淺析除氧器振動原因及緩解措施

龍科

摘 要

汽輪機給水或者凝結(jié)水中溶解的氧氣和不凝結(jié)氣體會對熱力設(shè)備和管道造成腐蝕，并且影響傳熱效果，除氧器主要功能就是用來除去這些不凝結(jié)氣體，為汽輪機汽水回路的重要組成部分，一旦不可用，必然導致汽輪機停機檢修。本文簡單介紹了我廠除氧器的結(jié)構(gòu)，工作原理，功能，以近期出現(xiàn)的除氧器上水管線和除氧頭大幅度振動事件為對象分析根本原因，并提出了相應(yīng)的緩解措施，保障機組安全經(jīng)濟運行。

關(guān)鍵詞

除氧器;汽錘;汽化沸騰;水錘

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.047

0 概述

2014年6月21日，一號機組除氧器液位低，操縱員手動小開度打開上水閥對其上水，除氧頭振動很大，靠近除氧頭位置的上水管線最大振幅達50厘米，導致除氧頭上水管線保溫層脫落如圖1，因上水管線震動導致管線穿墻處大量固定磚塊水泥脫落如圖2，手動關(guān)閉液位控制閥后，振動現(xiàn)象逐漸減弱，7分鐘后停止。

另外機組自運行以來發(fā)生過多次除氧器振動事件，如2011年10月12日、13日，機組停運后重啟，用主凝泵向除氧器上水后發(fā)生了兩次靠近除氧器的凝結(jié)水上水管道振動，同時與上水管道相連的除氧頭也出現(xiàn)振動。

本文主要以2014年6月21日一號機組停運檢修后重啟時發(fā)生的除氧器振動過程為對象，分析振動根本原因力求找到緩解措施。

1 除氧器介紹

1.1 除氧器結(jié)構(gòu)

除氧器由除氧頭和水箱組成。除氧頭是由堅固的鋼板焊接而成，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，在噴霧室布置噴霧頭，在噴淋盤上配有用于分配給水和除氧的配水盤。噴霧頭的作用是將來水霧化，增加冷凝水與加熱蒸汽之間的接觸面積，強化換熱和除氧效果。給水通過噴霧頭進入除氧器，噴霧頭在內(nèi)部水壓的作用下開啟，將凝結(jié)水以很細的霧滴噴出。霧滴與加熱蒸汽逆向流動，充分接觸，對霧滴進行加熱和除氧，當霧滴層被加熱到飽和溫度時，能達到很好的除氧效果。除氧頭橫截面如圖4。

除氧器水箱是一個帶圓穹形封頭的圓筒形碳鋼壓力容器，負荷變化時，其容量能夠保證水位的變化迅速而平穩(wěn)。水箱中的水由不斷進入的經(jīng)過加熱和除氧的新的給水代替，維持著飽和狀態(tài)，機組負荷突降時，能夠在一定程度上抑制內(nèi)部壓力的下降，除氧器還設(shè)有安全閥以防止超壓。

1.2 除氧器功能

我廠除氧器的主要作用是除去給水中的氧氣及其他不凝結(jié)性氣體，保證給水的品質(zhì)，減少腐蝕，提高傳熱效率。同時，除氧器本身又是給水加熱系統(tǒng)中的一個混合式加熱器，起到加熱給水，提高給水溫度的作用。

除氧器的工作原理是：一是物理除氧，即利用氣體的平衡溶解度和氣體轉(zhuǎn)移動力學特性，分別利用享利定律和道爾頓分壓定律進行除氣。二是熱力除氧，水中其他氣體的溶解度隨溫度的升高而降低。

1.3 除氧器壓力控制原理

除氧器運行方式分為滑壓運行和定壓運行。定壓運行時供除氧器的回熱抽氣壓力高于除氧器的工作壓力，并設(shè)置專門的壓力調(diào)節(jié)閥來節(jié)流調(diào)整。若汽輪機負荷降低到該級抽汽不能滿足除氧器定壓運行要求時，需切換到高一級抽汽，停止原來的抽汽，這種運行方式可以使除氧效果和給水泵的安全運行都得到保證，但是這是以犧牲熱經(jīng)濟性為代價的。我廠除氧器采用兩種方式結(jié)合運行。

除氧器壓力太高導致除氧效果變差，壓力低導致汽水共振，主給水泵入口可能壓力低汽蝕損壞。除氧器頂壓蒸汽的壓力控制系統(tǒng)由2個壓力控制器和3個壓力控制閥以及壓力變送器組成。其中，控制器1控制5%容量控制閥，控制器2控制2個50%容量蒸汽控制閥。機組低負荷啟動時壓力控制器控制除氧器的壓力在設(shè)定值（173kPa）。當汽輪機負荷升高到75%-85%時，汽輪機抽氣供應(yīng)到除氧器并維持除氧器的壓力。隨著汽輪機抽氣的供應(yīng)，控制閥緩慢全關(guān)，操縱員再根據(jù)電廠總體控制程序調(diào)整除氧器壓力控制器設(shè)定值（235kPa）。

