中南电力设计院主蒸汽再热蒸汽及旁路管道疏水与控制优化.docx

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中南电力设计院主蒸汽再热蒸汽及旁路管道疏水与控制优化

中国电力规划协会2005年热机专业技术交流会

超临界机组三大蒸汽管道疏水系统设计建议

中南电力设计院

徐传海

2005.11.

审核：

杨汝同

校核：

薛家春

编制：

徐传海

超临界机组三大蒸汽管道疏水系统设计建议

【内容摘要】受汽机本体疏水阀用机组负荷信号控制启闭的影响，主蒸汽管道与再热蒸汽管道（简称三大蒸汽管道）疏水阀也顺其自然地用机组负荷信号来控制启闭。

此设计大量高温蒸汽排入疏水扩容器，使之发生过热鼓包现象，机组启停时低温蒸汽返回汽缸危及机组安全。

本工程建议设置三大蒸汽管道疏水专用的高压疏水扩容器，以解决蒸汽返回汽缸的问题，并用温差信号控制三大蒸汽管道疏水阀的启闭，至少可以大大缩短高温蒸汽进入高压疏水扩容器的时间。

【关键字】三大蒸汽管道疏水系统设计建议

1概述

在超临界机组中，主蒸汽、低温再热蒸汽、高温再热蒸汽管道及与之相配的汽机旁路管道（简称三大蒸汽管道）的疏水及辅助系统的设计是否合理对机组安全与经济运行有着很大的影响，其关键是疏水阀的控制时机与控制信号的选取。

下面以常规设计的600MW超临界机组三大蒸汽管道系统为基础探讨之。

2三大蒸汽管道系统简介

目前，600MW超临界机组的主蒸汽管道从过热器出口集箱以双管接出后合并为单管，在进汽机前再分成两路，分别接至汽轮机左右侧主汽门。

主蒸汽系统的主管为（419.175）mm，支管为（298.553）mm，管材为A335P91。

低温再热蒸汽管道由高压缸排汽口以双管接出，合并成单管后至炉前分为两路进入再热器入口联箱。

低温再热蒸汽系统的主管为Φ965.222.23mm，支管为Φ660.415.88mm，管材为A672B70CL32。

高温再热蒸汽管道，由锅炉再热器出口联箱接出两根后合并成一根管，至汽轮机处分为两路接入汽轮机左右侧中压联合汽门。

高温再热蒸汽系统的主管为（914.432）mm，支管为（647.723）mm，管材为A335P91。

汽机多采用容量为30%BMCR的高、低压二级串联旁路系统，高压旁路阀一只，低压旁路阀两只。

为了防止汽轮机进水，三大蒸汽管道系统设有完善的疏水系统，疏水排入高压疏水扩容器。

其中，主蒸汽管道在汽机处斜三通之前主管的低点和之后两根支管的低点以及汽机高压旁路阀之前设疏水点，气动疏水阀前接Φ578mm的P91管道，气动疏水阀后接Φ8912mm的12Cr1MoV管道；低温再热管道在汽机排汽逆止阀前后及高压旁路阀的排汽管道低点设疏水罐，连接疏水罐与疏水阀的管道为Φ766mm的20号钢管，疏水阀后接Φ894mm的20号钢管；高温再热管道在汽机处斜三通之前主管的低点、之后两根支管的低点及两只低压旁路阀之前设疏水罐，连接疏水罐与疏水阀的管道为Φ63.54.4mm的P91钢管，疏水阀后接Φ896mm的12Cr1MoV管道。

另外，机组正常运行时，滞留在汽机高压旁路阀前支管内的高压蒸汽因管道散热而凝结，为促使滞留蒸汽流动，避免蒸汽凝结，并减少高压旁路阀之前的疏水阀的启闭次数，在主汽门前的支管上设一根Φ578mm、管材为P91、连至高压旁路阀前的暖管。

