肖慧杰，張雪松

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 機(jī)組概況

內(nèi)蒙古京能盛樂2×350 MW冷熱電聯(lián)供機(jī)組工程2015年開建，規(guī)模為2×350 MW超臨界機(jī)組．位于雅達(dá)牧盛樂現(xiàn)代服務(wù)業(yè)集聚區(qū)。汽輪機(jī)為一次中間再熱、采暖調(diào)整抽汽、間接空冷凝汽抽汽式，超臨界、直流煤粉鍋爐與之匹配。采用側(cè)煤倉布置，同步建設(shè)石灰石－石膏濕法煙氣脫硫、SCR煙氣脫硝設(shè)施，首次采用大型燃煤機(jī)組冷、熱、電聯(lián)供和三塔合一、兩機(jī)一塔等新技術(shù)，是呼和浩特市盛樂現(xiàn)代服務(wù)業(yè)聚集區(qū)發(fā)展云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)配套項(xiàng)目。

2 水擊分析

京能盛樂工程2號機(jī)組調(diào)試中冷再熱蒸汽管道爆發(fā)震動事故，造成部分支吊架損壞、失效和孔洞處保溫變形、破裂。事故發(fā)生在1號機(jī)組順利通過168 h試運(yùn)行后、2號機(jī)組首次空負(fù)荷冷態(tài)整套啟動階段，主要是由于調(diào)試不當(dāng)造成管內(nèi)水擊。

水擊表象為管道強(qiáng)烈震動、尖銳噪音，屬偶發(fā)事故。蒸汽管道水擊波的沖擊力可能達(dá)到額定工作壓力的幾十倍甚至幾百倍。當(dāng)管道水擊產(chǎn)生的震動與管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相同或接近時會形成共振，此時管道水擊破壞力最大，可能嚴(yán)重破壞管道及其附件。

水擊發(fā)生在無可視措施的密閉管道內(nèi)，無法直觀。以本工程冷再熱蒸汽管道震動事故為例，依據(jù)水擊震動表象再現(xiàn)管內(nèi)水擊形成、爆發(fā)時的狀況。

2.1 事故回放

汽輪機(jī)整套啟動分為汽輪機(jī)空負(fù)荷整套試運(yùn)、帶負(fù)荷整套試運(yùn)及滿負(fù)荷整套試運(yùn)三個階段。2號機(jī)組首次冷態(tài)空負(fù)荷整套啟動，8點(diǎn)30分鍋爐點(diǎn)火，調(diào)試操作記錄見表1。

表1 鍋爐點(diǎn)火調(diào)試操作記錄

2.2 主汽、再熱和旁路流程

汽輪機(jī)設(shè)有高、低壓二級串聯(lián)旁路。冷態(tài)啟動時主汽通過高旁閥，經(jīng)冷再進(jìn)入鍋爐低溫再熱器，高溫再熱器出口蒸汽通過低旁閥入凝汽器，見圖1。旁路容量為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(B－MCR)的40%。主汽、再熱和旁路的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 主汽、再熱和旁路設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 管道布置和損傷

冷再熱蒸汽管道布置、疏水點(diǎn)、安全閥、支吊架、水擊爆發(fā)點(diǎn)(A、B、C、D、E、F1、F2、G1、G2)、坡度方向等見圖 2 。

圖1 主汽、再熱和旁路流程

冷再熱蒸汽管道支吊架共28套，其中剛性有11號剛吊、17號剛吊，限位有16號軸向，阻尼器有901、902號阻尼器，其余支吊架為彈性。

2.3.1 汽機(jī)房區(qū)域

高壓缸接口至B點(diǎn)管段：支吊架損傷小，B點(diǎn)附近管道穿汽機(jī)房墻孔處保溫受壓變形。

2.3.2 爐前低封區(qū)域

BC、CD、DE管段：BC管段7號恒吊管部變形，翼板上翹、螺栓崩脫，見圖3(a)；CD管段8號恒吊恒力簧根部螺栓崩脫，見圖3(b)；9號恒吊根部型鋼向汽流方向扭曲變形，見圖3(c)；DE管段11號剛吊根部型鋼多方向嚴(yán)重扭曲變形，見圖3(d)；12.6 m運(yùn)轉(zhuǎn)層(7號恒吊標(biāo)高15.0 m)管道開孔處保溫?fù)p壞。

2.3.3 鍋爐房區(qū)域

EG1、EG2管段：12號、13號、14號、15號4組彈吊拉桿塑性變形粗細(xì)不均、松懈失效；901、902號阻尼器位移至最大值行程處；16號軸向限位裝置拉撐桿斷裂，見圖3(e)；從G1、G2點(diǎn)至低溫再熱器接口管段支吊架無明顯損傷。

