楊大偉

（東亞電力（廈門）有限公司，福建廈門 361102）

0 引言

汽水管道是電力行業(yè)最常用的介質(zhì)輸送設(shè)備，主要用于輸送蒸汽、水、油以及其他氣體或液體等流體介質(zhì)。為了保證介質(zhì)輸送流量和速率要求，常采用帶壓輸送。介質(zhì)輸送壓力最高達到幾十兆帕，輸送速度最高可達60 m/s[1]。當壓力管道中的水或蒸汽等流體遇到閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然啟動或停運、溫度急劇變化時，流體內(nèi)部壓力將發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生局部壓力差，流速發(fā)生瞬變，流體介質(zhì)部分能量轉(zhuǎn)換為管道振動的動能和變形能，導(dǎo)致管道強烈的沖擊振動和噪聲，即常說的水錘或水擊和氣錘[2]。

壓力管道瞬態(tài)沖擊振動產(chǎn)生的機理多種多樣，最常見的主要有流體運動狀態(tài)瞬變、氣液兩相流、介質(zhì)相變等[3]。壓力管道內(nèi)的流體正常流動時會因為管道彎頭、閥門及其他管道部件導(dǎo)致流體流向、流速改變，也會對管道本身產(chǎn)生持續(xù)性的反作用力，導(dǎo)致管道較高頻率的穩(wěn)態(tài)振動，此時整個管道及流體構(gòu)成的系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)。如果管道閥門突然關(guān)閉或打開，水泵突然停運或啟動，介質(zhì)流速瞬變引起局部壓力差，由于流體本身的慣性，壓力差急劇增大。增大到一定程度后部分流體流向反向，與后續(xù)流體產(chǎn)生對沖，形成的強烈沖擊波在流體介質(zhì)內(nèi)來回傳播并引起管道強烈振動和產(chǎn)生噪聲，此即流體運動狀態(tài)瞬變引起的沖擊振動。

氣液兩相流容易引起管道水錘沖擊已成為普遍共識，當蒸汽管道內(nèi)的凝結(jié)水沒有及時排除時，由于液體和氣體與管壁之間的黏度差別較大，液態(tài)流體流動速度較小，氣態(tài)流體流動速度較大，氣態(tài)流體帶動液態(tài)流體向前運動形成“浪涌”。當管道內(nèi)的液態(tài)流體量較大時，很容易形成水堵，作用相當于瞬間關(guān)閉的閥門，從而引起強力的瞬態(tài)沖擊振動[4-5]。另外，當液體傳輸管道內(nèi)混入部分氣體介質(zhì)時，也容易引起水錘沖擊，氣團在周圍液體作用下不斷地移動、收縮、膨脹、破碎、結(jié)合，使得周圍液態(tài)水的流場發(fā)生劇烈變化，一方面增大水的流動阻力，另一方面也造成水對周圍管壁壓強的不均勻作用引起管道強烈振動[6-7]。

電廠中管道水擊現(xiàn)象常見于蒸汽管道、給水管道、循環(huán)水管道和疏水管道。但在蒸汽、給水管道中水擊發(fā)生的機理并不完全相同，相應(yīng)的處理防范措施也有差異。以某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站低溫再熱蒸汽管道的水擊為例，通過對流體溫度、壓力以及瓦振監(jiān)測信號的對比分析，結(jié)合閥門開閉信號還原水擊產(chǎn)生的全過程，明確水擊產(chǎn)生的根本原因，并提出針對性的防范措施，防止類似事件重發(fā)。

1 系統(tǒng)簡介及事件描述

某燃機-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠采用F級燃機，燃機-發(fā)電機-汽機單軸配置。余熱鍋爐為HZ鍋爐集團設(shè)計制造的三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環(huán)、露天布置型余熱鍋爐，機組采用日起夜停兩班制運行。機組低溫再熱蒸汽管道與高壓旁路管道的布置如圖1所示，低溫再熱蒸汽管道上游連接汽輪機高壓缸排氣口，下游連接鍋爐再熱器進氣口，中間連接來自主蒸汽管道的汽輪機高壓缸旁路管道（高旁管道）。該管道高排逆止閥后設(shè)有上、下管壁溫度測點，高旁三通后設(shè)有流體溫度測點。管道坡度設(shè)置如圖1所示，豎直管段前管道坡向高排逆止閥并在高排逆止閥前、后均設(shè)置疏水裝置，豎直管段后管道坡向鍋爐并在管道低點設(shè)置疏水裝置。

