汽輪機疏水系統改進研究

張　宇

(上海電氣電站工程公司， 上海 201100)

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汽輪機疏水系統改進研究

張宇

(上海電氣電站工程公司， 上海 201100)

摘要:通過對伊拉克某項目汽輪機疏水系統的分析研究，發現3根疏水集管同時接入了系統管道和汽輪機本體的疏水，在啟動、停機、甩負荷等特定工況下，可能會導致疏水倒流回汽缸。用增加疏水集管(噴管)的疏水出口總通流面積的方法，解決了疏水倒流的問題。

關鍵詞:疏水系統； 改進； 通流面積

汽輪機疏水系統應能確保在機組啟動、停機、快速升降負荷等運行時，將汽輪機本體、本體閥門以及從主蒸汽、再熱蒸汽管道、軸封管道和輔汽管道內的凝結水疏排出去，從而防止由于汽輪機進水或冷汽而造成汽缸上下缸溫差大、汽缸變形、轉子彎曲、動靜部件互相碰擦，甚至引起葉片斷裂等嚴重事故[1]。汽輪機疏水系統是一個為確保機組安全、可靠運行至關重要的系統。為此原國家電力公司在“二十五項重點要求”中也明確了具體的反事故措施[2]。但在電廠實際運行過程中，汽缸進水導致大軸彎曲事故仍時有發生。制造廠和設計院普遍參照了ASME TDP-1-1980(1998)的建議。美國國家標準《防止水對發電用汽輪機造成損壞的導則》(ANSI/ASMETDP-1-1985,1985年11月15日頒布)，《熱力發電譯叢》,1988年2月和《火力發電廠汽輪機防進水和冷蒸汽導則DL/T834-2003》設計防止汽缸進水和冷汽方面的汽輪機疏水系統。據資料統計表明，86%的大軸彎曲事故是由于轉子碰磨引起，而其中80%以上是熱態起動時發生,它們都與上、下汽缸的缸溫差大有關[3-4]。

國內目前有不少電廠、學術界對汽輪機疏水系統進行了部分優化設計或相關的優化建議。主要在以下一些方面進行了優化，并基本解決了防止汽輪機汽缸進入水和冷蒸汽的問題： ① 系統管道疏水與本體疏水分開，接入不同的疏水擴容器或疏水集管，根據實際情況，還可以增大疏水管徑(增加流量)或者加裝節流孔板(減少流量)[4-10]。② 增加自由疏水管路，直接排地溝或大氣[11]。③ 優化疏水控制系統，把傳統的由機組負荷大小，來控制疏水閥門的開啟，改由管道蒸汽壓力和溫度來控制[5]。④ 優化疏水運行操作，在不同運行工況下，開啟不同的疏水系統閥門及開度[9，12-14]。⑤ 增加疏水擴容器的排汽管道，增大通流面積[15]。

上述疏水系統的改進措施，雖然是目前比較常用，也基本解決了系統管道疏水與汽機本體疏水之間串流和倒流的問題。但是上述改進措施中，基本需要從增加疏水管道或疏水集管，改進運行操作規程，增加控制點和操作的復雜程度，對運行人員提高要求。同時有些改進措施在啟停期間，疏水直接排往地溝，既浪費了工質，也影響現場運行環境。因此,有必要疏水系統的改進措施做進一步的優化，減少對系統改造的涉及面，以及運行的復雜性。本文在某4×330MW電廠項目中分析疏水系統的不同組成部分，并通過增加凝汽器擴容器的疏水集管的通流面積的措施，確保集管內部不存有壓力較高的疏水，以相對較低的改進成本，較好地解決了疏水倒流的問題。

1某項目汽輪機疏水系統分析

該電廠項目的汽輪機疏水系統設計是把汽輪機系統管道的疏水和汽輪機本體的疏水按照同等級壓力的疏水匯集到疏水集管進行降溫降壓，而后再在疏水擴容器內通過噴淋減溫水進一步實施降溫降壓。經兩次消能之后的疏水,通過擴容器的底部流入凝汽器的熱井，部分閃蒸的蒸汽則進入凝汽器喉部與汽輪機排汽混合。在系統設計時，總共設計了7根疏水集管，分別編號為： A、B、C、D、E、F、H，每根集管均為φ325mm×13mm，每根疏水集管上在120°的弧度范圍內，均勻布置了744個φ10mm的小孔。

