水位控制阀疏水管道振动分析及防止策略

    1 问题的提出

    某电厂2×600MW机组直流锅炉为东方锅炉厂引进日本巴布科克－日立公司（BHK）技术制造的DG1900/25.4MPa－Ⅱ1型超临界参数变压直流本生锅炉，出于锅炉快速启动和低负荷运行的需要，确保过热器呈干态运行，设置了锅炉启动旁路系统。内置式启动系统主要由启动分离器（由汽水分离器和储水罐组成）、大气式扩容器及水位（以下简称361阀）等组成（如图1所示）。361阀为内置式启动系统中控制汽水分离器储水罐水位的关键部件，该阀疏水管道在运行中经常会出现强烈振动，严重时通往锅炉定排的穿墙管可将墙体振坏。本文就该电厂内置式启动系统运行中出现的361阀疏水管道振动问题进行具体分析，并提出防止策略。

图1 启动分离系统示意

    2 管路振动时段和振动位置

    当机组启动和负荷小于35%锅炉最大连续蒸发量（BMCR）时，启动分离器以湿态方式运行，进入分离器的工质经汽水分离器扩容后，分离出来的水进入储水罐，后经361阀排向锅炉疏水扩容器或凝汽器，分离出来的饱和蒸汽进入过热器。随着锅炉负荷增加，工质干度增加，储水罐中的水位逐渐下降，当负荷大于35%BMCR时，361阀不再因储水罐水位高而打开，分离器由湿态运行转为干态运行而完成启动过程。根据生产现场的实际情况，361阀疏水管路振动强烈的时段主要集中在投入运行初期和361阀开度大幅波动期间；振动强烈的位置集中在疏水至锅炉定排管路。

    3 管道振动原因分析

    3.1 疏水管道设计不当

    （1）从图2可以看出，361阀至定排疏水管道段较长（两侧共约80m），管道空间布局呈∏形布置，普遍采用单拉杆刚性吊架悬挂，使得整个管系刚度不够，自由度偏大，管道的自振频率较低，在低频激振条件下，管道会因共振而引发较大的振动。

    （2）从图2中可以看出，361阀布置在汽机侧0.5m高的位置，出于现场管道安装布局的需要，361阀至定排扩容器疏水管道大部分布置在5.5～6.0m层，361阀至定排扩容器疏水总管通往锅炉侧的管道布置在7.5m层。当往定排扩容器疏水时，水流会在361阀后管道内形成一个急速转向，产生很大的冲击力，特别是在疏水初期，这种冲击力更大，进而诱发361阀至定排扩容器疏水管道的振动。

    3.2 流体脉动

    出于对储水罐水位的有效控制，在361阀的逻辑中，设有快开和快关逻辑。在361阀快开或快关的过程中，其疏水管道内流体速度忽快忽慢，压力忽高忽低，形成一种不稳定的流体状态。该不稳定液体对管道的作用力可以看作是在静力（相当于压力脉动的平均值即平均压力对管件的作用力）的基础上额外加上一个脉动力（相当于压力脉动偏离平均压力部分即脉动压力对管件的作用力）。该脉动力会引发管道的振动响应，当管道对于次脉动产生的激励响应频率与其自身的固有频率相重合时，管道与脉动就会产生共振。

    3.3 汽液两相流

    在启动系统中，361阀前管道设计压力为28.8MPa，设计温度为375.00℃。361阀至定排扩容器电动闸阀前管道设计压力为28.8MPa，设计温度为164.14℃。电动闸阀后管道设计压力为0.9MPa，设计温度为80.00℃。在机组极热态启动过程中，储水罐内工质温度在360.00℃以上，出于对凝汽器的保护，最初储水罐内的水经361阀后疏往定排扩容器。虽经361阀及其管道的节流和冷却，但整个过程中压降速度快于温降速度，最初进入361阀至定排扩容器电动闸阀后的工质可能为汽态或汽液两相流，使得管道内壁处在汽液两相流体的紊流层，从而引发管道振动。另外，流体在输送过程中必然会产生压降，随着压力的降低可能会出现液体汽化现象，当液化产生的气泡破灭时，就会发生汽蚀，从而诱发管道振动。

    3.4 管道受到热冲击

    当机组进入直流运行后，361阀将强制关闭，退出运行，从而隔断储水罐侧高温高压系统与凝汽器或定排侧的低温低压系统的联系。在停炉或紧急事故阶段，需要投入361阀运行，而此时的361阀前后管道内工质参数相差巨大，如果贸然打开361阀，必然会对361阀及其管路造成热冲击。管路受热后开始膨胀，温差越大，膨胀量越大，一旦膨胀受阻，会使管路在受阻处产生较大应力并开始向自由空间运动，从而引发管道形变和振动。

