鄭湘泉，高秀志

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 前言

近年來隨著城市集中供熱迅速發(fā)展，一大批熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組投入了商業(yè)運(yùn)行[1-2]。供熱蝶閥作為供熱抽汽管道上一個(gè)非常重要的調(diào)節(jié)元件，起到調(diào)節(jié)抽汽流量和保護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的作用。但實(shí)際運(yùn)行過程中因供熱蝶閥振動(dòng)引起的安全事故卻頻頻發(fā)生，本文從系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)方面深入分析事故發(fā)生的原因，并提出了兩種可行的解決辦法。

1 典型事故案例

某聯(lián)合循環(huán)汽機(jī)島的總體熱力系統(tǒng)見圖1，機(jī)組配備有3S離合器、MECV閥（低壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥）和ELCV閥（供熱蝶閥），根據(jù)熱負(fù)荷的大小，機(jī)組可以靈活選擇純凝、抽凝和背壓三種運(yùn)行模式。同時(shí)，熱網(wǎng)首站配置有4臺(tái)并聯(lián)的熱網(wǎng)加熱器[3-4]，可以根據(jù)熱負(fù)荷大小決定投入熱網(wǎng)加熱器的數(shù)量。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)總體熱力系統(tǒng)圖

該機(jī)組在某一抽凝工況運(yùn)行時(shí)，供熱蝶閥閥前壓力0.4 MPa，溫度295℃，閥后壓力0.108 MPa，四臺(tái)熱網(wǎng)加熱器全部投運(yùn)，熱網(wǎng)循環(huán)水流量6 156 t/h，熱網(wǎng)回水溫度48℃，熱網(wǎng)供水溫度88℃。此時(shí)出現(xiàn)供熱蝶閥劇烈振動(dòng)，閥后管道內(nèi)有巨大噪音，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)供熱蝶閥后的管道出現(xiàn)貫穿性裂紋，已有蒸汽微泄漏現(xiàn)象產(chǎn)生，導(dǎo)致該機(jī)組停機(jī)消缺并查找事故原因。

2 事故發(fā)生的直接原因

額定供熱工況為：供熱蝶閥閥前蒸汽壓力P1=0.645 MPa，溫度T1=313℃，通過蒸汽量G=779 600 kg/h，蝶閥開度70°；閥后蒸汽壓力P2=0.6 MPa，溫度T2=312.5℃，蒸汽比容V2=0.444 4 m3/kg，供熱管道內(nèi)徑為1 400 mm，管內(nèi)蒸汽流速C2=62.5 m/s，蝶閥前后壓差0.045 MPa，蝶閥后壓力P2高于臨界壓力Pcr=P1×0.546=0.352 MPa，蒸汽通過蝶閥時(shí)為亞音速流動(dòng)。

事故供熱工況：供熱蝶閥閥前蒸汽壓力P1=0.4 MPa，溫度T1=295℃，通過蒸汽量G=361 628 kg/h，蝶閥開度14°，供熱蝶閥后蒸汽壓力P2=0.108 MPa，溫度T2=291.4℃，蒸汽比容V2=2.405 8 m3/kg，供熱管道內(nèi)徑1 400 mm，管內(nèi)蒸汽流速C2=157 m/s，蝶閥前后壓差0.292 MPa，閥后壓力P2低于臨界壓力 Pcr=P1×0.546=0.218 4 MPa， 蒸汽通過蝶閥時(shí)為臨界流動(dòng)，閥后管道繼續(xù)擴(kuò)容降壓加速流動(dòng)。

供熱蝶閥因自身結(jié)構(gòu)型式限制，通常用作全開或全關(guān)，在較大開度情況下，供熱蝶閥有一定調(diào)節(jié)功能，但對(duì)于蒸汽類可壓縮介質(zhì)流動(dòng)，開度過小就意味著閥門前后壓差大，可能出現(xiàn)臨界流動(dòng)，甚至閥后繼續(xù)擴(kuò)容降壓加速流動(dòng)，這是引起蝶閥振動(dòng)和管道噪音的直接原因。

3 事故發(fā)生的根本原因

圖1中所配的供熱蝶閥，出于保護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的目的，通過調(diào)整其開度，來保證汽輪機(jī)中壓缸的排汽壓力與中壓缸的入口壓力相匹配，中壓缸排汽壓力與中壓缸入口壓力的關(guān)系曲線如圖2所示，這就是說，供熱蝶閥的調(diào)節(jié)對(duì)象為閥前壓力，而不是閥后壓力。

