朱志龍

(國(guó)家能源集團(tuán)重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 400800)

0 引言

汽輪機(jī)進(jìn)水是導(dǎo)致汽輪機(jī)重大設(shè)備損壞最常見、最危險(xiǎn)的事故之一,尤其在汽輪機(jī)運(yùn)行或缸溫較高的情況下,很可能會(huì)因劇烈的熱沖擊及軸向推力造成汽輪機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)、軸瓦損壞、汽封磨損、葉片斷裂、氣缸變形、大軸彎曲等一系列嚴(yán)重事故。

眾多的電力運(yùn)行規(guī)程、規(guī)范及相關(guān)規(guī)章制度都對(duì)汽輪機(jī)防進(jìn)水作了詳細(xì)要求,甚至具體到防止除氧器滿水溢至汽輪機(jī)等要求,但很少提及防止除氧器因虹吸效應(yīng)導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水事故。因此,通過(guò)一起虹吸效應(yīng)引發(fā)汽輪機(jī)進(jìn)水事故的案例分析,提出針對(duì)性預(yù)防措施,作為汽輪機(jī)防進(jìn)水事故的補(bǔ)充措施之一,進(jìn)一步完善相關(guān)制度和技術(shù)規(guī)范。

1 除氧器加熱及軸封漏汽系統(tǒng)概述

某廠除氧器加熱系統(tǒng)(如圖1所示)設(shè)有兩路汽源,機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),除氧器加熱汽源來(lái)自汽輪機(jī)四段抽汽,抽汽管道上裝有電動(dòng)門和逆止門；機(jī)組啟動(dòng)、甩負(fù)荷或低負(fù)荷時(shí),加熱汽源來(lái)自輔助蒸汽聯(lián)箱。這兩路蒸汽均通過(guò)一個(gè)逆止門和除氧器加熱電動(dòng)門進(jìn)入除氧塔。

圖1 除氧器加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此外,還設(shè)有再沸騰用汽,從除氧器加熱電動(dòng)門之前引入一路蒸汽至除氧器水箱底部,通過(guò)再沸騰加熱手動(dòng)門控制。

高壓缸軸封漏汽則通過(guò)一個(gè)逆止閥接至四段抽汽管道,在接入四段抽汽管道之前設(shè)置有疏放水手動(dòng)門；此外,四段抽汽還向2臺(tái)汽動(dòng)給水泵提供動(dòng)力汽源。

2 異常事件分析

2.1 事件概述

2020-08-08 ,該廠機(jī)組停機(jī)調(diào)峰,21：51,打閘停機(jī),各段抽汽疏水門聯(lián)鎖開啟,因臨時(shí)停運(yùn),輔助蒸汽聯(lián)箱無(wú)汽源,軸封系統(tǒng)供汽汽源切至主蒸汽。22：48,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速惰走至零,投入盤車運(yùn)行,各參數(shù)無(wú)異常。

23：06,監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)高壓缸排汽溫度16 min內(nèi)異常下降151 ℃。23：10,值班員開啟高排逆止閥前疏水罐底部排污閥,發(fā)現(xiàn)有大量熱水排出,水溫約90 ℃。

23：15,檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸前軸封漏汽至四段抽汽逆止門處滴水(圖1中5號(hào)閥門),開啟該逆止門后的放水手動(dòng)門(圖1中4號(hào)閥門),有大量熱水排出；檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸軸封供汽管道濾網(wǎng)處滴水,于是開啟軸封系統(tǒng)所有疏水門。

23：40,高、中壓缸左/右側(cè)膨脹降至20.36 mm/19.99 mm,50 min內(nèi) 異 常 下 降5.19 mm/5.32 mm；高壓內(nèi)缸上/下內(nèi)壁溫度降 至427.7 ℃/425.5 ℃,50 min內(nèi) 異 常 下 降36.8 ℃/35.8 ℃,初步判斷為軸封系統(tǒng)進(jìn)水造成汽輪機(jī)進(jìn)水。

