三菱機組FGH 水沖擊問題原因分析和解決對策

陳 琦

（廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東惠州 516080）

1 FGH 系統簡介

為提高聯合循環效率，三菱M701F4 機組在F3 機型的基礎上對空冷型TCA（Turbine Cooling Air，燃機冷卻空氣）換熱器進行改進，改進后分為TCA 換熱器和FGH（Fuel Gas Heater，燃料加熱器）換熱器。其中，FGH 換熱器利用中壓省煤器出口的熱水對天然氣進行加熱，以達到燃燒器燃燒的要求。燃機FGH 系統如圖1 所示。

圖1 燃機FGH 系統

燃機發出啟動指令后，FGH 進口旁路閥打開進行注水，當FGH 內壓力達到4.5 MPa 后，進口主路閥打開。燃機點火至低負荷階段，通過FGH 至凝汽器的流量調節閥調整流量。當機組負荷高于135 MW 后，FGH 至低壓省煤器前的流量調節閥開始工作，至凝汽器流量調節閥關閉。燃機停機階段，當燃機熄火降速時，流量控制閥關閉，FGH 進口主路、旁路閥延時600 s 關閉。FGH 至凝汽器的流量控制閥在低真空時閉鎖開啟。

2 現象描述

為降低廠用電率，電廠會對非兩班制運行機組進程破壞真空，停運軸封、輔汽、凝結水系統的操作。當凝結水泵停運后，在凝結水系統壓力下降的過程中，燃機FGH 系統管道及凝結水系統管道會發生水沖擊現象，且持續時間較長，對管道設備造成很大危害。典型的停運凝結水泵過程中FGH 出現水沖擊的曲線如圖2 所示。

圖2 典型凝泵停運后出現水沖擊的FGH 系統曲線

由圖2 可見，在A 點FGH 進口主路、旁路閥關閉后，FGH 內壓力迅速從6.0 MPa 降至與凝泵出口壓力一致（2.23 MPa），FGH出口溫度測點也有明顯上升，FGH 內的熱水流出。在B 點凝結水泵壓力由2.23 MPa 調整降至1.3 MPa，FGH 內壓力逐漸下降，下降趨勢明顯強于前一階段。在C 點凝結水泵停運，凝結水系統壓力迅速降至0，FGH 壓力雖然下降明顯，但明顯高于凝結水系統壓力，FGH 出口水溫逐漸上升。當FGH 出口水溫達到最高點（D 點190 ℃，接近于A 點）時，FGH 系統及凝結水系統出現水沖擊現象，FGH 出口水溫隨即緩慢降低。初步判斷為FGH 內的水通過至低壓省煤器前調節閥沖入凝結水系統，造成FGH 系統與凝結水系統管道的水沖擊。

為減緩水沖擊現象，運行人員在停運凝結水泵前打開FGH水側放水閥，對FGH 系統進行泄壓。壓力降低后，停運凝結水泵時水沖擊現象有所減緩。FGH 水側放水口與放水手動閥距離較短，在放水過程中，存在人員燙傷風險。有計劃在FGH 至低壓省煤器管路增加電動隔離閥，阻斷FGH 內的水沖入凝結水系統，以解決水沖擊現象。

3 FGH 水沖擊的原因分析及對照試驗

從圖2 曲線可以看出，機組停運后FGH 內水壓基本與凝結水系統壓力一致，可見FGH 至凝汽器的調節閥嚴密性較好，將機組停運后的熱水“憋”在FGH 內。當凝結水系統壓力降低時，FGH 內相對壓力較高的水通過FGH 至低壓省煤器流量調節閥“漏”入凝結水系統，并保持與凝結水系統的壓力一致。

對多次水沖擊曲線進行分析后發現，FGH 出現水沖擊時的系統壓力、水溫均不同。停機時間越長，水沖擊出現時的壓力越低、水溫越低，且水溫為該壓力下水的飽和溫度。海南文昌F4 燃機聯合循環電廠調試過程中也出現類似的水沖擊現象。出現水沖擊時，FGH 內水壓約0.2 MPa，FGH 出口水溫120 ℃。

由此推斷，在凝結水泵停運后，FGH 系統壓力下降的過程中，FGH 內的熱水發生汽化并造成水沖擊現象。為確定FGH 水沖擊的產生機理，設計以下對照試驗。

3.1 試驗一

機組狀態：機組維持真空，凝結水泵出口壓力1.5 MPa。

試驗目的：檢驗當FGH 內為常溫水時，利用FGH 至凝汽器調節閥進行泄壓，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動（與試驗三做對比）。

試驗步驟：①啟動中壓給水泵，打開FGH 進口旁路閥，往FGH 內注入常溫水；②當FGH 注水完成后，關閉FGH 進口旁路閥；③打開FGH 至凝汽器調節閥進行泄壓，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動，若發生振動，記錄振動開始及結束時刻。

3.2 試驗二

機組狀態：機組維持真空，凝結水泵出口壓力1.5 MPa。

試驗目的：檢驗當FGH 內為常溫水時，破壞凝汽器真空，停運凝結水泵，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動（與典型案例做對比）。

試驗步驟：①啟動中壓給水泵，打開FGH 進口旁路閥，往FGH 內注入常溫水；②當FGH 注水完成后，關閉FGH 進口旁路閥；③破壞凝汽器真空；③停運凝結水泵，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動，若發生振動，記錄振動開始及結束時刻。