此次小修啟動期間，主蒸汽還未投運，除氧器壓力是利用主給水泵自循環(huán)加熱給水維持除氧器壓力。

2 除氧器振動危害

2.1 除氧器管線振動的危

除氧器上水管道為碳鋼材料，雖然具有一定的強度和韌性，但是由于管道布置較長，從三號低壓加熱器凝結(jié)水（94.7米標高）出口到除氧器除氧頭（標高125.25），并且中途經(jīng)過12處直角拐彎，當振動達到一定強度，加上共振的促進作用，管道承受交變應(yīng)力，構(gòu)成金屬管道疲勞損傷的條件，就將在管道焊接處等薄弱部位產(chǎn)生裂紋甚至完全斷裂，造成除氧器失效，此次除氧器振動時4#RCW泵軸承振動最大值達7.016mm/s（正常小于2.5mm/s，報警值5.5mm/s）。

2.2 除氧頭振動危害

除氧頭連接著噴霧頭，振動造成噴霧頭與凝結(jié)水分配管焊接處開裂，導致除氧器內(nèi)部的噴霧頭脫落，形成水柱，引起蒸汽的迅速凝結(jié)，造成水擊，產(chǎn)生振動，長時期振動會引起其他噴頭脫落，使振動加劇，形成惡性循環(huán)。同樣采用噴霧壓力式除氧器的山西神頭第二發(fā)電廠的500MW 捷制K-500-165型四缸雙背壓凝汽式汽輪機組曾經(jīng)發(fā)生除氧器內(nèi)部的噴霧頭脫落，所以除氧器振動必須引起足夠重視。

3 振動原因分析

此次除氧器振動主要由于兩個方面引起：

1）除氧器本體振動原因分析;

（1）除氧頭汽錘振動

（2）除氧水箱汽水共騰

2）上水管線振動帶動除氧頭振動。

下面結(jié)合此次振動過程的現(xiàn)象，參數(shù)變化趨勢逐一分析。

3.1 除氧器本體振動原因

3.1.1 除氧頭振動

此次小修機組停運后，凝結(jié)水補水不是連續(xù)補水，在除氧器補水前，除氧器內(nèi)部是一個穩(wěn)態(tài)，汽水飽和（上水前除氧器溫度為142.91℃，壓力301.5kPa）高于正常運行時除氧器參數(shù)（溫度140℃，壓力235kPa），壓力和溫度是通過主給水泵自循環(huán)來維持的，當?shù)蜏啬Y(jié)水33.1℃進入除氧器后，經(jīng)噴霧頭噴淋到除氧器上方的噴霧室，除氧頭附近蒸汽遇冷急劇凝結(jié)（其體積縮小1000倍）形成局部真空，周圍的蒸汽以很高的速度向真空區(qū)沖擊，局部壓力升高，形成強烈汽錘沖擊，產(chǎn)生很大的響聲和振動。蒸汽凝結(jié)導致壓力下降，水溫大于此時壓力下的飽和溫度，除氧水頭內(nèi)的飽和水閃蒸，彌補蒸汽凝結(jié)所引起的壓力下降，而主給水泵的自循環(huán)持續(xù)為這一過程提供熱能。我廠主給水泵功率為4168kW，自循環(huán)運行時，將電能轉(zhuǎn)化為熱能加熱給水，不斷給除氧器內(nèi)的流體補充熱量，保持除氧器內(nèi)部處于飽和狀態(tài)，下面做一簡單估算：

Q=mcΔT

Q為泵總的發(fā)熱量，等于P×t=4168kW×1s;m為除氧器最大上水流量;c為水的比熱容4.2kJ/kg;ΔT為除氧器上水溫升（142.91-33.1）℃;

忽略泵的效率和管道除氧器散熱等因素主給水泵自循環(huán)可以滿足最大上水為9.04kg/s時，維持除氧器內(nèi)部水處于飽和狀態(tài)。

結(jié)合發(fā)生振動時除氧器的參數(shù)趨勢如圖5，除氧器液位低操縱員開上水閥2%開始補水，除氧頭區(qū)域蒸汽遇冷急劇凝結(jié)形成局部真空，造成汽錘，除氧器壓力下降而溫度仍高于飽和壓力對應(yīng)的飽和溫度，造成汽水共騰{1}，引起除氧器振動。除氧器壓力下降但是溫度沒有改變，因此除氧器振動是由于除氧頭內(nèi)的汽錘和汽水共騰共同作用引起的，溫差越大越明顯，所以振動幅度最大的位置應(yīng)該在除氧頭噴霧頭位置。

