機組啟動過程中高旁管道震蕩分析

華電朔州熱電廠 管海坡

華電朔州熱電廠汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的超臨界、一次中間再熱、直接空冷、單軸（采暖抽汽）、雙缸雙排汽式汽輪機。機組采用高、低壓二級串聯旁路系統。其中高壓旁路容量為40%BMCR，低旁總容量為40%BMCR+高旁噴水量。旁路容量不僅能滿足機組啟動和甩負荷的要求，還能滿足空冷器冬季啟動及低負荷時的防凍要求。

1 設備與系統概況

高、低壓旁路系統母管低位處各設有一路母管疏水管路，在機組啟停過程中用于排除管道內積水。高、低壓旁路還各設一組減溫減壓器，用于控制高低旁閥后溫度。高旁減溫水取自給水泵后出口母管，低旁減溫水取自凝結水。汽輪機高、中壓缸聯合啟動時采用該旁路運行方式，當鍋爐點火后，鍋爐主蒸汽壓力達到0.15MPa時開啟高、低旁爐系統，通過調整高、低壓旁路閥開度，盡快提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度以滿足沖轉的要求。控制主汽壓力8.92MPa，控制再熱汽壓1.0MPa以內。機組并網后逐漸關閉高、低旁控制調閥。高旁減溫水調整門控制高旁后汽溫＜350℃，低旁減溫水調整門控制低旁后汽溫＜180℃。當機組跳閘停機后，背壓超過55kPa時不準投入低旁運行。

鍋爐為上海鍋爐廠制造的350MW超臨界參數變壓運行直流爐，循環流化床燃燒方式，一次中間再熱、平衡通風、全鋼構架結構；過熱器采用兩級噴水調節蒸汽溫度（直流負荷后以調節煤水比來調節溫度）、再熱器采用以煙氣擋板調節蒸汽溫度為主，同時設置微量噴水和事故噴水調溫為輔的調溫方式。

2 旁路系統的主要功能

在機組啟動、停運和故障時協調機、爐間蒸汽流量的平衡，回收剩余工質，減少排汽產生的噪音。在汽輪機沖車和打閘后，汽輪機進汽調門主汽門全部關閉，蒸汽流量為零，而鍋爐的熱負荷卻還有存余，使得這部分蒸汽無法消耗，如果排向大氣會造成這部分工質和熱量損失，且這部分蒸汽通過安全閥排向大氣會產生嚴重的噪音。設置高壓蒸汽旁路系統不僅可回收這部分蒸汽，并降低了排汽造成的環境污染。同時在機組發生故障甩負荷時，高壓蒸汽旁路系統可將多余蒸汽排出鍋爐，減少安全閥的動作次數，增加安全閥的嚴密性且延長使用壽命。

保護鍋爐再熱蒸汽系統。對于存在蒸汽進行一、二次再熱系統的機組，在鍋爐點火啟動后，由于汽輪機未沖轉，爐側再熱蒸汽管道無蒸汽流入，使得再熱蒸汽管道處于干燒狀態，當投入高壓蒸汽旁路系統時，可使高溫高壓蒸汽經過高旁減溫減壓閥進行降溫降壓后再進入爐側再熱蒸汽管道對其冷卻，防止了干燒和超溫現象發生。投入低壓蒸汽旁路，在機組解列和跳閘甩負荷時也可防止再熱蒸汽系統超壓。

協助控制鍋爐側蒸汽參數，使其符合汽輪機在沖車、并網、接帶負荷時對蒸汽溫度、壓力和流量的參數要求。汽輪機在冷態、溫態、熱態、極熱態條件下啟動時，其金屬溫度是不同的，對沖轉時的主蒸汽溫度、壓力、再熱蒸汽溫度、壓力的要求也是不一樣的，要求其最少有50℃的過熱度，并保證主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度分別高于汽輪機高、中壓缸最高金屬溫度50℃。而機組啟動過程中爐側蒸汽流通受限，蒸發量和蒸汽溫度無法達到沖轉要求，所以就需通過高、低壓蒸汽旁路系統來增加鍋爐熱負荷，使其具有一定的蒸發量和一定品質的蒸汽來滿足蒸汽參數達到沖轉要求。且在汽輪機升速、并網和接帶負荷過程中，通過調整旁路系統控制鍋爐側蒸汽參數，避免參數大幅波動引起汽缸金屬溫度和轉子脹差的變化。

