除氧器振動的原因分析及預(yù)防措施

史東旺

【摘 要】除氧器是常規(guī)島的重要熱力設(shè)備，其運(yùn)行是否正常將直接影響電力生產(chǎn)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。我廠除氧器在機(jī)組啟動初期和機(jī)組停運(yùn)過程中曾出現(xiàn)過多次劇烈振動現(xiàn)象，不僅會造成除氧器上水管線斷裂，也是除氧器水箱壁產(chǎn)生裂紋的原因之一。嚴(yán)重影響設(shè)備和機(jī)組的安全，針對這一現(xiàn)象進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，分析除氧器振動的根本原因，并提出了有效的預(yù)防振動的措施，對電廠的實(shí)際運(yùn)行和異常響應(yīng)有很好的借鑒作用。

【關(guān)鍵字】除氧器;振動;水錘

中圖分類號： TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）24-0040-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.020

0 概述

除氧器是蒸汽發(fā)電機(jī)組中重要的熱力設(shè)備，其運(yùn)行是否正常將直接影響電廠生產(chǎn)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。但是除氧器在運(yùn)行中存在諸多問題，如汽水振蕩、除氧器振動、自生沸騰等，其中尤以除氧器的過度振動最為常見，除氧器振動不僅使除氧器的運(yùn)行存在安全隱患，降低其可靠性，而且導(dǎo)致其加熱投運(yùn)時間長，滿足不了機(jī)組經(jīng)濟(jì)、快速啟動的需要。因此，引起了電力行業(yè)人員的廣泛重視。針對我廠除氧器在機(jī)組啟動初期和機(jī)組停運(yùn)過程中曾出現(xiàn)過數(shù)次劇烈振動現(xiàn)象，分析除氧器振動的根本原因，并提出了有效的預(yù)防振動的措施。

1 除氧器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 除氧頭

除氧頭是由堅(jiān)固的鋼板焊接而成，在除氧頭內(nèi)部的頂端有一個噴霧室，在中部有一個噴淋盤，在噴霧室有一些噴霧頭，在噴淋盤上配有用于分配給水和除氧的配水盤。

1.2 噴霧頭

噴霧頭在除氧頭內(nèi)沿長度方向均勻布置。它的作用是將低壓加熱器來的冷凝水霧化，增加冷凝水與加熱蒸汽之間的接觸面積，強(qiáng)化換熱和除氧效果。凝結(jié)水通過噴霧頭進(jìn)入除氧器，噴霧裝置由一疊不銹鋼盤組成，它們在內(nèi)部水壓的作用下開啟，內(nèi)部水壓將薄鋼片張開，并將凝結(jié)水以很細(xì)的霧滴噴出。在正常運(yùn)行工況下，霧滴與加熱蒸汽逆向流動，充分接觸，對霧滴進(jìn)行加熱和除氧，當(dāng)霧滴層被加熱到飽和溫度時，能達(dá)到很好的除氧效果。

1.3 淋水盤

除氧器在噴霧層后再串聯(lián)一個淋水盤層，使水再分散成極薄的水膜減小表面張力，以完成深度除氧的任務(wù)。淋水盤是由不銹鋼板制成，淋水盤呈長長的、薄形結(jié)構(gòu)，將給水分成薄的水膜，以利于完全除氧。

1.4 水箱

除氧器水箱是一個帶園穹形封頭的圓筒形碳鋼壓力容器，在負(fù)荷的變化，它的結(jié)構(gòu)及容量選擇應(yīng)能夠保證水位的變化迅速而平穩(wěn)。水箱中的水由不斷進(jìn)入的經(jīng)過加熱和除氧的新的給水代替，因此始終維持著飽和狀態(tài)，在機(jī)組負(fù)荷突降時，能夠在一定程度上抑制內(nèi)部壓力的下降。水箱上安裝有水位測量儀表。

1.5 安全閥

為了防止除氧器超壓，除氧器設(shè)有安全閥，安全閥的動作壓力一般為除氧器最高工作壓力的110%，當(dāng)汽輪機(jī)在滿負(fù)荷情況下突然跳閘，而反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行時，可能會出現(xiàn)超壓的情況。

1.6 參數(shù)

