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        供供熱熱蝶蝶閥閥振振動動原原因因分分析析及及解解決決辦辦法法

        2018-11-02 06:07:08鄭湘泉高秀志
        東方汽輪機 2018年3期
        關(guān)鍵詞:回水溫度蝶閥熱網(wǎng)

        鄭湘泉,高秀志

        (東方汽輪機有限公司,四川 德陽,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)電機組投入了商業(yè)運行[1-2]。供熱蝶閥作為供熱抽汽管道上一個非常重要的調(diào)節(jié)元件,起到調(diào)節(jié)抽汽流量和保護(hù)汽輪機安全運行的作用。但實際運行過程中因供熱蝶閥振動引起的安全事故卻頻頻發(fā)生,本文從系統(tǒng)及設(shè)備運行特點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)汽機島的總體熱力系統(tǒng)見圖1,機組配備有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,機組可以靈活選擇純凝、抽凝和背壓三種運行模式。同時,熱網(wǎng)首站配置有4臺并聯(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

        該機組在某一抽凝工況運行時,供熱蝶閥閥前壓力0.4 MPa,溫度295℃,閥后壓力0.108 MPa,四臺熱網(wǎng)加熱器全部投運,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℃。此時出現(xiàn)供熱蝶閥劇烈振動,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)致該機組停機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,蒸汽通過蝶閥時為亞音速流動。

        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, 蒸汽通過蝶閥時為臨界流動,閥后管道繼續(xù)擴容降壓加速流動。

        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,但對于蒸汽類可壓縮介質(zhì)流動,開度過小就意味著閥門前后壓差大,可能出現(xiàn)臨界流動,甚至閥后繼續(xù)擴容降壓加速流動,這是引起蝶閥振動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)汽輪機安全運行的目的,通過調(diào)整其開度,來保證汽輪機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。前兩項參數(shù)與汽輪機發(fā)電系統(tǒng)有關(guān),后三項參數(shù)與熱網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān),本文作者對熱網(wǎng)加熱器按額定供熱工況參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計計算,按事故工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了校核計算,計算結(jié)果如圖3所示。計算界面上158.83℃對應(yīng)0.6 MPa的飽和溫度,101.77℃對應(yīng)0.108 MPa的飽和溫度,校核計算界面上熱網(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)場實測值,在給定熱網(wǎng)加熱器換熱面積的情況下,計算出熱網(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)場實測值完全一致,驗證了計算程序的正確性與準(zhǔn)確性。

        圖3 熱網(wǎng)加熱器的設(shè)計計算與校核計算

        在本案例中,熱網(wǎng)回水溫度48℃遠(yuǎn)低于設(shè)計值70℃,是引起蝶閥振動和管道噪音的根本原因。通過熱網(wǎng)加熱器變工況校核計算[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。

        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現(xiàn)的。針對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 解決蝶閥振動的 “變面積法”

        上節(jié)提出了解決蝶閥振動的 “變流量法”,這種方法在事故機組上已進(jìn)行實施,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。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

        供熱蝶閥是連接汽輪機發(fā)電系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)的紐帶,其振動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。

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