綜上，管道支吊架和設(shè)備接口約束管道震動，特別是受損恒吊、剛吊、軸向限位和承受安全閥偶然荷載的阻尼器在管道震動事故中起到約束震幅、減震的主要作用，降低了管材發(fā)生塑性變形、撕裂的風(fēng)險。

圖3 吊架與限位

2.4 水擊成因分析

冷再熱蒸汽管道形成水擊的原因是多方面的，如調(diào)試措施不當(dāng)；疏水管路數(shù)量偏少、規(guī)格偏小、流通不暢，未開疏水閥；暖管不充分；高、低旁閥管路開度不當(dāng)；高旁減溫水管路泄漏等。

調(diào)試記錄顯示10:03冷再熱蒸汽管道無壓力、管內(nèi)介質(zhì)為凝結(jié)水、管道預(yù)暖不充分的情況下，高旁閥開度從15%到25%，形成大流量遒勁蒸汽攜凝結(jié)水在冷再熱蒸汽管道內(nèi)快速流動，冷凝水慣性大，在彎頭、三通、管道收縮部位流動受阻形成水擊。

根據(jù)水擊破壞力強(qiáng)弱，可分為水擊初段、中段、末段，中段破壞最嚴(yán)重。以水擊力為單位，AB為初段，A點(diǎn)約為0.5個水擊力、B點(diǎn)約為1個水擊力；CD、DE為中段，C、D、E點(diǎn)約為2～3個水擊力；EG1、EG2為末段，G1、G2點(diǎn)約為1～2個水擊力。

2.4.1 初段形成區(qū)

蒸汽從高旁閥至未充分預(yù)暖的冷再熱蒸汽管道中沿程凝結(jié)。高旁閥開度從15%到25%，大量高速蒸汽攜帶管內(nèi)凝結(jié)水流動，凝結(jié)水依次流經(jīng)彎頭及三通A點(diǎn)、彎頭B點(diǎn)發(fā)生水擊。隨著凝結(jié)水水量增加、流速提高，水擊力也加大，即A點(diǎn)小于B點(diǎn)水擊力。水擊引發(fā)管道軸線方向震動，如水擊爆發(fā)點(diǎn)B使管線向+Y向偏離，在外界牽制力作用下隨后引發(fā)±Y雙向震動。另高旁減溫水管路泄漏加劇管內(nèi)積水，是水擊形成誘因之一。冷再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)K 、M兩條疏水管道，見圖2。冷態(tài)空負(fù)荷整套啟動階段止回閥關(guān)閉，冷再熱蒸汽管道上唯一疏水管路K事故狀態(tài)下勢必超負(fù)荷。

2.4.2 中段爆發(fā)區(qū)

B點(diǎn)水擊后，汽攜水行至彎頭C點(diǎn)再次爆發(fā)水擊，導(dǎo)致管線向介質(zhì)流向+Z偏離，繼而±Z震動。隨著凝結(jié)水流量、流速持續(xù)增大，蒸汽在沿程損耗中仍有足夠的攜帶能力持續(xù)在D點(diǎn)、E點(diǎn)依次爆發(fā)水擊，引發(fā)沿管線軸向的強(qiáng)烈震蕩，導(dǎo)致7號恒吊、8號恒吊、9號恒吊、11號剛吊、12～15號彈吊損壞，承受安全閥起跳偶然荷載的901、902號阻尼器至最大行程值。

2.4.3 末段削弱區(qū)

末段汽攜水能力削弱，水擊力減小。因EG1=10.8 m，EG2=13.4 m，可見EG1、EG2在同一直線上且管段長度相差不大，G1、G2點(diǎn)水擊爆發(fā)時間間隔小、水擊力大小約等而方向相反，故 G1、G2點(diǎn)先后引發(fā)管線±X向震動隨即互相制約，表現(xiàn)在16號軸向限位裝置拉撐桿斷裂。過渡段收縮點(diǎn)F1、F2，因等距(EF1= EF2)、水擊力約等而方向相反，作用力抵消可忽略。

2.5 現(xiàn)場解決方案

水擊后冷再熱蒸汽管道管材金屬檢測合格，不需拆除替換；對配套管道支撐6～15號共10套吊架、16軸向限位裝置重新整套訂貨，貨到后進(jìn)行拆除替換；對未整套訂貨支吊架的恒力簧進(jìn)行測試校驗(yàn)，更換失效恒力簧；修復(fù)變形、損壞部位的管道保溫。

3 避免水擊的幾點(diǎn)探索

水擊事故破壞管道及其附件，延誤工期經(jīng)濟(jì)受損，甚至造成人員傷亡。冷再熱蒸汽管道屬一級壓力管道，事故糾責(zé)調(diào)試、設(shè)計(jì)兩方非此即彼。