2 除氧器工作原理

來自低壓加熱器的冷凝水進(jìn)入除氧頭上部的噴霧層，經(jīng)過噴霧頭后的冷凝水表面積增大很多，這些霧化后的小水滴以高速與加熱蒸汽接觸，迅速被加熱到除氧器壓力下的飽和狀態(tài)，給水中的不凝結(jié)性氣體集聚到水滴表面，噴霧層可以將給水中的大部分氧除去，被霧化的冷凝水通過噴霧層，降落到下部的配水盤上，冷凝水通過配水盤的V型凹槽均勻分散開來，并沿齒型邊緣流出，依次落入下面交替放置的環(huán)形和圓形淋水盤，進(jìn)一步除氧，經(jīng)過兩次除氧的給水落入除氧頭下部的水箱。

加熱蒸汽從蒸汽入口進(jìn)入除氧器，隨后進(jìn)入淋水盤層，向上流動，帶著從給水中逸出的不凝結(jié)氣體一起向上流動，在流動過程中，通過各層淋水盤時，與通過淋水盤小孔的水膜換熱。在通過配水盤后，蒸汽進(jìn)入噴霧層，繼續(xù)與霧化的給水換熱，此時，大部分蒸汽都已凝結(jié)為水滴，與給水混合在一起落下。不凝結(jié)氣體通過除氧頭頂部的排氣管排出，從而完成除氧過程。

3 除氧器的壓力控制

主蒸汽集管通過兩個50%容量的壓力控制閥64333-PCV4111/4112和一個5%容量的壓力控制閥64333-PCV4113將除氧器頂壓蒸汽壓力控制在設(shè)定值。這三個壓力控制閥由主控室有兩個壓力控制器64333-PC4111/PC4113控制，有自動控制和手動控制2種模式，在自動模式時，壓力控制器自動調(diào)節(jié)控制閥的開度以維持除氧器頂壓蒸汽壓力在設(shè)定值。當(dāng)控制器自動控制出現(xiàn)異常時，需要對除氧器頂壓蒸汽壓力手動進(jìn)行控制。操縱員將壓力控制器切換到手動模式，手動調(diào)節(jié)控制器的輸出信號來控制閥門的開度以維持除氧器頂壓蒸汽壓力。

除氧器頂壓蒸汽壓力投運(yùn)過程：真空建立后除氧器排氣切至凝汽器—>主系統(tǒng)升溫至150攝氏度后手動打開電動隔離閥4333-MV4104，向除氧器供應(yīng)主蒸汽，控制器64333-PC4113緩慢打開5%容量控制閥4333-PCV4113直到全開，然后通過壓力控制器64333-PC4111緩慢打開2個50%容量控制閥64333-PCV4111/4112，控制除氧器的壓力在設(shè)定值173kPa，將控制器置于自動—>汽輪機(jī)負(fù)荷升至15%后打開除氧器抽汽閥64311-HS4105—>78%后汽輪機(jī)抽汽供應(yīng)到除氧器并維持除氧器的壓力，隨著汽輪機(jī)抽汽的供應(yīng)，控制閥64333-PCV4111/4112/4113緩慢全關(guān)—>100%滿功率后將PC4111的設(shè)定值設(shè)為DA壓力（AI0754-25kPa）。

當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷降低到75%以下時，由于汽輪機(jī)抽汽壓力降低而不足以維持除氧器的壓力在設(shè)定值，控制閥64333-PCV4111/4112/4113逐漸打開以維持除氧器的壓力在設(shè)定值。

當(dāng)汽輪機(jī)事故保護(hù)停機(jī)時，沒有汽輪機(jī)抽汽供應(yīng)到除氧器，控制閥64333-PCV4111/4112/4113逐漸打開以維持除氧器的壓力在設(shè)定值。

4 除氧器振動情況

2014年6月1#機(jī)組在安排小修過程中，除氧器在機(jī)組啟動初期和機(jī)組停運(yùn)時都出現(xiàn)過多次放炮似的連續(xù)間隔振動，整個管道從94.7m至除氧頭補(bǔ)水管線處都在振顫。振動聲音之響，就連主控室人員都能感受到。振動造成了除氧器上水管線擺動和保溫層脫落（見圖2），同時也可能造成除氧器結(jié)構(gòu)部件損壞，如噴霧頭的脫落、除氧盤的變形（見圖3）、水箱壁的裂紋等。

