汽轮机水循环系统泄露故障定位的仿真研究

2021-06-05张永太

机械管理开发 2021年4期

张永太

（山西金驹煤电化有限责任公司，山西晋城 048006）

引言

实践表明，泄露是锅炉汽轮机水循环系统在实际应用中常见的故障，不仅会影响汽轮机本身的安全性，还会影响整个系统的运行性能。汽轮机水循环系统主要由凝结水、锅炉循环水、给水、过热蒸汽等分系统构成，在实际生产中各个子系统紧密联系。当汽轮机水循环系统中其中一个分系统出现泄漏故障时，相邻子系统的运行也会受到影响。结合实践应用可知，锅炉汽轮机水循环系统常见的泄露故障包括有低压加热泄露、高压加热泄露以及锅炉四管泄露等[1]。本文将对上述各种故障的原因进行分析，并对不同工况下的泄露故障进行仿真研究。

1 汽轮机水循环系统泄露故障原因分析

1.1 锅炉四管泄露故障原因分析

所谓锅炉四管指的是的与汽轮机相关锅炉的锅炉水冷壁、省煤器、过热器和再热器。结合多年生产经验总结锅炉四管出现泄露故障的原因如下：

1）制造锅炉四管所采用的材质不合格。具体表现为：所采用管材中夹杂着残渣，管材存在裂缝进而影响其整体的强度。此类锅炉四管在高温高压情况下极易发生断裂、爆管的现象。

2）锅炉四管焊接质量不合格。具体表现为：管材焊缝的位置出现裂纹和咬合，在高温高压的作用下极易在横向和纵向两个方向出现更大裂缝，进而导致泄露[2]。

3）锅炉四管位置布置不合理。具体表现为：锅炉四管均在高压、高温环境下工作势必会出现一定的热胀冷缩现象。由于四管位置不合理导致其在热胀的作用下出现裂缝。

4）锅炉四管被堵塞。具体表现为：因未按照标准、规范安装，导致管道中遗留异物或管道内壁出现脱落导致其被堵塞，最终导致管道内压力升高从而出现泄露。

当锅炉四管出现泄露故障时，常表现为如下现象：有水汽喷出；系统水泵的转速增大；系统负压波动较为剧烈；泄露一侧与非泄露一侧的水温差距较大。

1.2 高压加热泄露故障原因分析

高压加热器为汽轮机水循环系统必不可少的设备，其主要功能为提升系统本身的热循环效率。结合实践经验分析，高压加热泄露故障的原因可总结如下：

1）系统的热应力过大。具体表现为：系统的热应力过大而管路所采用管材的厚度各不相同，其膨胀或收缩的速率不同，导致管路端口出现泄露。

2）管路变形。具体表现为：由于高压加热器分为水侧和汽侧，两侧介质具有不同的特性。当系统出现负荷突变情况时，水侧的压力会发生较大的变化，进而导致管路端口出现泄露[3]。

除此之外，由于高压加热器对应管路的堵管工艺不合理、实际生产中的管道振动以及所采用材质不合格均会导致其出现泄露故障。

高压加热泄露故障对应的现象主要为汽轮机出力降低、煤耗增加、热效率降低、水位波动异常、给水量增长异常等。

1.3 低压加热泄露故障原因分析

与高压加热器相类似，低压加热器同样在高温高压的环境下工作，在长时间的运行下热应力、振动、磨损等均会导致与低压加热器相匹配管道出现管道变形，管道变薄等问题。具体的故障原因包括有汽水长时间的冲刷、管道振动碰撞以及磨损、水汽对管道的腐蚀等。

低压加热泄露故障主要表现为系统的除氧效率降低、除氧设备的热负荷增加、主汽温升高等。

2 泄露故障规律仿真研究

2.1 锅炉四管泄露故障规律仿真研究

鉴于锅炉四管包括有高温过热器、高温再热器、省煤器以及水冷壁，本节对上述不同泄露部位在相同泄露程度下的现象进行仿真分析，不同部位的泄露程度如表1所示：

表1 锅炉四管不同泄露部位的泄露程度

经仿真分析可知：锅炉四管发生泄露后，系统对应的主蒸汽流量、压力以及实际负荷均会降低。不同泄露部位所导致的现象如下：在同等泄露程度下，水冷壁出现泄露对系统负压和主汽压力的影响最大，即这两个参数减小最为明显；而省煤器泄露对系统负压和主汽压力的影响最小。在同等泄露程度下，对系统负压和主汽压力影响第二明显的泄露部位为高温再热器，其泄露会导致给水流量的瞬间增大。对系统负压和主汽压力影响第三明显的泄露部位为高温过热器，其泄露会导致系统的风机动叶开度增加[4]。

2.2 高压加热泄露故障规律仿真研究

高压加热系统的结构如图1所示：

图1 高压加热系统的结构示意图

由实践发现，导致高温加热器出现泄露的故障类型包括高温加热器进水室和出水室发生短路、高温加热器管路泄露以及高温加热器入口的三通阀出现故障。不同故障类型的故障程度如表2所示。

本节将对上述三种故障类型中1号高温加热器的进水室和出水室出现短路故障时的现象进行仿真分析。经仿真分析可得：当1号高温加热器的进水室和出水室短路时对应的给水温度出现降低现象，且幅度很大。然而，对应的2号和3号高温加热器的温升不受影响。具体表现为：当1号高温加热器的进水室和出水室短路20%时，温度约降低5.7℃。