摘要：汽轮机是发电厂三大主要设备，汽轮机的启动是指汽轮机转子从静止状态升速至额定转速，并将负荷加到额定负荷的过程。在启动过程中，汽轮机各部件的金属温度将发生十分剧烈的变化，从冷态或温度较低的状态加热到对应负荷下运行的高温工作状态。因而汽轮机启动中零部件的热应力和热疲劳、转子和汽缸的胀差、机组振动都变化很大，将严重威胁汽轮机的安全，并使整个电厂发电负荷降低，经济损失严重。
关键词：汽轮机；高压加热器；故障
近年全国各电厂发生的高压加热器故障情况，主要由管束爆管、水位失控、配套件发生故障及操作不当所引发。现电厂对高加的正常运行，其重视程度前所未有。这不仅因为高加投运与否直接与电厂出力和经济效益有关，而且会直接影响整个机组的安全性。因此，提出各种保障措施确保高压加热器能高效正常地运行。
管束爆管导致高加停运的分析
总结这些年电厂运行实际案例，造成高加故停运的最主要因素是高加换热管束的损坏。一旦换热管爆裂，高压给水从破口喷涌而出，在低压室扩容的诱导下，形成巨大的冲击流，对周边换热管造成冲击，在很短的时间内，这种冲击会造成周围管子的连锁爆管，如不及时处理，会使高加造成不可挽回的损害，甚至影响机组的安全稳定运行。
从管束横截面的分布图分析，主要损坏区域集中在管束上部外围，和下部外围靠近水位面，以及管束中部区域。
经过对管束上部损坏换热管进行的深度测量，主要的爆管点分布在过热蒸汽冷却段蒸汽进口区域。这一区域的爆管损坏占了总爆管的50%以上。造成蒸汽进口区外排管损坏的最主要的原因是由于蒸汽的高流速造成的。其形成机理是：蒸汽进口区外排管迎风面换热管受到高温过热蒸汽的直接冲击。正常情况下，换热管外表面会有一层凝结膜，保护换热管免受高温蒸汽的直接冲击。但当蒸汽流速过高，破坏了换热管外表面的凝结膜，将会使管材金属与高温蒸汽直接接触，导致换热管的金属热应力急剧上升，并达到金属材料破坏极限强度值，在管内高压作用下爆管。
造成进汽流速太高的原因很多，归纳起来主要有2个原因：
（1）设计流速偏高
设计者没有对这个蒸汽进口流速进行校核，更没有充分考虑各种异常工况下可能达到的最高流速。正确的做法是将蒸汽进入过热蒸汽冷却段的进口区尽量加大，以降低高温蒸汽对换热管外排的直接冲击。
（2）高加水位失控
水位失控造成级间水封丧失，蒸汽流量大增，蒸汽流速也大增。（关于这一点在下面一小节论述）。管束损坏另一个主要区域是下部外排管的爆管，这主要是由于水位失控，造成内置式疏水冷却段吸水口暴露在水位线之上，这时水蒸汽直接进入吸水口，疏水冷却段功能改变，成了饱和蒸汽冷却段，由于蒸汽和疏水的比容相差20～30倍，造成疏水冷却段入水口和段内换热区的管外流速大幅上升，这种夹带水滴的蒸汽像子弹一样射向换热管，最终造成爆管。
水位失控造成的高加故障的分析
水位失控不仅会造成疏水冷却段的损坏，还会引起过热蒸汽冷却段进汽口蒸汽超速。这是由高加组的本身结构特性造成的。高加组一般由3～4个高加串联组成，每1个高加的疏水采用逐级疏水进入到下级高加，末级高加的疏水疏入除氧器。同时，高加的加热原理是蒸汽在加热器内冷却凝结放出热量传递给管内给水。在这个过程中，蒸汽急速冷凝，比容迅速变小，这种比容的巨大变化，对加热蒸汽形成了有力的抽吸作用。而一旦蒸汽冷凝的速度与蒸汽进入的速度相近，这种抽吸作用又会自动减弱。所以高加的进汽是不受管道阀门控制的，即称之为不调整抽汽。当上级高加与本级高加的级间水封丧失，疏水口就成了一个压力等级更高的新的蒸汽进口。也就是说，下一级高加的加热蒸汽，是由上一级高加增加额外抽汽量来供给，而本级高加的蒸汽口自动被堵塞。这种情况会使上一级高加的进汽量成倍增加，1个进汽口需承担2个高加的加热蒸汽量。上一级高加的损坏是可想而知的。
运行操作不当引起的高加异常的分析
操作不当的案例在实际运行中时有发生，比较主要的有几种：
（1）高加投运不遵守限定的温升率。如果高能够随机组冷态正常投运，滑启滑停，这是最好的停模式。问题主要出在高加不能随机滑启，而要负荷达到30%～40%时再投入；另外1种工况是高加故障停运检修后，电厂希望尽快热态投入。这2种工况中，如果操作不遵守限定的温升率，在短时间内，高加从常温常压迅速上升到高温高压，这巨大的温度压力冲击，会使高加遭受巨大的伤首当其冲的是高加水室内件变形，紧固件损坏，焊开裂，造成给水短路。其二是管板承受极大的应变化，特别是在管子管板焊口处的瞬时应力极大，容易造成焊口泄漏。
（2）高加水侧投入后，热态工况下，高加的进阀门的打开，没有按限定的温升率；或者3个高加汽侧投入没有按压力从低到高的顺序逐步投入；或者3个高加汽侧同时投入的速度差别太大，造成力较高的高加先全开进汽阀，压力低的高加进汽没有全开。这时都会出现后一级高加超负荷运如果上述现象持续时间足够的长，将会造成高加损坏。
（3）有的电厂在实际运行中，发现某1个高加进汽压力偏高，有时高出设计值很多。为了减少压缸的额外抽汽损失，人为地将高加进汽门的开限制在75%上，结果造成本级高加壳侧压力下降多，给水出口温度大幅下降，使后一级高加超负荷行，进汽量大增，疏水量大增，出现疏水管道振动高加进汽口处管束损坏的恶果。
