除氧器滿水溢至汽輪機等要求,但很少提及防止除氧器因虹吸效應導致汽輪機進水事故。因此,通過一起虹吸效應引發汽輪機進水事故的案例分析,提出針對性預防措施,作為汽輪機防進水事故的補充措施之一,進一步完善相關制度和技術規范。

1 除氧器加熱及軸封漏汽系統概述

某廠除氧器加熱系統(如圖1所示)設有兩路汽源,機組正常運行時,除氧器加熱汽源來自汽輪機四段抽汽,抽汽管道上裝有電動門和逆止門；機組啟動、甩負荷或低負荷時,加熱汽源來自輔助蒸汽聯箱。這兩路蒸汽均通過一個逆止門和除氧器加熱電動門進入除氧塔。

圖1 除氧器加熱系統結構

此外,還設有再沸騰用汽,從除氧器加熱電動門之前引入一路蒸汽至除氧器水箱底部,通過再沸騰加熱手動門控制。

高壓缸軸封漏汽則通過一個逆止閥接至四段抽汽管道,在接入四段抽汽管道之前設置有疏放水手動門；此外,四段抽汽還向2臺汽動給水泵提供動力汽源。

2 異常事件分析

2.1 事件概述

2020-08-08 ,該廠機組停機調峰,21：51,打閘停機,各段抽汽疏水門聯鎖開啟,因臨時停運,輔助蒸汽聯箱無汽源,軸封系統供汽汽源切至主蒸汽。22：48,汽輪機轉速惰走至零,投入盤車運行,各參數無異常。

23：06,監盤人員發現高壓缸排汽溫度16 min內異常下降151 ℃。23：10,值班員開啟高排逆止閥前疏水罐底部排污閥,發現有大量熱水排出,水溫約90 ℃。

23：15,檢查發現高壓缸前軸封漏汽至四段抽汽逆止門處滴水(圖1中5號閥門),開啟該逆止門后的放水手動門(圖1中4號閥門),有大量熱水排出；檢查發現高壓缸軸封供汽管道濾網處滴水,于是開啟軸封系統所有疏水門。

23：40,高、中壓缸左/右側膨脹降至20.36 mm/19.99 mm,50 min內 異 常 下 降5.19 mm/5.32 mm；高壓內缸上/下內壁溫度降 至427.7 ℃/425.5 ℃,50 min內 異 常 下 降36.8 ℃/35.8 ℃,初步判斷為軸封系統進水造成汽輪機進水。

01：15,高、中壓缸左/右側膨脹繼續下降至18.97 mm/18.68 mm,高壓內缸內壁上/下壁溫度下降至407.6 ℃/377.9 ℃,上/下壁溫差持續增大。

03：30,高壓內缸上、下壁溫差至60 ℃,此后溫差逐漸減小,至2020-08-09T17：00,缸溫差降至35 ℃以內。

2.2 事件分析

結合該機組除氧器加熱系統歷史曲線調查和現場檢查情況分析,得出該異常事件原因如下：

(1) 2020-08-08T22：47,值班負壓機組停運后機組停運后,關閉除氧器加熱電動門(圖1中2號閥門),22：51,四段抽汽管道上/下壁溫度開始下降,10 min之內分別下降135 ℃/85 ℃,22：55,高壓缸排汽溫度開始異常下降,最大降幅達163 ℃,隨后汽輪機缸溫和缸膨脹同步異常下降,說明此時汽輪機已經進水,在此期間,除氧器水位異常下降約100 mm (排除汽包上水和除氧器漏水等其他情況)。從時間順序上來看,汽輪機進水之前首先發生了四段抽汽管道進水(四抽管壁溫度測點位于四抽逆止門之后,如圖1所示),而四段抽汽管道的水源很可能來自除氧器,圖2指出了異常事件發生時間順序。通過進一步查閱歷史曲線資料可知,除四段抽汽溫度在除氧器加熱電動門關閉之后出現溫度異常下降之外,一段、二段、三段抽汽在停機后均未出現溫度異常下降的現象,也進一步印證了四段抽汽管道發生了異常進水現象。

圖2 異常事件發生時間順序

(2) 進一步查閱歷史曲線資料發現,四段抽汽管壁溫度和高壓缸排汽溫度最低均降至約120 ℃左右,該溫度正好接近除氧器水溫。

(3) 就地檢查發現四段抽汽電動門、逆止門均關閉嚴密,可排除除氧器存水通過四抽電動門、逆止門進入汽輪機的情況。

(4) 就地檢查發現高壓缸前軸封漏汽至四段抽汽逆止門處滴水,開啟該逆止門后至無壓放水手動門(圖1中4號閥門),發現有大量熱水排出,由此可知軸封系統進水,且水溫約90 ℃左右,而水源很可能來自與之相連的四段抽汽管道,經進一步檢查確認,高壓缸前軸封漏汽至四段抽汽逆止門存在內漏情況(圖1中5號閥門)。

(5) 就地檢查發現除氧器再沸騰手動門(圖1中1號閥門)在開啟位置。

綜合以上現象分析可知,汽輪機進水之前首先發生四段抽汽管道進水,水源來自除氧器水箱,因四段抽汽電動門、逆止門關閉嚴密,四段抽汽管道逐漸滿水并進入軸封系統,最終通過軸封系統進入汽輪機。而四段抽汽管道進水的原因是,因除氧器帶有一定壓力,且由于除氧器再沸騰加熱手動門（圖1中1號閥門)在開啟位置,因此除氧器水箱存水在壓力作用下通過該手動門進入壓力相對較低的四段抽汽管道。