3.1.2 除氧器水箱振動

當?shù)蜏啬Y(jié)水噴入除氧頭，蒸汽遇冷急劇凝結(jié)，導致除氧器內(nèi)部壓力降低，除氧水箱和淋水盤內(nèi)高溫水閃蒸，汽水共騰，引起除氧器振動，但是相對于除氧頭位置高溫差的地方振動程度較小，且此次振動除氧水箱下方振動也不明顯。

3.2 除氧器上水管線振動原因

3.2.1 管道內(nèi)部流體受阻產(chǎn)生水錘

當除氧頭發(fā)生汽錘時，在噴霧頭區(qū)域產(chǎn)生壓力波，壓力波的震蕩阻礙除氧器上水，除氧器的內(nèi)部壓力還會頂住噴霧裝置（與除氧器上水閥相連接的除氧頭噴霧裝置是由彈簧壓緊的一疊不銹鋼盤組成，它們在內(nèi)部水壓的作用下開啟，噴出凝結(jié)水，噴淋頭裝置起到逆止閥的作用），阻止上水進入除氧器，使凝結(jié)水上水流速突然變化，另外除氧器上水管道布置較長，從除氧器上水閥到除氧器除氧頭有32米，并且中途經(jīng)過12處90度轉(zhuǎn)彎，第三，噴霧裝置損壞起不到逆止閥作用，在不上水時，除氧器內(nèi)部氣體進入上水管線，導致管道不滿水，這點需要在除氧器停運時檢查確認。這三個因素都將加劇上水管線水錘振動。

3.2.2 凝泵出口壓力變化

分析此次事件過程中凝泵出口壓力PI趨勢，可以看出整個過程凝結(jié)水上水壓力穩(wěn)定，判定除氧器上水管線振動不是由于凝泵出口壓力波動引起水錘振動。

3.3 結(jié)論

通過分析，再結(jié)合以往一號機組的大修，小修期間，對除氧器上水時的除氧器內(nèi)部溫度壓力趨勢圖進行對比，得出此次一個最特殊的地方就是過早的投運了主給水泵自循環(huán)，導致上水前除氧器內(nèi)部溫度明顯偏高，上水溫度又低，所以溫差過大是此次除氧器振動的原因。當除氧器內(nèi)部溫度足夠高，且上水溫度偏低，足夠大的溫度差致使除氧頭噴霧裝置區(qū)域產(chǎn)生的汽錘，汽錘的沖擊足以使除氧頭上噴淋裝置關(guān)閉，阻礙除氧器上水，導致水錘。此次振動主要發(fā)生在除氧頭和上水管線，上水管線靠近除氧頭位置振動幅度最大，與分析一致。

4 緩解措施

1）低功率期間除氧器上水期間加強現(xiàn)場對除氧器的巡視，如果發(fā)生震動現(xiàn)象，立即暫停補水;

2）機組啟動時避免過早投入主給水泵自循環(huán)導致除氧器溫度過高，如果除氧器已經(jīng)溫度過高，那么在對其上水前，采取措施給除氧器降溫減壓，打開除氧氣排氣閥，排除一部分熱量到大氣或凝汽器（凝汽器真空投入的話）。

3）采用手動非常小流量連續(xù)的補水方式，避免除氧器溫度迅速下降，確認無振動后再加大到下一個臺階，此次出現(xiàn)振動停止后采用通過手動緩慢每0.5%為一個輸出臺階對除氧器進行補水，已證明此法可行。必要時先停運主給水泵，待除氧器降溫降壓后對除氧器補水。

4）機組停運檢修時，重點對除氧器內(nèi)部的噴霧頭、擋汽板等易引起振動的焊接構(gòu)件的焊縫連接處進行檢查，必要時進行金相檢查，有裂縫時及時挖補焊接。

5）針對可能的除氧器上水管道水錘導致振動原因，機組檢修時，對除氧器每一個噴霧裝置進行檢查，防止上水管線不滿水。

6）對上水管線的所有固定支架檢查評估與改進，在此次振動幅度最大的地方進行加固。

注釋：

{1}蒸發(fā)表面（水面）汽水共同升起，產(chǎn)生大量泡沫并上下波動翻騰的現(xiàn)象，叫汽水共騰。發(fā)生汽水共騰時，水位表內(nèi)也出現(xiàn)泡沫，水位急劇波動，汽水界線難以分清;過熱蒸汽溫度急劇下降;嚴重時，蒸汽管道內(nèi)發(fā)生水沖擊。

參考文獻

[1]鄒正宇.CANDU-6核電廠系統(tǒng)與運行.常規(guī)島系統(tǒng)高級課堂教材，北京：中國原子能出版社，2012：126-156頁.

[2]臧希年.核電廠蒸汽動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，北京：原子能出版社，2010：166-177頁.

[3]阮於珍，核電廠材料，出版地：北京：原子能出版社，2010：47-48頁.