該項目的汽輪機疏水系統在汽輪機正常、穩定的負荷下運行時，能夠滿足系統管道和汽輪機本體的疏水要求，但是經過仔細分析，發現在汽輪機啟動、停機、甩負荷等特殊運行工況時，部分疏水集管(D、E、H)有可能存在系統管道和本體疏水管路的疏水壓力不一致的情況，部分疏水集管上既連接了系統蒸汽管道的疏水管路又連接了汽輪機本體的疏水管路,這時就有可能導致疏水不暢或回流等。

圖1　疏水集管D的系統圖Fig.1　System diagram for bolder D of drain water

疏水集管D接入了1段抽汽(包括高壓缸本體)、高溫再熱蒸汽管道、高溫再熱主汽門疏水和漏汽(見圖1)。把高溫再熱蒸汽管道的系統疏水與1段抽汽和高溫再熱閥門的本體疏水匯集到1根疏水集管中。在汽輪機啟動、停機或汽輪機甩負荷、緊急跳閘等特定工況下，按照運行規程，開啟高溫再熱蒸汽管道的疏水閥門時，因為沒有設置節流孔板，這樣在短時間內可能會出現大量疏水或者蒸汽進入疏水集管。一旦疏水集管中的疏水或蒸汽不能及時排往疏水擴容器進行擴容降壓，則將聚集在疏水集管中，形成壓力相對較高的疏水或蒸汽。如果在汽輪機啟動、停機或負荷快速變化時，按照運行要求，開啟1段抽汽管路的疏水閥門進行疏水，即使高壓加熱器沒有投運，抽汽逆止門關閉，但是在汽缸內沒有壓力或壓力較低的情況下，疏水集管中壓力較高的疏水就可能沿著1段抽汽逆止門前的疏水管路進入高壓缸，造成汽缸下缸進水，上下缸溫差變大的情況。

疏水集管E接入了3段、4段抽汽(包括低壓缸本體)疏水和冷段到輔汽聯箱管道、輔助蒸汽聯箱等系統管道疏水(見圖2)。根據運行要求，輔助蒸汽聯箱在鍋爐點火前就需要投用，為鍋爐燃油霧化和空預器提供蒸汽，同時也為除氧器加熱和軸封系統提供蒸汽。輔助蒸汽聯箱的設計壓力為1.4MPa，設計溫度362.77℃，在啟動階段，輔助蒸汽聯箱及相關管道疏水時，有壓力的疏水進入疏水集管，而在汽輪機啟動前，中壓缸通過中低壓連通管與低壓缸的真空系統相連，處于真空狀態，與中壓缸相連的3段、4段抽汽管道也處于一定的真空狀態。汽輪機啟動前，開啟本體疏水閥門，對汽缸進行疏水。中壓缸本體是通過3段、4段抽汽管道逆止門前的疏水管路進行疏水的。這時如果集管中的疏水不能及時排出集管，使得具有一定壓力的疏水積存在集管中，則疏水有可能會沿著3段、4段抽汽管道在抽汽逆止門前的疏水管倒流到中壓缸。

圖2　疏水集管E的系統圖Fig.2　System diagram for bolder E of drain water

疏水集管H則接入了冷段再熱蒸汽管道和2段抽汽管道(包括中壓缸本體)的疏水(見圖3)。同樣存在系統管道疏水和汽輪機本體疏水混合接入同一集管內。在機組啟動前，高旁閥開啟，主蒸汽經高旁減溫減壓后進入冷段再熱管道，處于啟動前的暖管和蒸汽升溫升壓階段，冷段再熱管道在高排逆止門之后的疏水閥門開啟進行管道疏水。汽輪機高排逆止門前的疏水閥門也需要被開啟進行高壓缸本體疏水。如果此時疏水集管疏水沒有被及時排至疏水擴容器，在集管內形成帶壓力的疏水，則就有可能通過高排逆止門前的疏水管道倒流到高壓缸的底部。