3 事故經過

3.1 機組啟動時的管道震蕩

該公司在機組啟動過程時提前將高、低壓旁管道疏水門打開，爐側鍋爐熱負荷不斷提高，蒸汽參數的逐步提升，當爐側主蒸汽壓力達到0.1MPa時，逐漸打開低壓、高壓旁控制閥，投入高、低壓旁路系統，隨著蒸汽參數的提高，汽機側管道逐漸進蒸汽，高旁管道及冷再管道開始振動，參數越高，提升越快，管道振動越大。汽機側根據管道振動大、小開始逐漸開啟和關小高、低壓旁路控制閥，當主汽壓力升到1.0MPa時，聽到爐側有異響，巡檢員對爐側系統進行檢查，發現冷再管道的支吊架有變形和斷裂情況。開始增加暖管時間和鍋爐側升溫升壓參數緩慢要求，為了保證設備安全，此次機組啟動由于高旁及再熱器冷段管道振動大，大大延長了高旁管路暖管時間和機組啟動時間，高旁暖管要40min左右、冬季時更長。在機組啟動過程中，管道振蕩使得冷再管道支吊架脫落和變形。

3.2 機組停運時的管道震蕩

根據電網調度要求對該廠機組停運。由于運行時#2、#4高調門故障，為了控制檢修時間，機組停運方式采用滑參數停機。按照汽輪機維護停機曲線要求減負荷，降溫降壓。根據設計滑壓曲線設置目標壓力，參照滑停曲線降低主、再熱蒸汽溫度，為了控制主、再熱蒸汽汽溫，投運鍋爐側主、再熱蒸汽一、二級減溫水系統，根據降溫速率嚴格控制主、再熱蒸汽溫度降溫速率。當主汽溫度降至420℃左右時機組打閘停運，整個滑停時間將近4小時。

鍋爐停運后，由于爐內仍有高溫物料，為保證鍋爐冷卻及為檢修爭取時間，仍采取對鍋爐繼續微量補水的方式進行冷卻，機組打閘后盤車都已投運，高旁及冷再管道出現振蕩，在停運電動給水泵，鍋爐停止上水后振蕩慢慢消除。為保證鍋爐補水冷卻，再次啟動電泵上水，不久高旁及再熱器管道再次振蕩，等補水完畢后停運電動給水泵，再熱器管道振動消失。此時通過間斷的啟動電泵給鍋爐儲水箱補水補至液位8m左右，來保證爐內存水和鍋爐不干燒。

隨著現貨交易的開展，新能源裝機容量的增加，使得火電機組的調峰作用尤為凸顯，機組啟動、停運次數越來越多，而機組頻繁啟、停會對設備、管道損傷很大，為了保證機組運行期間的安全性及檢修任務時間緊的現狀，鍋爐要進行冷卻，而鍋爐冷卻就很容易使得管道受熱面受熱不均，熱應力分配不均勻，使得管道焊口拉裂（存在安裝及設計因素）。為了保證機組四管的可靠運行，該廠采取了一項措施就是停機后利用正常水壓試驗檢驗四管的可靠性，這項措施不能每次都檢查出問題、但有時會檢查出多處漏點，大大降低了因四管泄露造成的機組非停事故發生，該公司也保持著兩年機組零非停記錄。

4 原因分析及危害

4.1 從形成原理分析

管道震蕩主要是因為水塞的形成，汽水共通。水塞一般發生在蒸汽管道上，蒸汽閥門關閉后，管道內殘留的蒸汽會凝結成水，當管道安裝不合理時凝結水在管道低點容易積聚無法排出，當管道內再次送汽時，高流速的蒸汽會推動凝結水從而形成水塞，水塞被高速的蒸汽推動就會發生水擊現象。從形成原因可看出水塞形成條件一是需管道內積水，二是高流速蒸汽。

機組旁路或冷再管道內積水形成原因分析：機組啟動時，汽輪機沖轉前高、低旁路控制閥開度過小，沒有達到足夠的蒸發量，進入高旁管道后冷卻凝結成水。同時由于高、低壓旁路管道較粗、管壁很厚,在機組啟機過程中暖管所需的時間就長；高旁管道溫度控制器母管減溫水調整閥不嚴，鍋爐上水期間通過減溫水管道流入高旁管路，形成積水；爐側冷再入口減溫水調整門不嚴，冷再入口管道水平位置較低再入口聯箱段水平位置低，使得減溫水倒流至機側再熱器管道，使得冷再管道發生水塞引起振動；鍋爐進行水壓試驗后，由于電網調度調啟，再熱系統管道放水未放空，堵板拆除時，使得部分存水倒流至機側高旁管道；機組啟動初期，高旁控制閥內漏，冷再管道有源源不斷的蒸汽流入并冷卻凝結成水。機組停運時間較短時，再次啟機時隨著蒸汽通入管道、管道內的壓力隨之增加，再加上積水所形成的阻力使管道振動加劇，以上都是能使管道內出現積水的原因。

