660 MW超超臨界機(jī)組高壓旁路減壓閥振動(dòng)異常分析與處理

朱朝陽(yáng)，胡 洲，顧正皓

（1.淮浙煤電鳳臺(tái)發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

660 MW超超臨界機(jī)組高壓旁路減壓閥振動(dòng)異常分析與處理

朱朝陽(yáng)1，胡 洲2，顧正皓2

（1.淮浙煤電鳳臺(tái)發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

某600 MW超超臨界機(jī)組高旁減壓閥自投運(yùn)以來(lái)一直存在高頻振動(dòng)的問題，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)第3級(jí)減壓籠罩和底板發(fā)生了脫落。通過對(duì)減壓閥振動(dòng)情況的分析和計(jì)算，查明第3級(jí)減壓籠罩和底板脫落的原因，并分析了由此可能產(chǎn)生的運(yùn)行危害，最后基于分析計(jì)算對(duì)高旁減壓閥進(jìn)行了改造，通過增加減壓等級(jí)，解決了高旁減壓閥存在的高頻振動(dòng)大的問題，對(duì)高旁減壓閥的設(shè)計(jì)選型及運(yùn)行具有指導(dǎo)和借鑒意義。

660 MW；超超臨界；機(jī)組；高壓旁路減壓閥；振動(dòng)

旁路系統(tǒng)是熱力系統(tǒng)的重要組成部分，通常大型火力發(fā)電機(jī)組均采用高、低壓兩級(jí)旁路串聯(lián)布置，以便在機(jī)組啟、停機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)主/再熱蒸汽壓力以及在系統(tǒng)超壓或事故工況下快速泄壓等，保證熱力系統(tǒng)及設(shè)備的安全運(yùn)行。高壓旁路系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱高旁）處于高溫、高壓的環(huán)境，其減壓功能尤為重要。高旁減壓閥故障時(shí)，易造成重大安全事故，高旁減壓閥若長(zhǎng)期在高頻振動(dòng)大的狀態(tài)下運(yùn)行，將對(duì)高旁減壓閥及其后管道造成嚴(yán)重?fù)p害。

1 故障情況

某發(fā)電廠660 MW超超臨界機(jī)組，汽輪機(jī)采用高、中壓聯(lián)合啟動(dòng)方式，機(jī)組旁路系統(tǒng)采用高、低壓兩級(jí)系統(tǒng)串聯(lián)布置，設(shè)計(jì)容量為40%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量），高旁減壓閥為BAOMAFA全套進(jìn)口設(shè)備，采用3級(jí)減壓，減壓閥及減溫水控制閥也采用液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)組自首次投運(yùn)以來(lái)，高旁減壓閥在開啟狀態(tài)下一直存在高頻振動(dòng)大、噪音高、內(nèi)漏嚴(yán)重等問題。高旁減壓閥及閥后管道產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，振幅達(dá)到0.5～0.9 mm，多次造成閥后壓力測(cè)點(diǎn)、疏水袋液位開關(guān)等焊接口振裂，溫度測(cè)點(diǎn)振壞，高旁減壓閥及閥后管道（6.4 m層、0 m層）區(qū)域噪音最大達(dá)108 dB（A），機(jī)組在投運(yùn)期間多次被迫停機(jī)消缺。

經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)高旁減壓閥緊固閥座的16顆螺栓中有9顆已經(jīng)松動(dòng)脫落，18片墊片丟失，高旁減壓閥密封面被脫落的螺栓擠傷，第3級(jí)減壓籠罩和底板脫落。從現(xiàn)場(chǎng)照片（圖1）可以看出，高旁減壓閥第3級(jí)閥籠罩和底板脫落后，2級(jí)減壓籠罩底部已成為直通式。

圖1 高旁第3級(jí)減壓籠罩脫落后的情況

2 振動(dòng)原因分析

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)與計(jì)算分析

多級(jí)減壓閥在設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止蒸汽通過減壓閥時(shí)蒸汽流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，引起蒸汽的超音速擴(kuò)張，造成減壓閥閥體和管道的振動(dòng)，通常會(huì)綜合考慮合理的壓比，防止減壓閥后的蒸汽流速達(dá)到臨界狀態(tài)。

多級(jí)減壓閥后的蒸汽壓力按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：P0為閥前蒸汽壓力；Pn為n級(jí)降壓后的蒸汽壓力；ε為壓比；n為降壓次數(shù)。