圖3　疏水集管H的系統圖Fig.3　System diagram for bolder H of drain water

2汽輪機疏水系統的改進措施

為了避免可能存在的汽缸進水事故，應該對疏水集管D、E、H所涉及的疏水系統進行優化和改造。據前面的分析可知，在啟動、停機或甩負荷等特定運行工況下，可能導致疏水沿著疏水管路倒流回汽缸的前提條件是在疏水集管中積聚了一定壓力的疏水，并且該壓力可以克服抽汽逆止門前疏水管路的高度靜壓力及汽缸殘壓。在上述特定工況下，系統管道的疏水量比較大，同時壓力和溫度也相對較高。這時如果疏水集管中的疏水不能及時、迅速地排入擴容器，而是積聚在集管內，就有可能造成集管中充滿具有一定壓力的疏水。當集管內的壓力超過疏水管路的靜壓和汽缸殘壓之和，就有可能會發生疏水串流、倒流的現象。因此只要確保流入集管中的疏水能夠立即排入擴容器，疏水不在集管(噴管)內積聚，不形成帶壓疏水，就可以避免發生疏水串流、倒流。

根據相關運行經驗以及其他類似電廠的改造后實際運行情況，為了保證集管內的疏水能夠立即排入擴容器，噴管結構噴嘴通流面積需要滿足大于集管橫截面一定比例的條件。由于汽輪機本體疏水、汽機系統管道的疏水、以及凝汽器的中汽機排汽對疏水集管疏水排放產生多重相互作用，特別是在汽機甩負荷工況下，通流面積的擴大比例受實際系統配置的影響。根據在其他機組上改造經驗通流面積也不是越大越好，通流面積過大會引起與凝汽器疏水擴容器相關的系統在運行產生一些振動以及過大的熱沖擊，同時對疏水集管的結構強度也會產生不利影響。因此該項目在保持對現有設備結構總體不變的情況下，采取邊改進，邊運行試驗觀察的方式，逐步推進，以免引起其他的熱沖擊或效率降低的問題。根據經驗先選擇了1.5倍以上，2倍以下比列的改造措施，以觀察改進的效果，看是否進一步優化改進。具體增加的通流面積的比例將由所改造的集管結構和尺寸來確定。通過改造后的實際運行效果，發現在此比例范圍下能夠滿足疏水系統通暢，沒有出現串流、倒流的現象，同時也沒有出現其他的運行問題。

該項目中疏水集管與疏水擴容器相連接的噴管通過744只φ10mm的疏水小孔把疏水排入擴容器內降溫降壓。

根據相應的設計參數，各種面積計算如下：

疏水集管(噴管)的橫截面積

S1=3.14×(325-13)2/4=76415mm2

噴管疏水小孔的出口總通流面積

S2=3.14×102/4×744=57288mm2

疏水擴容器噴管的噴嘴出口總通流面積僅為疏水集管橫截面積的0.75(S2/S1=0.75)。通過計算結果可知，如果在溫態、熱態啟動、停機或甩負荷等運行工況下，系統管道的疏水量比較大，而且疏水的能級也比較高，可能會存在不能及時排入擴容器的情況，那么這些還具有比較高壓力和溫度的疏水將在集管(噴管)內積聚，這時就可能沿著已經打開疏水閥門的本體疏水管路倒流進入汽缸。

通過保證噴管的噴嘴出口總通流面積至少為疏水集管(噴管)的橫截面積的1.5倍，以確保在集管內不積聚一定壓力疏水，對疏水集管D、E、H所對應的噴管結構進行改造。最初的噴管是在一側120°范圍內已經全部鉆了744個噴嘴小孔，為了增加噴管出口總通流面積，在與D、E、H疏水集管相連的每根噴管原有的小孔基礎上增加10只φ100mm的疏水孔。