3.1 調(diào)試

相同兩臺機(jī)組兩個不同的調(diào)試單位，1號機(jī)組順利通過168 h試運(yùn)行，但是2號機(jī)組冷再熱蒸汽管道發(fā)生水擊事故。

3.1.1 調(diào)試記錄分析

從表1 鍋爐點(diǎn)火調(diào)試操作記錄分析：

(1)低旁閥開度大是冷再無壓力的主因。

(2)冷再無壓力8:30～10:01時段高旁69.4～91.5℃為凝結(jié)水溫，顯然冷再熱蒸汽管道未充分預(yù)暖。

不當(dāng)操作一：10:01高旁閥從10%開大至15%，高旁89.9～91.5℃為不飽和水溫；

不當(dāng)操作二：10:03即2分鐘后高旁閥從15%開大至25%，高旁126℃為蒸汽溫度。

10:01～10 :03時段高旁閥從10%開大至25%，大流量蒸汽攜帶管內(nèi)凝結(jié)水在流動受阻處形成水擊。

(3)高旁閥減溫水管路操作不當(dāng)。高旁減溫水管路隔斷閥提前開啟，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉不嚴(yán)減溫水泄漏，是冷再無壓力、溫度低的原因之一。

3.1.2 調(diào)試建議

針對本機(jī)組冷態(tài)空負(fù)荷整套啟動的調(diào)試操作，提出如下建議：

(1)高低旁閥：緩慢開啟高旁閥，對高旁后管道充分預(yù)暖，低旁閥微開。

(2)高旁操作：暖管結(jié)束后，視鍋爐燃燒情況逐漸開大高旁閥；當(dāng)高旁后溫度升高至300℃(在飽和蒸汽溫度值和設(shè)計(jì)溫度值范圍內(nèi)可變，269.7℃＜T＜347℃)后，投入高旁減溫水；減溫水管路投運(yùn)前隔斷閥不得開啟。

(3)低旁操作：投入低旁減溫水保持低旁管路小于160℃(管道設(shè)計(jì)溫度)；投入高、低壓旁路壓力、溫度自動。

3.2 設(shè)計(jì)

冷再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)、要點(diǎn)是管道一二次應(yīng)力合格、管系剛度適宜、設(shè)置疏水管路防汽輪機(jī)進(jìn)水?；鹆Πl(fā)電廠四大汽水管道相互比較，冷再熱蒸汽管道顯著特征是介質(zhì)參數(shù)低、流量大、流速高，最易產(chǎn)生汽攜水流動而引發(fā)管內(nèi)水擊、汽輪機(jī)進(jìn)水等事故，故其疏水管道設(shè)計(jì)優(yōu)劣與機(jī)組安全性緊密相連。京能盛樂2號機(jī)組冷再熱蒸汽管道水擊事故與其疏水管路數(shù)量少、排水通暢程度不高有關(guān)。

3.2.1 規(guī)程條文

冷再熱蒸汽管道疏水設(shè)計(jì)主要規(guī)程條文如下：

(1)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T 5054－1996條文：“水平管道上每隔100～150 m處”設(shè)啟動疏水、“蒸汽管道坡度方向，宜與汽流方向一致”、“對于啟動過程中可能出現(xiàn)負(fù)壓的蒸汽管道，其疏水必須接至本體疏水?dāng)U容器或凝汽器”。DL/T 5054－1996于2016年廢止。

(2)《電廠動力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50764－2012條文：“管道展開長度超過100 m設(shè)置疏水點(diǎn)”、“疏水坡度方向必須順汽流方向”、“每個疏水點(diǎn)應(yīng)單獨(dú)接至疏水?dāng)U容器或凝汽器”。

(3)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5054－2016條文：“管道展開長度超過100 m設(shè)置疏水點(diǎn)”、“疏水坡度方向應(yīng)順汽流方向”、“每個疏水點(diǎn)應(yīng)單獨(dú)接至疏水?dāng)U容器或凝汽器”。DL/T 5054－2016于2016年發(fā)布實(shí)施。

對比規(guī)程DL/T 5054－1996和規(guī)程GB 50764－2012，冷再熱蒸汽管道疏水管路數(shù)量增多，疏水管路引接更明確、嚴(yán)格。規(guī)程DL/T 5054－2016與規(guī)程GB 50764－2012關(guān)于冷再熱蒸汽管道疏水管道的設(shè)計(jì)要求一致。

3.2.2 疏水管道設(shè)計(jì)

