超臨界機組361 閥后管道振動分析及優(yōu)化

周建良，盧 琳

（華能武漢發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北武漢 430415）

0 引言

某電廠三期2×600 MW 機組直流鍋爐為東方鍋爐廠引進日本巴布科克－日立公司(BHK)技術(shù)制造的DG1900/25.4MPa-Ⅱ2 型超臨界參數(shù)變壓直流本生鍋爐，為應(yīng)對鍋爐快速啟動和低負荷運行的要求，保證過熱器的干態(tài)運行，設(shè)置了鍋爐啟動旁路系統(tǒng)。直流鍋爐啟停循環(huán)系統(tǒng)由汽水分離器、儲水罐、儲水罐水位控制閥（361 閥）等組成[1]，如圖1 所示。每臺機組配有2 臺361閥，10″×14″角閥2500P CCI，布置在汽機側(cè)3 m 空中，裝設(shè)檢修平臺，靠近凝汽器。

圖1 直流爐啟停循環(huán)系統(tǒng)示意

361 閥是鍋爐汽水分離器下部儲水罐至鍋爐定排和凝汽器之間的調(diào)整門，開機時使用，水質(zhì)合格后排入凝汽器進入熱力循環(huán)，機組運行正常后該閥門關(guān)閉。其中361 閥上的暖管閥開啟，儲水罐的水一小部分回到省煤器出口，進入鍋爐熱力循環(huán)，以保證該管段的溫度和壓力，起暖管作用。在加負荷過程中，鍋爐儲水罐水位逐漸降低，361 閥逐漸關(guān)小；當(dāng)蒸發(fā)量完全由濕態(tài)轉(zhuǎn)換成干態(tài)時，鍋爐變?yōu)橹绷鬟\行，此時361 閥處于全關(guān)狀態(tài)。

1 設(shè)備運行狀況

某電廠三期5#、6#機組從2006 年投產(chǎn)以來，機組啟動過程中361 閥開啟時，從鍋爐儲水箱至凝汽器管段振動較大，靠近361 閥處管道振動擺動幅度達100 mm，導(dǎo)致361 閥本體及執(zhí)行器劇烈抖動，轉(zhuǎn)干態(tài)361 閥關(guān)閉后振動消失。361 閥因管道振動而導(dǎo)致螺栓松動，多次發(fā)生外泄漏，甚至361 閥檢修平臺整體劇烈晃動；執(zhí)行器壓縮空氣管道變形松脫，執(zhí)行器支架產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，損壞較大，嚴(yán)重影響機組的安全運行；同時與之相聯(lián)的管道振幅較大，對管道焊縫產(chǎn)生較大應(yīng)力，也是重大的安全生產(chǎn)隱患。

2 管道振動原因分析

對于鍋爐啟動旁路系統(tǒng)，管路對外界激擾的響應(yīng)和管道內(nèi)部流體的紊流是造成管道振動的兩個主要原因[2]。前者是管道系統(tǒng)對流體產(chǎn)生的激振力的響應(yīng)，后者是流體流動規(guī)律和對管道系統(tǒng)的激發(fā)作用。

某電廠三期機組的旁路啟動系統(tǒng)中，361 閥前、后管道設(shè)計溫度為375 ℃，設(shè)計壓力為28.8 MPa。361 閥后電動閥至凝汽器管道設(shè)計溫度為170 ℃，設(shè)計壓力為2.5 MPa；361 閥后電動閥至鍋爐排污擴容器管道設(shè)計溫度為80 ℃，設(shè)計壓力為10 MPa。該系統(tǒng)的介質(zhì)在361 閥之前是高壓飽和疏水，閥后壓力大幅度降低，低于汽化壓力，便出現(xiàn)了大量汽化現(xiàn)象，形成劇烈的汽液兩相流。在相同參數(shù)下，蒸汽的比容要遠大于水的比容[3]。所以，在質(zhì)量流量不變的前提下，形成兩相流后的混合流速會增大很多，高溫高壓的汽水對361 閥及其管道的沖擊和沖刷變得劇烈。在介質(zhì)往下游輸送過程中，越靠近凝汽器則壓力越低，而隨著壓力持續(xù)降低，管道系統(tǒng)中不斷有液體汽化，出現(xiàn)更多的汽液兩相流，從而誘發(fā)管道振動加劇。

結(jié)合管道布置考慮，管道從361 閥至凝汽器接口處距離較遠且多次變向，每一流動變向（包括彎頭和三通）處，都會發(fā)生沖力變化和壓力波動，從而產(chǎn)生激振。劇烈、紊亂的兩相流高速通過一段較長的剛性偏低的管道，中間又經(jīng)過多處變向產(chǎn)生激振，管道異常振動也就成為了必然。

3 歷年系統(tǒng)優(yōu)化探索

3.1 第1 次優(yōu)化探索

2007 年5 月，某電廠從加固361 閥的方面著手：

（1）降低361 閥檢修平臺的高度，可以降低檢修平臺的重心，使其穩(wěn)定。然后以平臺為基礎(chǔ)固定361 閥。

（2）加固檢修平臺的框架結(jié)構(gòu)。在平臺側(cè)面增加4 道斜拉20#槽鋼。

（3）361 閥的連接緊固螺栓加裝Φ41 mm 預(yù)緊蝶簧，用以抵抗振動引起的螺栓松動。將361 閥的6#槽鋼固定支架改為10#槽鋼，并對361 閥后集箱用厚30 mm 鋼板和10#槽鋼加固。將地平面沉埋鋼筋打出，將300×300×20 mm 的鐵板和鋼筋焊牢，制作一個馬鞍型托架托住361 閥出口電動門。