01：15,高、中壓缸左/右側(cè)膨脹繼續(xù)下降至18.97 mm/18.68 mm,高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上/下壁溫度下降至407.6 ℃/377.9 ℃,上/下壁溫差持續(xù)增大。

03：30,高壓內(nèi)缸上、下壁溫差至60 ℃,此后溫差逐漸減小,至2020-08-09T17：00,缸溫差降至35 ℃以內(nèi)。

2.2 事件分析

結(jié)合該機(jī)組除氧器加熱系統(tǒng)歷史曲線調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析,得出該異常事件原因如下：

(1) 2020-08-08T22：47,值班負(fù)壓機(jī)組停運(yùn)后機(jī)組停運(yùn)后,關(guān)閉除氧器加熱電動(dòng)門(圖1中2號(hào)閥門),22：51,四段抽汽管道上/下壁溫度開始下降,10 min之內(nèi)分別下降135 ℃/85 ℃,22：55,高壓缸排汽溫度開始異常下降,最大降幅達(dá)163 ℃,隨后汽輪機(jī)缸溫和缸膨脹同步異常下降,說(shuō)明此時(shí)汽輪機(jī)已經(jīng)進(jìn)水,在此期間,除氧器水位異常下降約100 mm (排除汽包上水和除氧器漏水等其他情況)。從時(shí)間順序上來(lái)看,汽輪機(jī)進(jìn)水之前首先發(fā)生了四段抽汽管道進(jìn)水(四抽管壁溫度測(cè)點(diǎn)位于四抽逆止門之后,如圖1所示),而四段抽汽管道的水源很可能來(lái)自除氧器,圖2指出了異常事件發(fā)生時(shí)間順序。通過(guò)進(jìn)一步查閱歷史曲線資料可知,除四段抽汽溫度在除氧器加熱電動(dòng)門關(guān)閉之后出現(xiàn)溫度異常下降之外,一段、二段、三段抽汽在停機(jī)后均未出現(xiàn)溫度異常下降的現(xiàn)象,也進(jìn)一步印證了四段抽汽管道發(fā)生了異常進(jìn)水現(xiàn)象。

圖2 異常事件發(fā)生時(shí)間順序

(2) 進(jìn)一步查閱歷史曲線資料發(fā)現(xiàn),四段抽汽管壁溫度和高壓缸排汽溫度最低均降至約120 ℃左右,該溫度正好接近除氧器水溫。

(3) 就地檢查發(fā)現(xiàn)四段抽汽電動(dòng)門、逆止門均關(guān)閉嚴(yán)密,可排除除氧器存水通過(guò)四抽電動(dòng)門、逆止門進(jìn)入汽輪機(jī)的情況。

(4) 就地檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸前軸封漏汽至四段抽汽逆止門處滴水,開啟該逆止門后至無(wú)壓放水手動(dòng)門(圖1中4號(hào)閥門),發(fā)現(xiàn)有大量熱水排出,由此可知軸封系統(tǒng)進(jìn)水,且水溫約90 ℃左右,而水源很可能來(lái)自與之相連的四段抽汽管道,經(jīng)進(jìn)一步檢查確認(rèn),高壓缸前軸封漏汽至四段抽汽逆止門存在內(nèi)漏情況(圖1中5號(hào)閥門)。

(5) 就地檢查發(fā)現(xiàn)除氧器再沸騰手動(dòng)門(圖1中1號(hào)閥門)在開啟位置。

綜合以上現(xiàn)象分析可知,汽輪機(jī)進(jìn)水之前首先發(fā)生四段抽汽管道進(jìn)水,水源來(lái)自除氧器水箱,因四段抽汽電動(dòng)門、逆止門關(guān)閉嚴(yán)密,四段抽汽管道逐漸滿水并進(jìn)入軸封系統(tǒng),最終通過(guò)軸封系統(tǒng)進(jìn)入汽輪機(jī)。而四段抽汽管道進(jìn)水的原因是,因除氧器帶有一定壓力,且由于除氧器再沸騰加熱手動(dòng)門（圖1中1號(hào)閥門)在開啟位置,因此除氧器水箱存水在壓力作用下通過(guò)該手動(dòng)門進(jìn)入壓力相對(duì)較低的四段抽汽管道。