5 除氧器振動原因

機(jī)組在功率運(yùn)行時，由于除氧器的上水流量、抽氣壓力和溫度較為穩(wěn)定，很少發(fā)生除氧器振動的情況。但在變工況的情況下，如機(jī)組的啟停過程中，除氧器產(chǎn)生振動的概率較大。根據(jù)機(jī)組啟動時運(yùn)行參數(shù)（見圖4），對除氧器產(chǎn)生振動的原因進(jìn)行分析。

機(jī)組啟動前，除氧器水位為手動控制，上水流量為零。機(jī)組啟動后，根據(jù)GOP-002，在機(jī)組準(zhǔn)備升溫升壓前，需要啟動一臺主給水泵，主給水泵啟動后走再循環(huán)，除氧器內(nèi)的水溫將以4℃/小時進(jìn)行升溫，約12小時水溫從90℃上升至140℃，除氧器內(nèi)的壓力從0kPa上升至300kPa，高于正常啟動時173KPA壓力要求，隨著給蒸發(fā)器上水和除氧器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽排放，除氧器水位緩慢下降，在給除氧器手動上水過程中，除氧器和上水管線發(fā)生了劇烈的振動。

原因分析：

（1）除氧器內(nèi)產(chǎn)生的汽錘。在除氧器上水前，除氧器內(nèi)部是一個穩(wěn)態(tài)，汽水飽和狀態(tài)，當(dāng)較冷的凝結(jié)水進(jìn)入除氧器后，除氧器內(nèi)溫度迅速下降，壓力降低，則除氧水箱內(nèi)的水會劇烈汽化，沸騰。水汽反沖到除氧器，進(jìn)入除氧器后，又被冷卻，一直反復(fù)。直到補(bǔ)水停止后一段時間，再恢復(fù)到另一個平衡點(diǎn)。

（2）溫差導(dǎo)致的振動。除氧器凝結(jié)水上水管靠近除氧器的一端溫度高，遠(yuǎn)離除氧器一端的溫度低，會產(chǎn)生振動，振動聲音較大，主要是上水管線振動。

（3）加熱蒸汽配入不足，在除氧頭形成水阻氣現(xiàn)象。由于啟動階段，頂壓蒸汽壓力不足，不能滿足將溫度較低的給水加熱至或接近飽和溫度的要求，下落過程中的水流中含有大量的不凝結(jié)氣體。加熱后析出的不凝結(jié)氣體，形成層層氣模，阻礙了蒸汽和水的逆流，導(dǎo)致蒸汽流動受阻，向蒸汽的入口方向產(chǎn)生壓力波。隨著蒸汽的集聚，壓力逐漸增大，從而沖破氣模形成劇烈的膨脹波。如此的交替往復(fù)，使除氧器產(chǎn)生劇烈的振動。

（4）除氧器噴霧頭的損壞，在上水管線形成水錘。從由于長時間未對除氧器進(jìn)行上水，靠近除氧頭頂部一段水平上水管線的水就會破損的噴霧頭流出，造成該段管線不滿水，當(dāng)手動對除氧器上水時，在除氧器入口管線處形成水錘，造成上水管線的振動。

（5）隨著除氧器的升溫，靠著除氧頭的上水管線被加熱，液體沸騰也能夠產(chǎn)生氣泡，當(dāng)給除氧器上水時，壓力升高，氣泡將潰滅或體積迅速減小，產(chǎn)生壓力沖擊，出現(xiàn)振動或噪聲。

（6）加熱蒸汽管線產(chǎn)生的振動。加熱蒸汽管線投運(yùn)時暖管不充分，管道中的疏水來不及排出，引起的水錘現(xiàn)象。

（7）給水管線產(chǎn)生的振動。反應(yīng)堆提升功率后，除氧器頂壓蒸汽未及時投入或壓力控制閥控制異常，大量的凝結(jié)水進(jìn)入除氧器導(dǎo)致除氧器壓力急劇下降，除氧器和給水管線的水沸騰汽化，造成管線的振動，同時主給水泵的凈正吸入壓頭的下降有氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