圖2 中壓缸排汽壓力與中壓缸入口壓力關(guān)系曲線

蝶閥后的壓力是由于蒸汽凝結(jié)相變形成的，其大小取決于：抽汽流量、抽汽焓、熱網(wǎng)加熱器換熱面積、熱網(wǎng)循環(huán)水流量和熱網(wǎng)回水溫度。前兩項(xiàng)參數(shù)與汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)有關(guān)，后三項(xiàng)參數(shù)與熱網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān)，本文作者對(duì)熱網(wǎng)加熱器按額定供熱工況參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，按事故工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。計(jì)算界面上158.83℃對(duì)應(yīng)0.6 MPa的飽和溫度，101.77℃對(duì)應(yīng)0.108 MPa的飽和溫度，校核計(jì)算界面上熱網(wǎng)循環(huán)水流量、熱網(wǎng)回水溫度和熱網(wǎng)加熱器殼程壓力都是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，在給定熱網(wǎng)加熱器換熱面積的情況下，計(jì)算出熱網(wǎng)循環(huán)水的出口溫度、所需的蒸汽流量、疏水出口溫度、給水端差和疏水端差，其中熱網(wǎng)循環(huán)水的出口溫度87.99℃與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值完全一致，驗(yàn)證了計(jì)算程序的正確性與準(zhǔn)確性。

圖3 熱網(wǎng)加熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核計(jì)算

在本案例中，熱網(wǎng)回水溫度48℃遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值70℃，是引起蝶閥振動(dòng)和管道噪音的根本原因。通過熱網(wǎng)加熱器變工況校核計(jì)算[5-6]，可以得到閥后壓力與熱網(wǎng)回水溫度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，熱網(wǎng)回水溫度越低，閥后壓力越低，也越容易引起閥門振動(dòng)。

圖4 閥后壓力與熱網(wǎng)回水溫度關(guān)系曲線

4 解決蝶閥振動(dòng)的 “變流量法”

抽汽流量的大小是熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)共同決定的，是為了維持中壓缸排汽壓力而需要向熱網(wǎng)排放的蒸汽量，并由蝶閥開度來控制和實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)前述的事故供熱工況，在抽汽量一定和換熱面積給定的情況下，蝶閥后壓力完全取決于熱網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，也就是說可以通過改變熱網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)來控制蝶閥閥后壓力，比如，打開熱網(wǎng)加熱器循環(huán)水旁路閥，減小進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的循環(huán)水流量，就可以提高閥后壓力，就是所謂的 “變流量法”。通過熱網(wǎng)加熱器的變工況校核計(jì)算，得到閥后壓力與熱網(wǎng)循環(huán)水流量的關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，閥后壓力隨熱網(wǎng)循環(huán)水流量減小而升高，當(dāng)流量減小到一定程度后，可以實(shí)現(xiàn)蒸汽以亞音速形式通過蝶閥。

圖5 閥后壓力與熱網(wǎng)循環(huán)水流量關(guān)系曲線

5 解決蝶閥振動(dòng)的 “變面積法”

上節(jié)提出了解決蝶閥振動(dòng)的 “變流量法”，這種方法在事故機(jī)組上已進(jìn)行實(shí)施，并證明是可行的。本文又提出了另一種新的解決方法——“變面積法”：熱網(wǎng)加熱器的換熱面積也是決定閥后壓力的重要因素之一，熱網(wǎng)加熱器的管系通常由蒸汽凝結(jié)段和疏水冷卻段組成，如果將殼程水位線調(diào)到淹沒部分凝結(jié)段換熱管，讓這部分換熱管失去換熱功能，則可以減小凝結(jié)區(qū)投入的有效換熱面積，從而就可以實(shí)現(xiàn)提高閥后壓力，減小蝶閥前后壓差，增大閥門開度，避免蝶閥振動(dòng)。如前面的事故工況，采用 “變面積法”，假定抽汽流量不變、熱網(wǎng)循環(huán)水流量不變和熱網(wǎng)回水溫度不變，通過熱網(wǎng)加熱器的變工況校核計(jì)算，得到閥后壓力與凝結(jié)段有效換熱面積關(guān)系曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，閥后壓力隨有效換熱面積減小而升高，當(dāng)面積減小到一定程度后，可以實(shí)現(xiàn)蒸汽以亞音速形式通過蝶閥。

圖6 閥后壓力與換熱面積關(guān)系曲線

6 結(jié)語(yǔ)

供熱蝶閥是連接汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)的紐帶，其振動(dòng)是由于閥后壓力過低造成的，故提高閥后壓力是解決閥門振動(dòng)的基本途徑，本文作者分析了閥后壓力形成的關(guān)鍵要素，提出了“變流量”和 “變面積”兩種解決辦法。