歷史曲線顯示,除氧器加熱電動門在關閉之前四段抽汽壓力值略高于除氧器壓力,檢查發現四段抽汽至除氧器逆止門(圖1中3號閥門)存在內漏情況,說明除氧器和四段抽汽管道相通,且四段抽汽疏水門在開啟狀態,理論上除氧器壓力應高于四段抽汽壓力或兩者接近。

進一步查閱歷史曲線資料得知,出現四段抽汽壓力值高于除氧器壓力的原因是測量誤差所致,機組在停運(冷態)狀態下除氧器壓力值為0.0103 MPa,四段抽汽壓力值為0.0234 MPa,且以上兩個數據在機組冷態狀態下恒定不變,因此可作為除氧器壓力以及四抽壓力測量誤差的修正值。雖然此時除氧器壓力高于四段抽汽壓力,但因除氧器加熱電動門處于開啟狀態,兩者相通導致差壓不足以克服除氧器再沸騰管口至再沸騰管最高點之間約5.0 m高度水柱所產生的靜壓力,因此除氧器存水不能進入四段抽汽管道。

除氧器加熱電動門在關閉之后四抽壓力出現明顯下降現象,原因是此時除氧器水面以上空間與四段抽汽管道瞬間隔斷,四段抽汽管道壓力隨之出現明顯下降現象,該原因導致氧器水箱存水與四段抽汽管道之間出現較大的壓力差。除氧器加熱電動門關閉后除氧器壓力值為0.1597 MPa,四段抽汽壓力值為0.1416 MPa,修正測量誤差后除氧器實際壓力為0.1494 MPa,四段抽汽實際壓力為0.1182 MPa,而除氧器再沸騰管位于除氧器水箱底部,此時除氧器水位為2227 mm,水箱底部存在約0.0222 MPa的靜壓,加上此時除氧器壓力0.1494 MPa,則除氧器再沸騰管口處的總壓力約為0.1716 MPa,高于四段抽汽壓力0.0534 MPa,該壓差剛好克服再沸騰管口至再沸騰管最高點之間約5.0 m高度水柱所產生的靜壓力,使得除氧器存水反水至四段抽汽管道并形成虹吸效應,導致除氧器水箱存水不斷進入四段抽汽管道,最終通過軸封系統進入汽輪機。

而上述虹吸效應形成的關鍵是由于除氧器加熱電動門處于關閉狀態,否則除氧器壓力和再沸騰管道最高點壓力達到平衡而難以形成虹吸效應,這也是該電動門關閉后才出現除氧器水箱內的水大量進入四段抽汽管道的原因。此外,四段抽汽壓力在除氧器加熱電動門關閉之后出現波動現象,原因是此時四段抽汽管道已經進水,水流導致四段抽汽管道內壓力擾動。

(6) 虹吸效應。用一根內部充滿液體的彎管接連兩個液位不等的容器,則高液位的液體自動經彎管流入低液位的容器,這種現象稱之為虹吸現象。如圖3所示,B點水位高于C點水位,一水管分別浸于B,C點的容器之中,此時B點水面若有一初始壓力p,且p＞h1高度水柱所產生的靜壓力,則B點的水在初始壓力p的作用下會流經水管最高點A,流經A點的水流會在重力作用下繼續流向最低點C,若管內處于滿水狀態,則水流從A點流向C點的過程中會在A點形成一定的真空,由于h2＞h1,真空產生的吸力會克服h1高度水柱的靜壓力,從而使B點的水又吸至A點,此時即使B點的初始壓力p消失,水流也會繼續由B點自動流至C點,形成典型的虹吸效應。

圖3 虹吸效應原理

結合圖1和圖3可知,圖3中B點相當于圖1中除氧器再沸騰管口處,位于除氧器水箱底部,圖3中C點處的容器相當于圖1中四段抽汽管道最低處,而圖3中的最高點A點則是圖1中3號閥門的位置,即除氧器再沸騰管最高點。

3 應對處理措施

結合以往經驗,提出了若干應對處理措施如下。

(1) 修編完善除氧器加熱投運操作票,明確在除氧器加熱系統投運結束之后必須關閉除氧器再沸騰手動門；制定重要系統閥門檢查確認卡,防止閥門誤操作。

(2) 處理四段抽汽至除氧器逆止門、高壓缸軸封漏汽至四段抽汽逆止門內漏缺陷,利用停機機會全面梳理檢查重要系統逆止門,確保其可靠動作,關閉嚴密。

(3) 應在運行規程中明確：機組停運后非特殊情況不得關閉除氧器加熱電動門,以破壞虹吸效應形成的條件；特殊情況下需要開啟該閥門時,應做好虹吸效應可能發生的事故預想并采取相應的技術措施,防止除氧器存水進入四段抽汽管道。

(4) 修編完善防止汽輪機進水技術措施,增加防止因虹吸效應導致汽輪機進水相關內容。

(5) 對除氧器壓力、四段抽汽壓力等重要參數測點進行校驗、修正,確保其測量數據的精確性。

4 結束語

為防止給水泵氣蝕,目前大多數發電廠的除氧器安裝位置均高于汽輪機,且由于兩者之間通過抽汽管道相連,因此必須考慮如何避免因虹吸效應導致除氧器中的水進入汽輪機,而防止虹吸效應發生的關鍵就是破壞其形成的條件。同時,各發電廠也應根據機組實際情況進一步修編完善汽輪機防進水技術措施,加強設備缺陷治理,確保機組安全穩定運行。