由式（1）變換可得降壓系數(shù)的計(jì)算式：

該機(jī)組的BAOMAFA高旁減壓閥設(shè)計(jì)為3級(jí)減壓，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1和表2。

檢查該機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，其啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)見表3。表中的蒸汽溫度和壓力均為實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，壓比ε3是各實(shí)際運(yùn)行參數(shù)按照3級(jí)降壓運(yùn)行，由式（2）運(yùn)算求得。從計(jì)算結(jié)果可以看出，各運(yùn)行工況下，壓比ε3的值已遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況Case 1下的ε值0.582 6，這表明減壓閥的實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況偏離較大。

表1 不同工況的壓比設(shè)計(jì)值

表2 采用Case 1時(shí)蒸汽額定參數(shù)的設(shè)計(jì)值

對(duì)過熱蒸汽而言，噴嘴類的臨界壓比系數(shù)εnc通常為常數(shù)0.546，表3中壓比ε3的值不但小于設(shè)計(jì)壓比值，而且還小于臨界壓比εnc的值。這表明當(dāng)過熱蒸汽通過高旁減壓閥時(shí)，蒸汽流速進(jìn)入了臨界狀態(tài)，已經(jīng)超過了當(dāng)?shù)匾羲?。通過高旁減壓閥的蒸汽臨界擴(kuò)張時(shí)會(huì)出現(xiàn)自由噴射現(xiàn)象，導(dǎo)致閥體及其后管道產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和巨大的噪音。因此可以斷定，現(xiàn)場(chǎng)高旁減壓閥運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的高頻振動(dòng)和噪音就是由此產(chǎn)生的。

2.2 運(yùn)行特點(diǎn)分析

該發(fā)電廠汽輪機(jī)采用高、中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)過程中，通過調(diào)節(jié)高、低壓旁路減壓閥，全程控制主、再熱蒸汽的壓力。汽輪機(jī)對(duì)沖轉(zhuǎn)參數(shù)有要求，比如在冷態(tài)啟動(dòng)過程中，要求沖轉(zhuǎn)的主、再熱蒸汽壓力分別為8 MPa和2.5 MPa。壓力為8 MPa的主蒸汽，按照高旁3級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì)壓比0.582 6和臨界壓比0.546，利用式（1）進(jìn)行計(jì)算，得出3級(jí)減壓后的設(shè)計(jì)壓力和臨界壓力分別為1.58 MPa和1.30 MPa。結(jié)果表明，再熱蒸汽的沖轉(zhuǎn)壓力2.5 MPa遠(yuǎn)大于減壓后的設(shè)計(jì)壓力和臨界壓力。機(jī)組并網(wǎng)升壓后，再熱蒸汽的壓力也同樣大于臨界壓力，直至隨著負(fù)荷的不斷升高，高旁減壓閥逐漸關(guān)閉至全關(guān)。因此，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)升負(fù)荷過程中，帶3級(jí)減壓效果的高旁減壓閥能夠滿足再熱蒸汽壓力大于臨界壓力的要求，而且基本能夠滿足設(shè)計(jì)壓力的要求。

表3 啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)

主、再熱蒸汽的升壓、升溫速率限值必須嚴(yán)格按照鍋爐的升壓、升溫曲線來(lái)進(jìn)行控制，不能隨意改變。鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)升壓曲線如圖2所示。

圖2 鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的升壓曲線

圖2中臨界壓力和設(shè)計(jì)壓力是主蒸汽壓力在3級(jí)減壓方式下，分別按照臨界壓比和設(shè)計(jì)壓比，由公式（1）計(jì)算得出。圖2顯示，在鍋爐啟動(dòng)初期，鍋爐啟動(dòng)曲線中再熱蒸汽壓力的要求值稍低于臨界壓力，比設(shè)計(jì)壓力要更小一些。鍋爐啟動(dòng)曲線50 min位置是鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)的點(diǎn)火位置，鍋爐廠提供的啟動(dòng)曲線中并未明確給出點(diǎn)火前的升壓限制值。由于各種原因，鍋爐點(diǎn)火前很難控制主、再熱蒸汽壓力在3級(jí)減壓效果下的壓比；鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)后的主要關(guān)注對(duì)象除了壓力外，更重要的是對(duì)蒸汽溫度的控制，為防止主、再熱蒸汽管道因積水產(chǎn)生水擊等嚴(yán)重事故，運(yùn)行中通常要將主、再熱蒸汽管道的疏水閥打開，加強(qiáng)疏水，因此，在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)后升壓階段，也很難保證主、再熱蒸汽壓力在3級(jí)減壓效果下的壓比值較大。