    4 防范措施

    4.1 增加刚性限位支架

    对管路振动情况进行了模态分析和应力计算，在此基础上，为防范管路振动，采取了有效措施。在361阀至定排扩容器疏水管路的较长水平段上增加3处刚性限位支架（图2中a，b，c点）和1处液压阻尼器（图2中d点）。其中a点和b点的限位支架限制管道沿y向和z向的晃动，c点的限位支架限制管道沿x向和y向的晃动；d点的液压阻尼器水平布置，消化吸收管道沿z向的振动能量。改造后增加了水平段管路的刚性，提高了其自振频率，取得了较好的效果。

图2 361阀疏水管道系统结构示意图

    4.2 消减管系的激扰力

    （1）在冷态启机过程中，为减少工质损失和提高产汽率，给水流量应控制到较小程度，为减小361阀调节幅度，维持疏水管内流量稳定，采用投运单侧361阀来调整储水罐水位。

    （2）完善361阀联锁逻辑。

    1）取消原有“储水罐水位高于18m且361阀没有在开位且贮水箱压力小于12MPa则对应快开电磁阀动作，联锁快速全开361阀”逻辑，避免因361阀快开造成疏水管内水流量突增，增大对管道的脉动力。取而代之，在分散控制系统（DCS）汽机报警中增加“储水罐水位高”报警（触发条件为：储水罐水位达到18m），提醒运行人员手动干预储水罐水位的调整，因为储水罐水位的高低关键还是在于给水流量的调整。

    2）在储水罐液位控制站自动口设置限速模块，对系统自动与手动切换时361阀开度调节指令的偏差进行平滑作用控制，使储水罐液位控制站平稳地由手动指令过渡到更为合理的自动控制参数，以防止出现指令偏差大而导致361阀开度大幅波动的现象。

    3）在锅炉启动阶段，随着炉水焓值的上升，将会产生汽水膨胀现象。为防止汽水膨胀引起水位剧烈变化而使361阀异常动作，对其开动作进行速率限制。为防止汽水膨胀时水位迅速上涨而导致361阀开度突然大增，当储水罐液位从高位开始下降时，给水位信号增加一负偏置，以避免水位变化过大。

    4）由于储水罐液位允许控制范围较大且361阀流量特性较好。当没有联关指令且分离器压力小于11MPa时，361阀调节采用开环控制，根据分离器水位确定开度指令。水位调整下限为10m，上限为16m，在此范围内，361阀开度指令按0%～100%调节。

    （3）在361阀运行期间，应加强锅炉给水和燃料的调整，维持给水流量相对稳定，维持361阀开度在15%～30%小范围波动，以防止361阀大幅开/关而造成管道内工质流量的大幅波动。在锅炉汽水膨胀期间，应停止对锅炉燃烧和给水的调整，以减少对361阀水位控制的扰动因素。

    4.3 对361阀及其附属管路暖管

    锅炉转直流运行后，361阀强制关闭，在紧急事故或停炉阶段，需要打开361阀对储水罐水位进行控制。361阀前管路内工质压力和温度相当高，为防止361阀突然开启对系统造成冲击，需提前对361阀及其附属管路暖管。

    （1）在锅炉直流运行中，打开省煤器出口至361阀的暖管阀（图1中#4和#8阀门），及储水罐至过热器二级减温水的截止阀（图1中#9阀门）。加热水经暖管阀流向361阀后，倒流入储水罐内，再经储水罐至二级喷水管路排走，实现对361阀及其前管路的在线暖管。

    （2）在361阀投入运行前，全开361阀后所有疏水门，稍开361阀（5%左右开度），对管路暖管10～15min，待疏水管温度高于150℃后，暖管结束。然后，根据需要开启361阀至凝汽器电动阀（图1中2#2或#6阀门）或至定排电动阀（图1中#3或#7阀门）。手动调节361阀开度，待储水罐水位基本稳定后，将其切自动控制方式。

    5 结束语

    本文从现场实际的角度出发，深入总结了生产经验，较为系统地分析和解决了361阀管路振动的问题，并在实际生产中取得了较好的效果。可为其他电厂同类型机组在投运361阀时的防止管路振动提供借鉴。