3.3 試驗三

機組狀態：機組停機后，機組維持真空，凝結水泵出口壓力1.5 MPa。

試驗目的：檢驗當FGH 內為熱水時，利用FGH 至凝汽器調節閥進行泄壓，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動。

試驗步驟：①機組停機后，維持凝汽器真空；②打開FGH 至凝汽器調節閥進行泄壓，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動，若發生振動，記錄振動開始及結束時刻。

3.4 試驗四

機組狀態：完成試驗三。

試驗目的：通過試驗三的操作，停運凝結水泵，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動，檢驗試驗三操作的正確性。

試驗步驟：①試驗三結束后；②破壞凝汽器真空；③停運凝結水泵，觀察FGH 及凝結水系統管道是否發生振動，若發生振動，記錄振動開始及結束時刻。

4 試驗結果及數據對比

根據試驗方案進行試驗，試驗結果見表1。

表1 對照試驗結果

根據試驗一與試驗三、試驗二與典型數據進行對比，可以看出當FGH 內為熱水時，FGH 內水壓下降速率明顯變慢，說明FGH內熱水在該過程中不斷汽化，減緩了泄壓的過程。當FGH 內為熱水時，在泄壓過程中，FGH 系統與凝結水系統管道會發生振動或晃動現象，根據現場觀察，振動（晃動）現象發生在特定的時間段內。

為確定管道晃動原因，將試驗三過程中FGH 出口水溫、出口壓力、晃動時間數據進行處理。根據FGH 出口壓力計算該壓力下飽和溫度，將計算后的飽和溫度與FGH 出口水溫進行對比。調閥100%、50%、25%開度泄壓試驗如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 調閥100%開度泄壓試驗

圖4 調閥50%開度泄壓試驗

圖5 調閥25%開度泄壓試驗

在泄壓的過程中，FGH 內熱水逐漸流經溫度測點，FGH 出口水溫在逐漸升高，最高溫度略低于為停機前FGH 進口水溫。隨著FGH 內的壓力逐漸降低，對應飽和溫度也在降低。在圖3（調閥100%開度）中，有明顯的飽和溫度高于出口水溫的區域，該區域也正是管道發生晃動的區域。在圖5（調閥25%開度）中，沒有發生飽和溫度高于出口水溫的區域，管道未發生晃動。在圖4（調閥50%開度）中，有短時的飽和溫度高于出口水溫的區域，在該區域內，管道發生了晃動，但比調閥100%開度泄壓時晃動幅度小。由此可以看出，在FGH 壓力降低的過程中，FGH內的水發生汽化，是導致管道晃動及水擊的根本原因。FGH 泄壓速度與出口溫度關系如圖6 所示。

圖6 FGH 泄壓速度與出口溫度關系

水在汽化過程中需要吸收熱量，在試驗過程中FGH 系統并無外部熱源，由此判斷，FGH 內汽化部分的水吸收了FGH 內其他水的熱量，導致在泄壓過程中水溫下降。通過對比試驗三中不同泄壓速度對FGH 內水溫的影響可以看出，當FGH 內壓力下降越快，FGH 內水汽化越劇烈，吸收的熱量越多，水溫下降越快，管道晃動越劇烈。

由表1 可以看出，雖然試驗三中25%調閥開度的泄壓速率明顯高于典型案例速率，但試驗過程中并沒有出現明顯的水擊現象。主要原因是試驗三中，管道中的汽化現象主要發生在FGH 至凝汽器流量調節閥處，調節閥后為真空，汽化后的水蒸汽被快速的“抽”凝汽器。因此，管道內流質的壓力不會產生突變，造成管道水沖擊。

5 結論

通過以上分析，重新對機組停運凝結水泵時FGH 及凝結水系統管道發生水擊現象進行解釋。在機組停運后，FGH 內在保存大量的熱水。在機組保持真空、凝結水泵運行時，因FGH 至凝汽器流量調節閥嚴密性較好，FGH 內熱水保持與凝結水泵出口一致的壓力，且水溫在飽和溫度以下。當凝結水泵停運后，FGH 至低壓省煤器流量調節閥后的壓力驟降，該調節閥嚴密性較差，FGH 內的熱水進入凝結水系統，FGH 內壓力逐漸降低。在壓力下降的過程中，FGH 內水的飽和溫度也逐漸下降，當水溫超過飽和溫度時，管道內的水開始劇烈汽化，并造成FGH 及凝結水系統管道水沖擊。在汽化的過程中，汽化部分的水吸收了FGH 內其他水的熱量，水溫逐漸下降，當水溫低于飽和溫度時，汽化現象消失，水沖擊現象消失。

在試驗四中，由于FGH 內已無熱水，在凝結水泵停運時，FGH 及凝結水系統管道均無發現水擊及晃動現象。證明利用凝汽器保持真空，通過FGH 至凝汽器流量調節閥對FGH 進行泄壓，可有效避免凝結水泵停運時FGH 及凝結水管道的水沖擊現象，但泄壓過程中應控制泄壓速度，防止管道內的水發生汽化現象。

6 結束語

通過對三菱F4 機組凝結水泵停運時，FGH 及凝結水管道系統發生水擊現象進行觀察，尋找、總結水擊現象的規律。通過設計對比試驗和數據分析，找到發生水擊現象的核心原因是FGH內的熱水在降壓過程中汽化。同時，找到了簡單的運行操作方法來防止水擊現象。在提高機組設備安全性的同時，避免了不必要的改造工作和人為就地高風險操作。