經(jīng)過加固處理后，361 閥本體及附屬管段振動明顯下降，管道擺幅由100 mm 降到60 mm，但振動仍偏大，對361 閥本體及熱控氣動頭仍存在振動破壞。

3.2 第2 次優(yōu)化探索

2009 年2 月，從減少361 閥后至凝汽器管道彎頭的數(shù)量著手：

（1）在5.9 m 層將361 閥管道延長約6 m 后，直接與電動門的出口相連，改造后可減少3 個彎頭，閥后管道尺寸Φ508×25 mm，材質(zhì)10CrMo910。

（2）對兩個361 閥控制系統(tǒng)進行了移位處理，移到361 閥檢修支架平臺旁邊。改造后的管路減少了3 個彎頭，保證了管道通暢，減小了汽水兩相蒸汽造成的阻力和沖擊。對361 閥控制系統(tǒng)的移位減少了因管道振動大造成的設(shè)備故障。本次改造前、后361 閥后管道布置示意圖分別如圖2、圖3：

第2 次改造后，在機組啟動過程中，361 閥本體及附屬管段振動又有了明顯下降，管道擺幅由60 mm降到30 mm，閥本體振動＜3 mm。361 閥的運行可靠性得到進一步提升，但仍沒能徹底解決問題。

圖2 改造前361 閥后管道布置示意

圖3 改造后361 閥后管道布置示意

3.3 第3 次優(yōu)化探索

由于361 閥前后壓差無法消除，所以閥后兩相流必然存在[4]。而閥后管道要分別去往凝汽器和鍋爐排污擴容器，2 處接口相距較遠，不可能保證閥后2 路管道都很短。根據(jù)工程實況，361 閥門組需要較大的布置空間，即便只考慮將閥門布置在凝汽器接口處，也無法實現(xiàn)。所以此管道的振動現(xiàn)象可以有效改善，卻無法完全消除。

為最大程度地改善管道的振動情況，2017 年5 月前往兄弟電廠進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其他電廠均無類似問題，同類型的361 閥及其管道振動均良好，投產(chǎn)運行近8 年無一檢修。對比發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)布置存在些許不同：有的是361 閥布置在鍋爐側(cè)靠近鍋爐儲水箱；有的是布置在汽機側(cè)，但閥后管道直通到凝汽器疏擴，減少了彎頭，且沒有爬升近6 m 高度回到凝汽器。分析認為這2 種布置模式均減少了汽水兩相流的混合，減少了水沖擊，361 閥及其管道開機運行過程中幾乎無振動，安全可靠性高。于是決定第3 次對361 閥后管道進行改造，并尋求中南電力設(shè)計院的專業(yè)技術(shù)支持。

根據(jù)某設(shè)計院對361 閥后管道的重新設(shè)計，2018 年5 月，開始對6#機組實施該改造方案：

調(diào)整361 閥門后管道布置位置，進一步靠近凝汽器，將361閥后至凝汽器的管道高度降低，在汽機房0 m 層直接插進凝汽器低壓疏水?dāng)U容器中，縮短361 閥至凝汽器電動門后管道的長度（原長20 m 縮為10 m），且減少彎頭數(shù)量；同時在管道上盡量不設(shè)彈簧支吊架而采用剛性支吊架，盡可能多設(shè)限位裝置以增加管道的剛性。施工方案如下：

（1）拆除361 閥后電動門及門后管道Φ508×25 mm，長約20 m，材質(zhì)10CrMo910。

（2）將361 閥后母管集箱環(huán)向切割Φ508×50 mm，將拆除的361閥后電動門旋轉(zhuǎn)90°垂直安裝。

（3）安裝截留孔板Φ508 mm（見圖5），材質(zhì)10CrMo910。

（4）在凝汽器低壓疏水?dāng)U容器內(nèi)安裝消音器Φ508 mm。

（5）焊接安裝管道及管附件、支座等。管道長度約10 m，材質(zhì)10CrMo91。

第3 次改造前、后361 閥后管道安裝圖如圖4、圖5。

圖4 改造前361 閥后管道安裝（同圖3）

圖5 改造后361 閥后管道安裝

4 管道減振效果驗證

第3 次改造后，系統(tǒng)進一步得到簡化和優(yōu)化。6#機組啟動過程中，361 閥系統(tǒng)管道的振動大幅度減小。管道擺幅由30 mm降到5 mm，閥門本體振動小于0.15 mm。361 閥及閥后電動門關(guān)閉嚴(yán)密（閥后溫度40 ℃），熱工控制元件的可靠性也得到了極大提高，保障了機組的可靠性和經(jīng)濟性。這證明了減振方案的成功，且治理效果非常明顯，達到了理想目的。2019 年5 月，5#機組也實施相同的改造，設(shè)備投運后的良好效果再一次證明方案的有效性。

5 結(jié)語

從現(xiàn)場實際角度出發(fā)，在生產(chǎn)經(jīng)驗層面進行深入總結(jié)和探索，認為在361 閥投運過程中，閥前、后高壓差的汽液兩相混合流，在高速通過一段較長的剛性偏低的管道中產(chǎn)生汽蝕，且中間又經(jīng)過多處變向產(chǎn)生激振，是造成管路異常振動的主要原因。為減少此類管道振動的發(fā)生，提出以下建議：加固閥體和管線，減少閥后彎頭數(shù)量和長度，降低閥后管道直通凝汽器的高度。