歷史曲線顯示,除氧器加熱電動(dòng)門在關(guān)閉之前四段抽汽壓力值略高于除氧器壓力,檢查發(fā)現(xiàn)四段抽汽至除氧器逆止門(圖1中3號(hào)閥門)存在內(nèi)漏情況,說(shuō)明除氧器和四段抽汽管道相通,且四段抽汽疏水門在開啟狀態(tài),理論上除氧器壓力應(yīng)高于四段抽汽壓力或兩者接近。

進(jìn)一步查閱歷史曲線資料得知,出現(xiàn)四段抽汽壓力值高于除氧器壓力的原因是測(cè)量誤差所致,機(jī)組在停運(yùn)(冷態(tài))狀態(tài)下除氧器壓力值為0.0103 MPa,四段抽汽壓力值為0.0234 MPa,且以上兩個(gè)數(shù)據(jù)在機(jī)組冷態(tài)狀態(tài)下恒定不變,因此可作為除氧器壓力以及四抽壓力測(cè)量誤差的修正值。雖然此時(shí)除氧器壓力高于四段抽汽壓力,但因除氧器加熱電動(dòng)門處于開啟狀態(tài),兩者相通導(dǎo)致差壓不足以克服除氧器再沸騰管口至再沸騰管最高點(diǎn)之間約5.0 m高度水柱所產(chǎn)生的靜壓力,因此除氧器存水不能進(jìn)入四段抽汽管道。

除氧器加熱電動(dòng)門在關(guān)閉之后四抽壓力出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象,原因是此時(shí)除氧器水面以上空間與四段抽汽管道瞬間隔斷,四段抽汽管道壓力隨之出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象,該原因?qū)е卵跗魉浯嫠c四段抽汽管道之間出現(xiàn)較大的壓力差。除氧器加熱電動(dòng)門關(guān)閉后除氧器壓力值為0.1597 MPa,四段抽汽壓力值為0.1416 MPa,修正測(cè)量誤差后除氧器實(shí)際壓力為0.1494 MPa,四段抽汽實(shí)際壓力為0.1182 MPa,而除氧器再沸騰管位于除氧器水箱底部,此時(shí)除氧器水位為2227 mm,水箱底部存在約0.0222 MPa的靜壓,加上此時(shí)除氧器壓力0.1494 MPa,則除氧器再沸騰管口處的總壓力約為0.1716 MPa,高于四段抽汽壓力0.0534 MPa,該壓差剛好克服再沸騰管口至再沸騰管最高點(diǎn)之間約5.0 m高度水柱所產(chǎn)生的靜壓力,使得除氧器存水反水至四段抽汽管道并形成虹吸效應(yīng),導(dǎo)致除氧器水箱存水不斷進(jìn)入四段抽汽管道,最終通過(guò)軸封系統(tǒng)進(jìn)入汽輪機(jī)。

而上述虹吸效應(yīng)形成的關(guān)鍵是由于除氧器加熱電動(dòng)門處于關(guān)閉狀態(tài),否則除氧器壓力和再沸騰管道最高點(diǎn)壓力達(dá)到平衡而難以形成虹吸效應(yīng),這也是該電動(dòng)門關(guān)閉后才出現(xiàn)除氧器水箱內(nèi)的水大量進(jìn)入四段抽汽管道的原因。此外,四段抽汽壓力在除氧器加熱電動(dòng)門關(guān)閉之后出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象,原因是此時(shí)四段抽汽管道已經(jīng)進(jìn)水,水流導(dǎo)致四段抽汽管道內(nèi)壓力擾動(dòng)。