新增φ100mm疏水孔的通流面積

S3=3.14×1002/4×10=78500mm2

增加φ100mm的疏水孔必然與原有的部分φ10mm小孔在位置上重疊，這樣導致原有疏水小孔的總通流面積相應的減少。根據兩種不同直徑疏水孔的布置，1只φ100mm疏水孔，大致將覆蓋17只φ10mm的疏水孔。如圖4所示，根據設計圖紙計算，小孔的軸向中線的間距為20mm，徑向中心線的間距為3.14×325×8°/360°=22.7mm。減少的疏水孔的通流面積為

S4=3.14×102/4×17×10=13345mm2

圖4　增加1只φ100mm的大孔將　覆蓋17只φ10mm的小孔Fig.4　Adding a big hole with diameter of 100mm can　cover 17 holes with diameter of 10mm

經過上述對疏水擴容器的疏水噴管的結構進行改造后，噴管疏水孔的出口總通流面積與疏水集管橫截面積的比例為

(S2-S4+S3)/S1=

(57288-13345+78500)/76415=

1.6023>1.5

噴管疏水孔的出口總通流面積是疏水集管橫截面積的1.6023倍。經過改造后，疏水集管中的疏水能夠立即通過這些疏水孔進入處于一定真空狀態的疏水擴容器，可以確保疏水集管中不積聚形成有一定壓力的疏水，也就避免了疏水串流、倒流，進入汽缸的情況。

根據噴管和疏水擴容器的結構尺寸，10只φ100mm疏水孔的位置布置如圖5所示。根據疏水孔的設計原則，所有孔均在軸向和徑向錯開布置，既方便疏水，又有利于噴管的結構強度。噴管疏水孔的布置范圍為軸向長度1.2m，與擴容器的寬度一致，小孔中心線的徑向長度為120°的弧度，即3.14×325×120°/360°=340mm；因此，把10只φ100mm疏水孔均勻布置在此范圍內。

圖5　10只φ100mm疏水孔的布置圖(mm)Fig.5　Arrangement of 10 holes with diameter of 100mm

3總結和建議

在對某項目的汽輪機疏水系統，按照分析研究和相應改進措施，把伊拉克某項目的汽輪機疏水系統中與D、E、H疏水集管相連的每根擴容器噴管上增開10只φ100mm的疏水孔，以增加總通流面積。該項目的第一臺機組自汽輪機整套啟動，到完成30天可靠性試運行，直至后續商業運行的過程中，整個汽輪機和凝汽器運行均非常穩定。在調試和可靠性試運期間，雖多次因為鍋爐原因導致主燃料系統跳閘或消缺性停機，但在啟動、停機和甩負荷等特定運行工況下，均沒有出現汽輪機汽缸上下缸溫超限的異常情況。這表明上述改進措施，有效地解決了在特定運行工況下系統管道疏水和汽輪機本體疏水串流、倒流的問題，同時本體疏水擴容器的噴管改造后，也運行正常，沒有發生任何異常情況。

通過增加本體疏水擴容器噴管疏水出口的總通流面積，保證流入疏水集管(噴管)中疏水能夠及時地全部排入擴容器內;確保在疏水集管中不積聚有壓力的疏水，從而解決在特定運行工況下疏水串流、倒流，汽缸進水的問題。上述改進過程

也相對簡便、實用，其他具有類似情況的電廠可以參考本研究，進行相應的疏水系統改進，避免發生汽缸進水的事故。

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Improvement of Drainage System for Steam Turbine

ZHANGYu

(Shanghai Electric Power Generation Engineering Company, Shanghai 201100, China)

Abstract:Research on the drainage system of a steam turbine in a power plant in Iraq show that three drainage manifolds are connected to drainage pipes from the system steam piping and the turbine’s main body. Under certain operation conditions such as start up, shut down, and load rejection, drainage probably enters back into the cylinder of the steam turbine. By adding the total area of passage in the outlet of each drainage manifold, the above-mentioned problem is solved.

Key words:drainage system； improvement； area of passage

文獻標志碼:A

中圖分類號:TK 264.9

文章編號2095 - 0020(2015)01 -0053 - 05

作者簡介：張宇(1975-)，男，工程師，主要研究方向為汽輪機系統調試，E-mail: yemeifang123456@126.com

收稿日期：2015 - 01 - 28