汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)泄露故障定位的仿真研究

張永太

（山西金駒煤電化有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

引言

實(shí)踐表明，泄露是鍋爐汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的故障，不僅會(huì)影響汽輪機(jī)本身的安全性，還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)主要由凝結(jié)水、鍋爐循環(huán)水、給水、過(guò)熱蒸汽等分系統(tǒng)構(gòu)成，在實(shí)際生產(chǎn)中各個(gè)子系統(tǒng)緊密聯(lián)系。當(dāng)汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)中其中一個(gè)分系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏故障時(shí)，相鄰子系統(tǒng)的運(yùn)行也會(huì)受到影響。結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用可知，鍋爐汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)常見(jiàn)的泄露故障包括有低壓加熱泄露、高壓加熱泄露以及鍋爐四管泄露等[1]。本文將對(duì)上述各種故障的原因進(jìn)行分析，并對(duì)不同工況下的泄露故障進(jìn)行仿真研究。

1 汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)泄露故障原因分析

1.1 鍋爐四管泄露故障原因分析

所謂鍋爐四管指的是的與汽輪機(jī)相關(guān)鍋爐的鍋爐水冷壁、省煤器、過(guò)熱器和再熱器。結(jié)合多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)鍋爐四管出現(xiàn)泄露故障的原因如下：

1）制造鍋爐四管所采用的材質(zhì)不合格。具體表現(xiàn)為：所采用管材中夾雜著殘?jiān)?，管材存在裂縫進(jìn)而影響其整體的強(qiáng)度。此類鍋爐四管在高溫高壓情況下極易發(fā)生斷裂、爆管的現(xiàn)象。

2）鍋爐四管焊接質(zhì)量不合格。具體表現(xiàn)為：管材焊縫的位置出現(xiàn)裂紋和咬合，在高溫高壓的作用下極易在橫向和縱向兩個(gè)方向出現(xiàn)更大裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致泄露[2]。

3）鍋爐四管位置布置不合理。具體表現(xiàn)為：鍋爐四管均在高壓、高溫環(huán)境下工作勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一定的熱脹冷縮現(xiàn)象。由于四管位置不合理導(dǎo)致其在熱脹的作用下出現(xiàn)裂縫。

4）鍋爐四管被堵塞。具體表現(xiàn)為：因未按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范安裝，導(dǎo)致管道中遺留異物或管道內(nèi)壁出現(xiàn)脫落導(dǎo)致其被堵塞，最終導(dǎo)致管道內(nèi)壓力升高從而出現(xiàn)泄露。

當(dāng)鍋爐四管出現(xiàn)泄露故障時(shí)，常表現(xiàn)為如下現(xiàn)象：有水汽噴出；系統(tǒng)水泵的轉(zhuǎn)速增大；系統(tǒng)負(fù)壓波動(dòng)較為劇烈；泄露一側(cè)與非泄露一側(cè)的水溫差距較大。

1.2 高壓加熱泄露故障原因分析

高壓加熱器為汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)必不可少的設(shè)備，其主要功能為提升系統(tǒng)本身的熱循環(huán)效率。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，高壓加熱泄露故障的原因可總結(jié)如下：

1）系統(tǒng)的熱應(yīng)力過(guò)大。具體表現(xiàn)為：系統(tǒng)的熱應(yīng)力過(guò)大而管路所采用管材的厚度各不相同，其膨脹或收縮的速率不同，導(dǎo)致管路端口出現(xiàn)泄露。

2）管路變形。具體表現(xiàn)為：由于高壓加熱器分為水側(cè)和汽側(cè)，兩側(cè)介質(zhì)具有不同的特性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷突變情況時(shí)，水側(cè)的壓力會(huì)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致管路端口出現(xiàn)泄露[3]。

除此之外，由于高壓加熱器對(duì)應(yīng)管路的堵管工藝不合理、實(shí)際生產(chǎn)中的管道振動(dòng)以及所采用材質(zhì)不合格均會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)泄露故障。

高壓加熱泄露故障對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象主要為汽輪機(jī)出力降低、煤耗增加、熱效率降低、水位波動(dòng)異常、給水量增長(zhǎng)異常等。