由于鍋爐啟動(dòng)升壓曲線限制的要求，以及運(yùn)行中對(duì)再熱器壓力控制的不合理，鍋爐在實(shí)際啟動(dòng)升壓過程中再熱蒸汽壓力控制值過低，從而出現(xiàn)了表3中各種工況下的主、再熱蒸汽壓力值。而高旁減壓閥僅帶有3級(jí)減壓效果，高旁減壓閥在實(shí)際運(yùn)行時(shí)壓比過小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)壓比，甚至小于臨界壓比，致使通過高旁減壓閥的蒸汽流速進(jìn)入了臨界狀態(tài)，超過了當(dāng)?shù)匾羲?，形成了自由噴射現(xiàn)象，導(dǎo)致高旁減壓閥閥體及其后管道產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和巨大的噪音。

2.3 減壓閥結(jié)構(gòu)分析

圖3是高旁3級(jí)減壓閥的第2、第3級(jí)減壓籠罩及底板結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，最內(nèi)側(cè)的第2級(jí)減壓籠罩與底板是沒有焊接的，僅靠最外側(cè)的第3級(jí)減壓籠罩左側(cè)與底板、右側(cè)與主閥體的倒角處的薄弱焊接來(lái)支撐和固定第3級(jí)減壓籠罩以及底板的位置。由于第3級(jí)減壓籠罩的焊口力度非常薄弱，當(dāng)通過高旁減壓閥的蒸汽流速進(jìn)入臨界狀態(tài)，形成超音速汽流后，蒸汽汽流的自由噴射使第2、第3級(jí)減壓籠罩和底板產(chǎn)生了劇烈振動(dòng)，從而導(dǎo)致第3級(jí)籠罩和底板斷裂、脫落。

圖3 高旁3級(jí)減壓閥結(jié)構(gòu)

從現(xiàn)場(chǎng)照片（見圖4）可以看出，第3級(jí)減壓籠罩與底板的焊縫處已全部脫落。

圖4 高旁減壓閥第3級(jí)籠罩與主閥體的焊口

3 危險(xiǎn)性分析

高旁減壓閥第3級(jí)減壓籠罩和底板脫落后會(huì)直接影響其減壓能力，由于底板脫落，剩余的2級(jí)減壓籠罩底部成為直通式，失去減壓功能，高旁減壓閥僅剩第1級(jí)減壓裝置可用，其最大減壓能力不到主蒸汽壓力的一半。如果機(jī)組在額定負(fù)荷下突然跳閘或者其他原因?qū)е赂吲詼p壓閥突然快開，高旁減壓閥后壓力會(huì)超過冷再額定壓力1倍以上，造成再熱器以及冷、熱再熱管道嚴(yán)重超壓，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和人身安全。因此，喪失第2、第3級(jí)減壓功能的高旁減壓閥運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)極大，機(jī)組運(yùn)行時(shí)必須進(jìn)行相關(guān)的限制和機(jī)械閉鎖，防止高旁減壓閥突然開啟；此外，高旁減壓閥第3級(jí)減壓籠罩和底板脫落后，在正常投運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，還容易導(dǎo)致與高旁減壓閥有關(guān)的壓力、溫度測(cè)點(diǎn)損壞，螺栓振松脫落，蒸汽管道焊口撕裂漏汽，高旁液壓控制系統(tǒng)管道接頭振裂漏油、著火，高旁減壓閥及減溫水控制閥失去液壓控制動(dòng)力等問題，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此禁止投用喪失第2、第3級(jí)減壓功能的高旁減壓閥。

4 改進(jìn)計(jì)算與對(duì)比

按照Case 1壓比ε=0.582 6和臨界壓比εnc= 0.546，由式（1）計(jì)算5級(jí)減壓效果見表4和表5。

由表4可以看出，若將減壓閥改為5級(jí)減壓后，部分運(yùn)行工況的閥后壓力已大于設(shè)計(jì)壓力和臨界壓力值，減壓閥減壓后的蒸汽流速有所降低，但仍有2個(gè)工況下的閥后壓力值小于設(shè)計(jì)壓力和臨界壓力，因此運(yùn)行中閥后壓力有必要按照計(jì)算的閥后壓力設(shè)計(jì)值進(jìn)行嚴(yán)格控制。