(1)冷再熱蒸汽管道疏水坡度方向和疏水管路數(shù)量。冷再熱蒸汽管道管內(nèi)介質(zhì)是從低位汽輪機(jī)高壓缸流向高位鍋爐再熱器。從圖2 冷再熱蒸汽管道示圖中可見管道坡度方向：汽機(jī)房內(nèi)高壓缸出口坡向B點(diǎn)的管段為順汽流，其余管段均從高位坡向低位為逆汽流，符合《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T 5054－1996對疏水坡度方向“宜與汽流方向一致”的要求，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是疏水點(diǎn)少、疏水管路設(shè)計(jì)量少，管系中僅須設(shè)計(jì)K、M兩條疏水管路。

若執(zhí)行《電廠動力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50764－2012中條文 “必須順汽流方向”、“管道展開長度超過100 m設(shè)置疏水點(diǎn)”的要求，還須在CD管段D點(diǎn)側(cè)、鍋爐入口G1H1管段H1點(diǎn)側(cè)、G2H2管段H2點(diǎn)側(cè)各增設(shè)一條疏水管路，聯(lián)合原有K、M兩條疏水管路，管系共須設(shè)計(jì)5條疏水管路并單獨(dú)接至疏水?dāng)U容器或凝汽器，疏水管道設(shè)計(jì)工作量、耗材量驟增。

京能盛樂工程施工圖設(shè)計(jì)在2013～2014年間，冷再熱蒸汽管道的疏水管道設(shè)計(jì)按《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T 5054－1996執(zhí)行，若執(zhí)行《電廠動力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50764－2012的條文要求設(shè)置5條疏水管路，管內(nèi)疏水能更及時、迅速、通暢排出，可強(qiáng)有效縮短冷再熱蒸汽管道暖管時間、降低水擊事故發(fā)生的概率和破壞強(qiáng)度。

(2)疏水管路的引接。汽輪機(jī)冷態(tài)空負(fù)荷整套啟動，冷再熱蒸汽管道止回閥關(guān)閉，從圖1主汽、再熱和旁路流程圖中，高旁閥接口至低溫再熱器接口的冷再熱蒸汽管道僅有一路疏水管路K引接至有壓放水管道，與單獨(dú)接至疏水?dāng)U容器或凝汽器相較，疏水的流暢性變差。K點(diǎn)疏水管路的水平段U型布置也是引發(fā)疏水流暢性不佳的因素。疏水管路引接點(diǎn)不當(dāng)和疏水管路布置簡潔流暢度不足，均不利于削弱冷再熱蒸汽管道水擊破壞力。

2016年《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5054－2016頒布實(shí)施，同步廢止DL/T 5054－1996，至此兩本規(guī)范對冷再熱蒸汽管道疏水管道設(shè)計(jì)要求統(tǒng)一為：疏水坡度方向全部順汽流且每個疏水點(diǎn)應(yīng)單獨(dú)接至疏水?dāng)U容器或凝汽器。貫徹執(zhí)行中存在疏水管路設(shè)計(jì)量重、疏水耗材量增的困難，目前仍有避重就輕執(zhí)行DL/T 5054－1996的現(xiàn)象存在，吸取事故教訓(xùn)應(yīng)堅(jiān)決杜絕這種慣性設(shè)計(jì)。

3.2.3 高、低旁減溫水管路

高、低旁減溫水管路一般設(shè)置有調(diào)節(jié)閥、隔斷閥。建議在調(diào)節(jié)閥前、后均設(shè)置隔離閥，降低減溫水管路泄漏概率。

3.2.4 熱控措施

冷再熱蒸汽管道設(shè)帶水位測點(diǎn)的疏水收集器。熱控應(yīng)設(shè)液位開關(guān)、液位高開疏水門、液位低關(guān)疏水門等，并應(yīng)在主控室設(shè)指示信號。

4 結(jié)語

冷再熱蒸汽管道水擊事故輕則經(jīng)濟(jì)損失、重則人員傷亡。避免冷再熱蒸汽管道水擊事故，調(diào)試方試運(yùn)前須對系統(tǒng)、布置熟稔于心，并匹配、調(diào)整、細(xì)化調(diào)試綱領(lǐng)；調(diào)試過程中監(jiān)測管道介質(zhì)參數(shù)，根據(jù)介質(zhì)運(yùn)行參數(shù)分析結(jié)論確定操作措施、調(diào)試進(jìn)度，切忌隨意、簡單粗暴的調(diào)試行為；設(shè)計(jì)嚴(yán)格執(zhí)行“疏水坡度方向應(yīng)順汽流方向”、“每個疏水點(diǎn)應(yīng)單獨(dú)接至疏水?dāng)U容器或凝汽器”等規(guī)范，切忌慣性設(shè)計(jì)、對規(guī)程規(guī)范條文避重就輕的設(shè)計(jì)行為。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)試、設(shè)計(jì)行為相輔相成，能避免事故的發(fā)生或減輕事故破壞程度，反之互埋隱患，加大事故發(fā)生概率。