(6) 虹吸效應(yīng)。用一根內(nèi)部充滿液體的彎管接連兩個(gè)液位不等的容器,則高液位的液體自動(dòng)經(jīng)彎管流入低液位的容器,這種現(xiàn)象稱之為虹吸現(xiàn)象。如圖3所示,B點(diǎn)水位高于C點(diǎn)水位,一水管分別浸于B,C點(diǎn)的容器之中,此時(shí)B點(diǎn)水面若有一初始?jí)毫,且p＞h1高度水柱所產(chǎn)生的靜壓力,則B點(diǎn)的水在初始?jí)毫的作用下會(huì)流經(jīng)水管最高點(diǎn)A,流經(jīng)A點(diǎn)的水流會(huì)在重力作用下繼續(xù)流向最低點(diǎn)C,若管內(nèi)處于滿水狀態(tài),則水流從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的過(guò)程中會(huì)在A點(diǎn)形成一定的真空,由于h2＞h1,真空產(chǎn)生的吸力會(huì)克服h1高度水柱的靜壓力,從而使B點(diǎn)的水又吸至A點(diǎn),此時(shí)即使B點(diǎn)的初始?jí)毫消失,水流也會(huì)繼續(xù)由B點(diǎn)自動(dòng)流至C點(diǎn),形成典型的虹吸效應(yīng)。

圖3 虹吸效應(yīng)原理

結(jié)合圖1和圖3可知,圖3中B點(diǎn)相當(dāng)于圖1中除氧器再沸騰管口處,位于除氧器水箱底部,圖3中C點(diǎn)處的容器相當(dāng)于圖1中四段抽汽管道最低處,而圖3中的最高點(diǎn)A點(diǎn)則是圖1中3號(hào)閥門的位置,即除氧器再沸騰管最高點(diǎn)。

3 應(yīng)對(duì)處理措施

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),提出了若干應(yīng)對(duì)處理措施如下。

(1) 修編完善除氧器加熱投運(yùn)操作票,明確在除氧器加熱系統(tǒng)投運(yùn)結(jié)束之后必須關(guān)閉除氧器再沸騰手動(dòng)門；制定重要系統(tǒng)閥門檢查確認(rèn)卡,防止閥門誤操作。

(2) 處理四段抽汽至除氧器逆止門、高壓缸軸封漏汽至四段抽汽逆止門內(nèi)漏缺陷,利用停機(jī)機(jī)會(huì)全面梳理檢查重要系統(tǒng)逆止門,確保其可靠動(dòng)作,關(guān)閉嚴(yán)密。

(3) 應(yīng)在運(yùn)行規(guī)程中明確：機(jī)組停運(yùn)后非特殊情況不得關(guān)閉除氧器加熱電動(dòng)門,以破壞虹吸效應(yīng)形成的條件；特殊情況下需要開啟該閥門時(shí),應(yīng)做好虹吸效應(yīng)可能發(fā)生的事故預(yù)想并采取相應(yīng)的技術(shù)措施,防止除氧器存水進(jìn)入四段抽汽管道。

(4) 修編完善防止汽輪機(jī)進(jìn)水技術(shù)措施,增加防止因虹吸效應(yīng)導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水相關(guān)內(nèi)容。

(5) 對(duì)除氧器壓力、四段抽汽壓力等重要參數(shù)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)、修正,確保其測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為防止給水泵氣蝕,目前大多數(shù)發(fā)電廠的除氧器安裝位置均高于汽輪機(jī),且由于兩者之間通過(guò)抽汽管道相連,因此必須考慮如何避免因虹吸效應(yīng)導(dǎo)致除氧器中的水進(jìn)入汽輪機(jī),而防止虹吸效應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵就是破壞其形成的條件。同時(shí),各發(fā)電廠也應(yīng)根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)一步修編完善汽輪機(jī)防進(jìn)水技術(shù)措施,加強(qiáng)設(shè)備缺陷治理,確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。