1.3 低壓加熱泄露故障原因分析

與高壓加熱器相類似，低壓加熱器同樣在高溫高壓的環(huán)境下工作，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下熱應(yīng)力、振動(dòng)、磨損等均會(huì)導(dǎo)致與低壓加熱器相匹配管道出現(xiàn)管道變形，管道變薄等問(wèn)題。具體的故障原因包括有汽水長(zhǎng)時(shí)間的沖刷、管道振動(dòng)碰撞以及磨損、水汽對(duì)管道的腐蝕等。

低壓加熱泄露故障主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的除氧效率降低、除氧設(shè)備的熱負(fù)荷增加、主汽溫升高等。

2 泄露故障規(guī)律仿真研究

2.1 鍋爐四管泄露故障規(guī)律仿真研究

鑒于鍋爐四管包括有高溫過(guò)熱器、高溫再熱器、省煤器以及水冷壁，本節(jié)對(duì)上述不同泄露部位在相同泄露程度下的現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，不同部位的泄露程度如表1所示：

表1 鍋爐四管不同泄露部位的泄露程度

經(jīng)仿真分析可知：鍋爐四管發(fā)生泄露后，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的主蒸汽流量、壓力以及實(shí)際負(fù)荷均會(huì)降低。不同泄露部位所導(dǎo)致的現(xiàn)象如下：在同等泄露程度下，水冷壁出現(xiàn)泄露對(duì)系統(tǒng)負(fù)壓和主汽壓力的影響最大，即這兩個(gè)參數(shù)減小最為明顯；而省煤器泄露對(duì)系統(tǒng)負(fù)壓和主汽壓力的影響最小。在同等泄露程度下，對(duì)系統(tǒng)負(fù)壓和主汽壓力影響第二明顯的泄露部位為高溫再熱器，其泄露會(huì)導(dǎo)致給水流量的瞬間增大。對(duì)系統(tǒng)負(fù)壓和主汽壓力影響第三明顯的泄露部位為高溫過(guò)熱器，其泄露會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度增加[4]。

2.2 高壓加熱泄露故障規(guī)律仿真研究

高壓加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 高壓加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

由實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致高溫加熱器出現(xiàn)泄露的故障類型包括高溫加熱器進(jìn)水室和出水室發(fā)生短路、高溫加熱器管路泄露以及高溫加熱器入口的三通閥出現(xiàn)故障。不同故障類型的故障程度如表2所示。

本節(jié)將對(duì)上述三種故障類型中1號(hào)高溫加熱器的進(jìn)水室和出水室出現(xiàn)短路故障時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析。經(jīng)仿真分析可得：當(dāng)1號(hào)高溫加熱器的進(jìn)水室和出水室短路時(shí)對(duì)應(yīng)的給水溫度出現(xiàn)降低現(xiàn)象，且幅度很大。然而，對(duì)應(yīng)的2號(hào)和3號(hào)高溫加熱器的溫升不受影響。具體表現(xiàn)為：當(dāng)1號(hào)高溫加熱器的進(jìn)水室和出水室短路20%時(shí)，溫度約降低5.7℃。

表2 不同故障類型的故障程度

2.3 低壓加熱泄露故障規(guī)律仿真研究

低壓加熱器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 低壓加熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

低壓加熱器故障類型主要包括有低壓加熱器進(jìn)水室和出水室短路、低壓加熱器管路泄露等。本節(jié)對(duì)5號(hào)低壓加熱器管路出現(xiàn)8%泄露情況下的規(guī)律進(jìn)行仿真研究。

經(jīng)仿真分析可知：當(dāng)5號(hào)低壓加熱器管路出現(xiàn)泄露時(shí)其對(duì)應(yīng)的疏水閥和緊急疏水閥的開(kāi)口大小會(huì)明顯增大；與此同時(shí)，其對(duì)應(yīng)下游的其他低壓加熱器對(duì)應(yīng)的疏水閥和緊急疏水閥的開(kāi)口大小也會(huì)出現(xiàn)一定程度的增大[5]。而且，5號(hào)低壓加熱管路泄露還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)除氧器水位調(diào)節(jié)閥開(kāi)口增大。

3 結(jié)語(yǔ)

泄露為汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)的主要故障，因此，為提升汽輪機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行效率需從根本采取措施降低其出現(xiàn)泄露故障的概率，或當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄露故障時(shí)可快速對(duì)出現(xiàn)泄露的部位和泄露程度進(jìn)行精準(zhǔn)定位。