同样汽机低压旁路支管上也分别设一根Φ63.54.4mm、管材为P91、连至低压旁路阀后的暖管。

3疏水阀的常规控制方法及问题

在一次再热式汽轮发电机组的启动过程中，根据汽轮机厂家说明书的规定，机组负荷升至10％的额定负荷时关闭中压调门之前的汽机本体疏水阀，升至20％的额定负荷时关闭中压调门之后的汽机本体疏水阀。

反之，在停机过程中，机组负荷降至20％的额定负荷时开启中压调门之后的汽机本体疏水阀，降至10％的额定负荷时开启中压调门之前的汽机本体疏水阀。

可见，汽机本体疏水阀的启闭控制信号是机组的负荷。

这样，机组在启停过程中，汽机本体内的疏水可以及时地排出，由此防止在汽机内发生汽水冲击事故。

另外，当汽机跳闸时，汽机本体疏水阀会自动开启，能尽快地将导汽管及汽缸内积存的蒸汽排至凝汽器，以防止机组超速。

另外，为了防止低温再热管道疏水返回汽机，低温再热管道设有疏水罐并由其水位控制疏水阀的启闭。

目前，600MW超临界机组受汽机本体疏水阀启闭控制方式的影响，设计时也顺其自然地用机组的设定负荷（一般是10％的额定负荷）来控制三大蒸汽管道疏水阀的启闭，即在启动机组过程中机组负荷升至10%的额定负荷时关闭三大蒸汽管道疏水阀，在停机过程中，机组负荷降至10%的额定负荷时关闭三大蒸汽管道疏水阀。

三大蒸汽管道疏水阀的启闭由机组负荷来控制时，虽然控制方式简单，但存在如下问题：

（1）从汽机冲转到机组负荷升至10％的额定负荷期间，主蒸汽管道疏水阀开启所排放的蒸汽是高温高压蒸汽，既增加热量损失，又增加高压疏水扩容器负担。

原因是机组启动时汽机允许冲转的条件是主蒸汽的过热度不能小于50℃，在此期间主蒸汽管道内已无水可疏；

（2）在停机过程中，机组低于10％的额定负荷时开启三大蒸汽管道疏水阀，锅炉与三大蒸汽管道内储存的大量高温蒸汽排入高压疏水扩容器，不仅增加机组的热量损失和高压疏水扩容器的负担，而且降低高压疏水扩容器的寿命，并可能危及机组的安全。

当机组突然解列时，蒸汽参数很高（接近机组正常运行时的参数），问题将更为突出。

某些用负荷来控制三大蒸汽管道疏水阀启闭的在役机组出了一些问题。

例如：

彭城电厂一期工程两台300MW亚临界机组自投产以来，机组启停时，大量的高温主蒸汽、再热蒸汽排入汽机本体疏水扩容器（即与凝汽器相连的疏水扩容器），引起疏水扩容器压力升高，尤其是停机时本体疏水扩容器内的蒸汽沿着汽机本体疏水管返回汽缸，继续膨胀做功，使汽机无法降至零转速（转速高达200转/分），1号机组2004年大修时发现汽机本体疏水扩容器下部有过热鼓包现象。

实际上，停机时潜在的危险性更大，原因是排入本体疏水扩容器的高温蒸汽，在喷水降温（有可能变成湿蒸汽）之后，沿着汽机本体疏水管返回汽缸，使汽机上下缸产生较大的温差，可能引起汽机大轴弯曲并在动静件之间产生摩擦，并使汽机急冷而产生较大的热应力，影响汽机的寿命，甚至造成较大的事故。

另外，GECALSTOM公司的做法是不允许三大蒸汽管道疏水排入汽机本体疏水扩容器，而是排入专设的大气式启动疏水扩容器，扩容蒸汽直接排大气。

机组启动时三大蒸汽管道疏水很大[如：

1m长的（419.1×75）mm保温管道温度升高1℃时，仅金属部分吸热一项需要的热量就与31g饱和蒸汽的凝结放热量相当，加上保温材料吸热量和管道散热量，管道金属部分升温1℃需要的蒸汽量会更多]，当然从启动疏水扩容器排入大气的蒸汽量很大，这样工质（凝结水）损失量很大，排汽噪音也大，排汽还会发生“下雨”现象，对生产环境产生不利影响。