根據(jù)鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)曲線，得出3級(jí)減壓與5級(jí)減壓的計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線見圖5。

圖5 3級(jí)減壓與5級(jí)減壓的對(duì)比曲線

從圖5可以看出，3級(jí)減壓改為5級(jí)減壓后，減壓效果明顯，升壓曲線中的再熱器蒸汽壓力值明顯高于5級(jí)減壓后的設(shè)計(jì)壓力和臨界壓力值，避免了蒸汽在通過高旁減壓閥后進(jìn)入超音速的臨界狀態(tài)，極大減輕了高旁減壓閥處的振動(dòng)和噪音。由此可見，高旁減壓閥由3級(jí)減壓改造為5級(jí)減壓后，鍋爐的啟動(dòng)升壓曲線符合高旁減壓閥的運(yùn)行要求，鍋爐的啟動(dòng)升壓過程完全可以按照鍋爐制造廠提供的啟動(dòng)曲線來(lái)控制。

5 改造與投運(yùn)效果

圖6是高旁減壓閥改造為5級(jí)減壓后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該發(fā)電廠在機(jī)組檢修期間，按照設(shè)計(jì)圖紙將原來(lái)的3級(jí)減壓閥改造為5級(jí)減壓閥，改進(jìn)了各級(jí)減壓籠罩的安裝工藝，加強(qiáng)了減壓籠罩容易脫落部位的焊接，并對(duì)減壓閥受損的密封面進(jìn)行了修補(bǔ)。高旁5級(jí)減壓閥改造完成后，在機(jī)組再次啟動(dòng)時(shí)重新投運(yùn)，并加強(qiáng)對(duì)鍋爐啟動(dòng)升溫、升壓曲線的控制，高旁5級(jí)減壓閥運(yùn)行情況良好，徹底消除了高頻振動(dòng)大、高噪音以及高旁內(nèi)漏問題。

表4 5級(jí)減壓計(jì)算啟動(dòng)參數(shù)

表5 5級(jí)減壓計(jì)算實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

圖6 高旁5級(jí)減壓閥結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

高旁減壓閥的減壓等級(jí)在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮多方面因素，首先選型時(shí)除了考慮設(shè)計(jì)壓比必須大于臨界壓比外，還應(yīng)將蒸汽流速限制在一定范圍內(nèi)，過高的蒸汽流速和減壓裝置不合理的焊接工藝，很容易造成減壓裝置的脫落；其次是要考慮減壓閥的實(shí)際運(yùn)行情況，特別是在機(jī)組啟動(dòng)階段，由于對(duì)主、再熱蒸汽升溫、升壓控制的需要，高旁減壓閥在投用時(shí)，閥后蒸汽壓力一般只能控制在較低壓力值，在設(shè)計(jì)減壓等級(jí)時(shí)可以通過適當(dāng)增加減壓級(jí)數(shù)加以解決；此外，應(yīng)嚴(yán)格按照鍋爐的啟動(dòng)升溫、升壓曲線對(duì)主、再熱蒸汽參數(shù)進(jìn)行控制，避免對(duì)鍋爐本體和主、再熱蒸汽管道、高旁減壓閥以及其閥后管道造成不必要的損害。

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（本文編輯：張 彩）

Cause Analysis and Treatment on Abnormal Vibration of High-Pressure Bypass Decompression Valve of 660 MW Ultra-Supercritical Unit

ZHU Chaoyang1，HU Zhou2，GU Zhenhao2
（1.Huaizhe Coal&Power Fengtai Power Generation Branch，Huainan Anhui 232131，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Insitute，Hangzhou 310014，China）

There is high-frequency vibration in high-pressure bypass decompression valve of 600 MW ultrasupercritical unit since its operation.It is detected that the third-stage decompression casing and floor board have fallen down，the reason of which is detected by analysis and calculation of decompression valve vibration，and the consequent hazards during operation are also analyzed.Finally，the high-pressure decompression valve is retrofitted in accordance to the analysis and calculation.By increase of decompression level，the fierce high-frequency vibration in high-pressure bypass decompression valve is eliminated，which provides guidance and reference for design and type selection of high-pressure bypass decompression valve.

660 MW；ultra-supercritical；unit；high-pressure bypass decompression valve；vibration

TM621.3；TK268+.1

：B

：1007-1881（2016）07-0045-04

2016-04-04

朱朝陽(yáng)（1970），男，高級(jí)工程師，主要從事火電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。