圖1 低溫再熱蒸汽管道與高壓旁路管道

2016年12月21日機組檢修工作結(jié)束，計劃22日6:00并網(wǎng)發(fā)電，凌晨，運行人員將鍋爐高壓汽包上水至啟動水位。3:28低溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)上、下壁溫差大報警，該報警一直持續(xù)到6:03高旁閥開啟后才消失，當時運行人員未發(fā)現(xiàn)此報警，沒有進行檢查和處理。5:54機組并網(wǎng)，6:11汽機高壓缸8#軸瓦出現(xiàn)瞬間振動高報警，報警即刻消失。6:53汽機SGC（Sub Group Control，汽輪機啟動子組）程序停止不前，查看邏輯發(fā)現(xiàn)高排逆止閥后疏水閥本應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)卻顯示開啟，DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）界面顯示高排逆止閥后疏水罐液位高報警，疏水閥頻繁動作，機組停止沖轉(zhuǎn)并隨后停機。整個過程中相關(guān)信號的監(jiān)測曲線如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測信號曲線

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)：高排逆止閥閥前疏水管開裂；高排逆止閥控制氣源管道斷裂；低溫再熱蒸汽管道出現(xiàn)嚴重下沉，最大下沉量約30 cm；低溫再熱蒸汽管道多個支吊架變形損壞，管道多處保溫損壞，管道穿墻位置混凝土開裂等現(xiàn)象。部分缺陷如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果及高壓缸8#軸瓦瓦振信號可以判斷，低溫再熱蒸汽管道曾發(fā)生過強烈的沖擊振動。沖擊振動能量高，破壞性大，對機組的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重威脅。

圖3 現(xiàn)場管道缺陷情況

2 沖擊振動原因分析

根據(jù)高排閥后管壁溫度和高旁三通后流體溫度的變化曲線分析，低溫再熱蒸汽管道鍋爐側(cè)管段溫度比汽機側(cè)下降快，鍋爐側(cè)管段內(nèi)先開始出現(xiàn)凝結(jié)水，大部分向鍋爐側(cè)流動，導(dǎo)致鍋爐側(cè)溫度低，汽機側(cè)溫度相對較高。22日3:28少量凝結(jié)水流至高排逆止閥后管壁溫度測點處，導(dǎo)致下部管壁溫度降低，上、下壁溫差超過預(yù)警值開始出現(xiàn)管壁溫差大報警，如圖2b）所示。但由于最初較少的凝結(jié)水被周圍較高溫度的管壁加熱蒸發(fā)，出現(xiàn)管道下部壁溫在130～148 ℃波動，隨著凝結(jié)水量的增加，高排逆止閥后下部壁溫逐漸穩(wěn)定在119 ℃左右，同時，高排逆止閥后疏水閥開始頻繁開啟疏水，如圖2a）和圖2d）所示。

按正常運行程序，高排逆止閥后管壁溫差大報警，提示管道內(nèi)部存在凝結(jié)水時禁止開啟高旁閥。但由于運行值班人員并未發(fā)現(xiàn)該報警，于6:01開啟高旁閥，6:03高旁閥開至33%開度，相對高溫高壓的蒸汽從高壓旁路管道流入低溫再熱蒸汽管道后，低溫再熱蒸汽管道壓力逐漸升高，如圖4所示。剛開始，低溫再熱蒸汽管道壓力的升高并未引起管道沖擊振動，經(jīng)高壓旁路管道排放過來的蒸汽主要流向鍋爐側(cè)。當管道內(nèi)壓力升高到一定程度之后，原本位于高排逆止閥至高壓旁路三通之間的蒸汽由于壓力超過其飽和蒸汽壓瞬間凝結(jié)形成低壓區(qū)，導(dǎo)致來自高壓旁路管道的蒸汽和三通后低溫再熱蒸汽管道內(nèi)的蒸汽瞬間逆流，沖向高排逆止閥，第一次沖擊振動產(chǎn)生。三通后低溫再熱蒸汽管道內(nèi)的凝結(jié)水被逆流蒸汽帶入高排逆止閥后管段地位，三通后低溫再熱蒸汽管道流體溫度升高。沖擊過程中，管道大幅振動，管道內(nèi)凝結(jié)水和蒸汽形成浪涌，加上管道下沉，高排逆止閥后上壁測溫點長時間接觸到凝結(jié)水，溫度迅速下降。沖擊產(chǎn)生后，管道內(nèi)流體溫度、壓力逐漸達到新的平衡，由高壓旁路管道排放過來的蒸汽繼續(xù)提升低溫再熱蒸汽管道的壓力并主要流向鍋爐側(cè)。當新的壓力高點再次達到高排逆止閥至高壓旁路三通之間管段內(nèi)蒸汽的飽和蒸汽壓時，管段內(nèi)蒸汽再次瞬間凝結(jié)，管道重復(fù)上述過程再次產(chǎn)生沖擊振動，直至不再具備條件為止。