因此，我院设计的黄石电厂2×330MW北重—ALSTOM机组在168小时满负荷试运移交试生产之前将启动疏水扩容器的排汽改排至凝汽器。

黄石电厂2×330MW机组启动疏水扩容器排汽由排大气改至凝汽器的实践为大容量机组三大蒸汽管道疏水单独设置汽水两侧与凝汽器相连的疏水扩容器提供了范例。

因此，建议600MW超临界机组三大蒸汽管道疏水引至单独设置的疏水扩容器——高压疏水扩容器，该扩容器不接受汽机本体范围内的疏水。

这样，机组启停时三大蒸汽管道疏水所产生的扩容蒸汽沿着汽机本体疏水管返回汽缸的问题得到解决。

4疏水阀启闭控制建议

鉴于主蒸汽管道疏水阀的启闭由机组负荷来控制时，从汽机冲转到机组负荷升至10％的额定负荷期间，主蒸汽管道疏水阀开启所排放的蒸汽是高温蒸汽，已失去疏水功能，显然主蒸汽管道疏水阀的启闭由机组负荷来控制不尽合理。

在此，建议用汽机侧主蒸汽管道内的蒸汽温度与直流锅炉汽水分离器出口蒸汽温度之差来控制，即在机组启动过程中，当两处的蒸汽温度之差大于50～60℃时，主蒸汽管道疏水阀自动关闭。

此时，若蒸汽参数不能满足汽机冲转要求（如：

机组极热态启动），应加大汽机旁路流量，提高主蒸汽参数，使之满足机组启动要求；在机组正常停机过程中，当两处的蒸汽温度之差小于60～50℃时，自动开启主蒸汽管道疏水阀；汽机跳闸时，除急需检修主蒸汽管道零部件开启疏水阀之外，其他情况没有必要开启疏水阀，以储存管内蒸汽及其热量,减缓管道的冷却速度，缩短机组再启动时主蒸汽管道的暖管时间及机组启动时间。

计算表明，1m（419.1×75）mm的主蒸汽管道降低1℃金属放热440kJ，在管道保温厚度硅酸铝170mm、岩棉100mm的情况下，管道温度为566℃时散热功率约为470W，管道（金属部分）降温1℃约需要15分钟，管道温度为400℃时散热功率约为260W，管道降温1℃约需要30分钟。

可见，主蒸汽管道自然散热冷却需要的时间相当长，当再考虑保温材料储存的热量时冷却时间会更长。

除主蒸汽管道发生意外进水事故外，机组停运之后要经过相当长的一段时间，主蒸汽管道中才能出现积水（主蒸汽凝结水），这也说明主蒸汽管道疏水阀的启闭没有必要用机组负荷来控制。

同样，高温再热管道管径大、管壁较厚，金属储存的热量也较多。

1m（914.4×32）mm的主管每降低1℃放热360kJ，566℃的管道散热功率约为700W，管道降温1℃约需要8分钟。

这样，汽机跳闸后在高温再热管道中储存的过热度大、压力低的高温再热蒸汽在相当长的时间里不会凝结成水。

因此，建议高温再热管道疏水阀用汽机侧高温再热管道内的蒸汽温度与低温再热管内蒸汽压力对应的饱和温度之差来控制，如果不考虑由蒸汽压力计算饱和温度，也可以用高温再热蒸汽的温度与低温再热蒸汽的温度之差来控制，即在机组启动过程中，当冷热再热蒸汽温度之差大于50～60℃（汽机配两级旁路时按50～60℃考虑，配单级旁路时此温差宜适当取大些）时，高温再热管道疏水阀自动关闭；机组停运后，当低温再热蒸汽温度之差小于60～50℃时，高温再热管道疏水阀自动开启。