（8）高壓加熱器與除氧器相連的疏水管路中形成汽水兩相流。機(jī)組運(yùn)行過程中，高壓加熱器到除氧器疏水閥開關(guān)不靈活，管道支吊架不夠，高加水位及高加堵管數(shù)量等，均會引起高加與除氧器相連的疏水管路中形成汽水兩相流，引起管道的劇烈振動。同時由于汽水兩相界面的不穩(wěn)定性，在疏水出口，氣泡破裂時，容易引發(fā)振動。

6 除氧器振動的預(yù)防措施

總結(jié)以上引發(fā)振動的諸多原因，提出以下防振的原則：

（1）盡量避免大溫差的水在除氧器內(nèi)大量摻混。

（2）盡量避免與除氧器連通管道內(nèi)形成汽水兩相流。

（3）盡量減少單個除氧器的負(fù)荷波動幅度和頻率。

（4）保持蒸汽，疏水，補(bǔ)水管道的暢通，工質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定的通入和輸出。

（5）除氧器內(nèi)汽水溫度的變化應(yīng)連續(xù)、穩(wěn)定、均勻，合理選擇汽水的引入方式和位置。

（6）增加管系結(jié)構(gòu)的阻尼：該方案是通過提高管系剛度， 改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，有效地防止管系結(jié)構(gòu)發(fā)生共振破壞的可取方案。一般選擇在管系中的懸空彎頭處和振擺嚴(yán)重的管段處，根據(jù)實(shí)際振擺受力方向。結(jié)合周邊環(huán)境許可條件，安裝適當(dāng)?shù)淖枘崞鳎蕴岣吖芟祫偠取?/p>

根據(jù)以上防振原則和機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，提出解決解決除氧器振動方案機(jī)組啟停過程中的注意事項(xiàng)：

（1）機(jī)組停運(yùn)后，當(dāng)蒸發(fā)器壓力降到200Kpa時，應(yīng)對除氧器頂壓蒸汽進(jìn)行隔離，停運(yùn)電加熱器和將除氧器上水切換至手動，采用手動小流量連續(xù)的補(bǔ)水方式。

（2）機(jī)組啟動后，不應(yīng)過早投運(yùn)除氧器電加熱器和啟動主給水泵對除氧器進(jìn)行升溫，因?yàn)樯郎睾髸斐沙跗鲏毫徛仙?，有可能造成除氧器超壓，同時除氧器壓力越高，當(dāng)給除氧器上水時，除氧器振動越劇烈。

（3）除氧器升溫過程中，如果除氧器排氣至凝汽器，可將排氣切至大氣，減緩除氧器的壓力上升。

（4）為減小除氧器由于長時間無上水的情況下，靠著除氧頭的上水管線溫度隨著除氧器的升溫逐漸升高，可間斷性給除氧器少量上水，減小上下游管線的溫差。

（5）針對靠近除氧器頂部的上水管線可能存在的氣體，可以通到打開排氣閥4321-V4893排除集聚在管線中的氣體。

（6）當(dāng)除氧器的保壓蒸汽壓力控制器在手動控制時，若減小D/A的凝結(jié)水上水流量時（特別是大幅度減少時），應(yīng)先（或同時）適當(dāng)關(guān)小保壓蒸汽的壓力控制閥，以免D/A超壓而導(dǎo)致其安全閥起座。同樣，在加大D/A上水流量時，應(yīng)隨之適當(dāng)開大保壓蒸汽的壓力控制閥，以免D/A水溫大幅度下降。

（7）在主系統(tǒng)升溫至150℃后，在準(zhǔn)備提升反應(yīng)堆功率前，應(yīng)投運(yùn)除氧器頂壓蒸汽，當(dāng)主蒸汽系統(tǒng)壓力已大于173kPa時，越早投入保壓蒸汽越有利。

7 總結(jié)

論文針對實(shí)際運(yùn)行過程中除氧器出現(xiàn)的振動進(jìn)行了原因分析并提出了相應(yīng)的對策，對現(xiàn)場運(yùn)行工作具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。由于本人水平有限，文中難免出現(xiàn)一些錯誤和不妥之處，敬請指正。

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