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配套件维护不力形成投运率下降的分析
高加系统配套件较多，归纳起来主要有三类：
（1）安全检测装置；
（2）给水旁路系统阀门；
（3）水位控制仪表阀门。
影响高加投入率的主要原因之一，往往是由这些配套件的不完善致使高加不能正常投入。经常有这类事例发生：高加本体完好可用，但配套阀门故障难以修复，从而造成高加长时期的停运，给电厂带来经济损失。
这中间最突出的问题是汽侧安全阀和水侧安全阀故障。汽侧安全阀由于有排量要求，通常选配全启式安全阀，并且口径比较大。如果选型和维护不当极易发生泄漏。特别是国产阀门，往往启跳一次后就会泄漏。而水侧安全阀是高压阀门，因为没有排量要求，通常选配3/4英寸微启式泄压阀。从实际使用情况来看，即使原装进口的阀门，也会经常泄漏，给安全运行带来威胁，有的电厂干脆将其封堵。
目前国内采用比较多的高加给水大旁路系统，1个电动三通阀加1个二通阀联动。这种系统配置要求运行人员在投高加时，切不可操之过急，必须先开注水门暖机，等到阀前阀后压差较小时，才可开启三通阀，并且开的过程必须分段进行，不可一次拉到全开启。
在这些配套系统中最容易出问题的，还有水位控制系统。这个系统由疏水调节阀，水位信号检测、转换、发送和控制装置等组成。疏水调节阀经常容易出故障的另一个环节是阀芯笼罩开孔的堵塞问题。高加疏水多采用具有等百分比调节特性的调节阀，这种调节阀的阀芯多为笼罩式多孔分布型，根据不同的开度和通流量，布置开孔的直径大小和数量。在小开度小流量工况下，开孔直径往往很小，通常小于2 mm。在特定工况下，疏水通过小孔产生压降，在小孔背面形成汽蚀或冲蚀，导致金属表面组织结构发生变化并形成微小结垢。这种垢层往往很薄，肉眼有时难以观察。但就是这微小的垢层，对2 mm以下的小孔会产生较明显的流通量改变，进而改变调节阀小开度工况下的调节特性，调节性能变坏，水位不稳，最终造成高加运行故障。
高加设计、运行及维护的注意要点
高加设计的注意要点
高加壳体内壁要绝对避免直角，必须用足够尺寸的圆弧过渡，以避免应力集中。
高加内件中凡是容易遭受高温直接冲击的部位，要尽量采用耐高温耐冲蚀材料。
高加管束过热蒸汽冷却段蒸汽进口区流体质量流速和线流速均要仔细复核，绝对禁止高流速冲击，不仅要按正常工况计算，更应该考虑各种异常工况下可能达到的极限，比如前级高加停运，给水进入本级高加温度大幅下降造成的进汽量增加；以及本级高加水封丧失，造成前级高加加热被迫采用本级高加疏水加热所出现的本级高加进汽量的增加等等[12]。
高加配套件仪表要采用高温型，所有配套阀门都要选用高温高压型，应选配质量过硬，信誉好的供货商的产品。
要更仔细设计内置式疏水冷却段吸水口，既要有足够的通流面积，又要保证在水位正常波动下吸水口不会露出水面。
高加运行的注意要点
建议高加能随机滑启滑停。如不能做到，则应该在投高加时，严格执行制造厂限定的温升率，温降率，规范操作。实际操作时，可以将给水出口温度值作为温升率，温降率的判定依据。
热态投高加必须先开注水门暖机，在前后压差达到足够小的情况下，才可缓开三通阀，任何工况下，不可先开进汽阀后开给水阀，以免高加出现干烧现象。
对于双列布置的百万机组超超临界高加，应合理分配二列高加的给水份额，避免某一列高加过载虽然每列高加都是按75%总给水流量设计的，但这并不意味着任一列高加都可以长期超负荷运行而不出现任何问题。
不要人为压低高加水位以求省事，当水位异常时，应分析原因及时排除故障。
所有机组都应将高加水位监测纳入中央集控室重点水位监测目标范围。尽可能将高加水位监测控制仪表由基地式改为DCS数字中央集控仪表。
不要减小高加进汽阀的开度设定值，这个阀门在任何工况下都应处于全开状态，除非高加解列退出运行。高加的抽汽量不是由阀门的开度决定的。较小的开度只会降低高加壳侧运行压力，引起整个高加组的运行异常。
降低高压加热器检修方面的改进
以前高压加热器疏水管的材质为20号碳钢，其抗汽、水两相流体的冲刷能力差，易发生泄漏现象。前几年，在发电机组大检修时，分别把1-4号机的疏水管更换成不锈钢材质。据此高压加热器疏水管尤其是至高压除氧器前弯头处，发生泄漏次数明显减少。其次，检修部也加强了管理工作，切实注重工艺质量，加强设备维护，抓好加热器部件的完好性，以确保长周期安全运行。
参考文献：
[1]黄述真；大型汽轮机组调峰运行的分析与优化系统[D]；华北电力大学；2018年
[2]乔万谋；连城电厂N100-90/535型汽轮机热力系统经济性分析及优化[D]；重庆大学；2017年
论文作者:孙瑞星
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/14
标签：疏水论文; 蒸汽论文; 水位论文; 工况论文; 流速论文; 加热器论文; 汽轮机论文; 《电力设备》2018年第27期论文;