对于低温再热管道仍然由疏水罐的水位控制疏水阀的启闭。

其实，汽机进水事故主要由再热器事故喷水倒流和用低温再热蒸汽加热的高压加热器管子发生爆破后高压给水倒流引起的。

建议由炉侧低温再热管道事故喷水减温器上游的蒸汽温度信号和高压加热器汽侧的水位信号超前控制高压缸排汽逆止阀下游的疏水阀，以降低汽机进水的可能性。

不过，在再热器事故喷水倒流和高压加热器管子爆破给水倒流的情况下疏水量较大，仅靠Φ76×6mm的疏水管较难排净此水。

因此，应加强措施，防止再热器事故喷水过量和高压加热器给水倒流事故发生。

如：

选用可控性好的事故喷水调节阀，以防止再热器事故喷水过量；当高压加热器汽侧水位达到高III时，高压加热器切除运行，以防止给水沿抽汽管道倒流进低温再热蒸汽管道。

总之，不用机组负荷来控制三大蒸汽管道疏水阀的启闭，可以大大缩短三大蒸汽管道疏水进入高压疏水扩容器的时间，尤其是大大缩短三大蒸汽管道内的高温蒸汽进入高压疏水扩容器的时间，甚至可以避免高温蒸汽进入高压疏水扩容器，减轻高压疏水扩容器的负担，降低热冲击的影响，从而降低焊缝开裂、扩容器鼓包、裂纹等故障发生的可能性，延长高压疏水扩容器的使用寿命。

同时，除可利用管内储存蒸汽之热量减缓管道的冷却速度以减少机组再次启动的暖管时间之外，还可避免高压疏水扩容器的低温蒸汽返回汽缸对汽机所产生的伤害。

5结论

综上所述，600MW超临界机组三大蒸汽管道疏水建议引至单独设置的疏水扩容器——高压疏水扩容器，该扩容器不接受汽机本体范围内的疏水，可解决机组启停时三大蒸汽管道疏水扩容蒸汽沿着汽机本体疏水管返回汽缸的问题。

三大蒸汽管道疏水阀的控制启闭建议为：

（1）主蒸汽管道疏水阀的启闭将过去用机组预定负荷控制改成用汽机侧主蒸汽管道内的蒸汽温度与直流锅炉汽水分离器出口蒸汽温度之差来控制；

（2）高温再热蒸汽管道在汽机处的低点设疏水罐，疏水阀的启闭控制与主蒸汽管道疏水阀类似，用汽机侧高温再热管道内的蒸汽温度与低温再热管内蒸汽压力对应的饱和温度之差来控制，为了方便，也可以用高温再热蒸汽与低温再热蒸汽的温差来控制；

（3）低温再热管道在管道的低点设疏水罐，疏水阀的启闭用现有的控制方式由疏水罐水位来控制。

主蒸汽和高温再热蒸汽管道疏水阀的启闭由用机组设定负荷控制改用蒸汽温差控制后，可大大缩短三大蒸汽管道内的高温蒸汽进入高压疏水扩容器的时间，甚至可以避免高温蒸汽进入高压疏水扩容器，减轻高压疏水扩容器的负担，降低热冲击的影响，从而降低焊缝开裂、扩容器鼓包、裂纹等故障发生的可能性，延长高压疏水扩容器的使用寿命。

同时，可利用管内储存蒸汽之热量减缓管道的冷却速度以减少机组再次启动的暖管时间，还可避免高压疏水扩容器的低温蒸汽返回汽缸对汽机所产生的伤害。

另外，汽机旁路阀（尤其是高压旁路阀）前宜设暖管，以防止旁路阀之前的疏水阀经常处于开启状态或减少旁路阀之前的疏水阀的启闭次数。