高流速蒸汽形成原因：正常啟動時，由于爐側熱負荷逐漸升高，為了提高蒸汽參數，逐漸開啟高、低壓旁路控制閥，形成通路。由于較高的汽壓差，使得高壓蒸汽流入汽機側再熱器管道及高旁管道內；高、低壓旁路控制調節閥存在內漏的情況，在機組打閘后，鍋爐冷卻降溫降壓的過程中，高壓旁路控制閥內漏，使得高壓旁路系統及冷再管道內通入高溫、高壓蒸汽。這里也可解釋在機組停運后冷再管道震蕩的原因：一是高旁閥內漏使得管道內介質流動，二是高旁管道內積水排不盡，管道堵塞造成水塞。

4.2 從設備及運行調整上分析

啟動操作引起的振動。在機組溫、熱態啟動過程中升溫、升壓參數較快，暖管時間短，開、關高低壓旁路控制閥較為頻繁，管道疏水門開啟過晚或未開，使得管道內凝結水不能及時的隨蒸汽排走，形成水塞，加劇了管道震蕩的形成；疏水管道不暢或設計出力不合理，機組啟動過程中，管道內凝結的水不能及時排出。高旁及冷再管道上的殘留蒸汽凝結后的水及高旁減溫水門內漏流入的水在此處積聚，使得管道堵塞。

4.3 現象分析

這種震蕩現象也是從2020年度開始的，機組從15年底投產，只是在近一年里啟動過程中出現的次數越來越頻繁，加之現貨交易期間機組啟停頻繁，大多數都是機組在溫態、熱態下的啟動；鍋爐水壓試驗時或鍋爐上水時出現高旁閥后壓力升高的現象，隨著上水時間的增加，管道內會進行充水充壓，壓力逐漸升高至0.2MPa，說明高旁溫度控制器母管減溫水閥門內漏不嚴；機組停運后高旁閥后溫度快速下降，說明高旁閥不嚴、一直是流動狀態，與鍋爐相通，流至爐側冷再管道內。

通過以上原因分析，首先可確定#1機組停運引起的管道震蕩是由于高旁閥內漏及高旁后減溫水控制閥內漏引起的。機組啟動過程中引起的管道震蕩原因是多方面共同影響。但通過現象分析主要是高旁溫度控制器減溫水控制閥內漏形成積水較大，以及水壓試驗后系統放水不完全使得管道內積水較多、而管道疏水排水能力限制的原因居高。

4.4 管道震蕩的危害

頻繁的管道振動會造成管道上的閥門、管件和焊縫的松動損壞，產生的應力變化頻繁，造成管道應力疲勞。強烈的管道振動甚至會引發連接的設備振動和損壞、管道的開裂、支吊架變形和脫落等危害，造成有高溫高壓蒸汽泄漏，影響了管道的安全運行和操作人員的人身安全。

該廠機組啟動階段，爐側冷再管道及高旁管道振動嚴重，造成了爐側再熱蒸汽冷段管道支吊架大面積脫落和變形，管道嚴重下沉，與冷再管道進汽聯箱連接處應力集中，在機組停運時發現連接處變形嚴重，對其進行了重新校正和補焊，造成檢修工作量增加及對變形和脫落支吊架進行高空修復校核。在停爐冷卻階段，由于管道震蕩使得鍋爐無法正常上水冷卻，增加鍋爐冷卻時間、增加檢修工期。

5 防范措施

利用機組大小修對高旁溫度控制器母管減溫水氣動閥、調閥進行解體檢查，必要時進行更換。或在啟動時將高旁母管減溫水管道的放水手動門打開，使母管內噴入的水量減少，機組運行正常后，再關閉放水手動門，當機組停運時，再打開高旁母管減溫水管道的放水手動門，控制母管內的進水量。也可增設減溫水母管閥后手動門，用于此類情況的最后保障；利用檢修機會聯系廠家對高旁路控制閥進行檢修，保證高、低壓旁路控制閥的嚴密性。

機組啟動過程中完善操作流程，制定標準化操作票，加強可行性的操作技能培訓，使暖管過程充分且均勻來減少管道振動現象的發生；利用檢修機會對高壓旁路母管疏水管道進行內窺檢查，查找是否有存在結垢堵管等現象；或根據實際情況重新計算其管道通流能力，進行管道整改；檢查鍋爐系統放水管道，保證放水系統暢通，了解鍋爐放水所用時間，然后再根據檢修時間安排機組是否進行水壓檢查試驗，短時間內停機嚴禁強冷鍋爐進行水壓試驗；鍋爐升溫升壓應根據情況進行延緩升參，保證設備充分預暖。

6 結語

經過一系列措施的實施,#1機組在啟動過程中，高旁、冷再熱器管道只發生輕微的震蕩，節約啟動時間30min，可減少啟動暖管期間的油耗2噸。在機組停運后，通知設備廠家對高旁控制閥進行嚴密性檢修及內漏閥門研磨，在機組停運期間未發生管道振動現象，鍋爐冷卻時間縮短、鍋爐熱放水提前。