圖4 高旁閥開啟，管道產(chǎn)生沖擊振動時的監(jiān)測信號

從圖2c所示高壓缸8#軸瓦的瓦振監(jiān)測曲線可以看出，從6:03到6:13，該管道連續(xù)產(chǎn)生了大量強度不一的瞬態(tài)沖擊振動，之后管道不再發(fā)生沖擊振動。整個過程中，低溫再熱蒸汽管道內(nèi)蒸汽壓力從0.11 MPa（表壓）升高到0.59 MPa（表壓），對應(yīng)的飽和溫度由120 ℃提高到165 ℃。此變化過程對應(yīng)的飽和蒸汽比容、飽和水比容以及汽、水體積比如表1所示。從表1可以看出，同一溫度和壓力下，相同質(zhì)量的飽和蒸汽體積是飽和水體積的數(shù)百倍，當蒸汽凝結(jié)成水時，體積瞬間減小形成低壓區(qū)。

根據(jù)上述分析可知，造成低溫再熱蒸汽管道沖擊振動有以下兩方面的主要原因，一是運行操作失誤，在監(jiān)測設(shè)備發(fā)出低溫再熱蒸汽管道上、下壁溫差大報警，提示管道內(nèi)存在凝結(jié)水的情況下，運行人員并未察覺該報警并開啟高旁閥；二是低溫再熱蒸汽管道內(nèi)介質(zhì)參數(shù)與高壓旁路管道排出的介質(zhì)參數(shù)差別大，兩種不同參數(shù)的介質(zhì)迅速混合時，部分介質(zhì)發(fā)生相變，體積瞬間減小，介質(zhì)流速瞬間升高，在密閉的空間內(nèi)產(chǎn)生壓力波動，從而引起管道的強烈瞬態(tài)沖擊。

3 預(yù)防措施及改進意見

對可能產(chǎn)生凝結(jié)水的蒸汽管道，應(yīng)嚴格按照設(shè)計標準，在不經(jīng)常流通的蒸汽管道末端、管段低點和蒸汽引出管界區(qū)的閥前等位置合理設(shè)計疏水器，合理選擇疏水器類型，以確保管路中產(chǎn)生的凝結(jié)水能被及時排除，盡量避免在管道中形成兩相流。針對日起夜停的調(diào)峰機組，為了暖管保壓，一般不會保持疏水閥常開狀態(tài)。在管道系統(tǒng)投運前，更應(yīng)該嚴格核實管道內(nèi)是否存在過多凝結(jié)水。

表1 飽和蒸汽狀態(tài)參數(shù)

在任何運行操作過程中，不宜將兩種參數(shù)差別較大的介質(zhì)相互混合。在準備開啟閥門將介質(zhì)從一個系統(tǒng)釋放到另一系統(tǒng)前，應(yīng)合理調(diào)節(jié)控制閥的開度或投入單獨的暖管系統(tǒng)，對后一系統(tǒng)的管道進行充分暖管，當兩系統(tǒng)的介質(zhì)參數(shù)基本一致時再緩慢、逐步增大控制閥的開度釋放介質(zhì)。避免兩種參數(shù)不同的介質(zhì)在管道內(nèi)快速混合，產(chǎn)生介質(zhì)相變或流速、壓力的瞬變而引起管道沖擊振動。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電廠日趨智能化。目前，電廠重要設(shè)備及管道安裝了大量的在線監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測并反饋設(shè)備及管道的運行狀態(tài)參數(shù)，輔助機組運行與管理。運行操作時應(yīng)充分利用監(jiān)測信號，及時了解設(shè)備及管道的異常情況，根據(jù)實際情況合理選擇運行程序，避免執(zhí)行不適用于當前狀態(tài)的運行操作，減少事故的發(fā)生。

引起管道沖擊振動的因素多種多樣，比如閥門的突然開閉、泵的突然啟停、汽液兩相流、介質(zhì)相變、安全閥動作、柱塞流、以及管道布置不合理或運行操作不合理導(dǎo)致管路水封、汽封等。在大多數(shù)情況下，管道的沖擊振動可以通過運行操作程序的合理調(diào)整來避免，建議電廠將產(chǎn)生管道瞬態(tài)沖擊振動的各類因素及相關(guān)預(yù)防措施與運行操作程序的編制與執(zhí)行充分融合，減少管道瞬態(tài)沖擊振動事件的發(fā)生。

4 結(jié)論

通過綜合分析現(xiàn)場勘查結(jié)果和機組設(shè)備及管道的狀態(tài)監(jiān)測信號，根據(jù)管道溫度、管道壓力、閥門動作以及汽輪機軸瓦瓦振等在線監(jiān)測信號的變化，分析某電廠低溫再熱蒸汽管道產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊振動的內(nèi)在機理和詳細過程。闡明了該管道產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊振動的根本原因是兩種不同參數(shù)的介質(zhì)快速混合，導(dǎo)致部分介質(zhì)相變引起密閉空間內(nèi)介質(zhì)流速和壓力瞬變所致。明確介質(zhì)相變是導(dǎo)致壓力管道瞬態(tài)沖擊振動較常見的原因之一，并針對該類型的管道瞬態(tài)沖擊振動提出預(yù)防措施，對同類型的管道沖擊振動具有一定參考意義。