600MW直接空冷机组空冷凝结水下降管道冲击振动原因分析及处理措施

苑志军 赵佰千 冯振远 张兴凯 苏醒

摘 要：我厂一期为2*600MW亚临界空冷燃煤机组，2008年投入运行，采用斯比克（SPX）冷却技术有限公司生产的SRC型单排管机械通风直接空冷系统（ACC），单机换热面积1605780m2共8列，56台风机，每列设两个逆流单元。若空冷凝结水下降管冲击振动则直接影响机组安全运行。

关键词：空冷凝结水下降管道；冲击振动分析；处理措施

中图分类号：TK264.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0142-03

1 设备概述

陕西府谷电厂一期2×600MW直接空冷机组，一采用斯比克（SPX）冷却技术有限公司生产的SRC型单排管机械通风直接空冷系统（ACC），单机换热面积1605780m2，共8列，56台风机，每列设两个逆流单元。空冷系统自投运以来，春、冬两季的空冷凝结水下降管冲击振动频发。该现象会使管道焊口撕裂、吊架脱落，管道漏真空造成机组非停事件。

空冷凝汽器（ACC）通过向大气释放热量对汽机排汽和汽机旁路的减温减压蒸汽进行冷凝。府谷县不属于高寒地区，初设时室外空冷凝结水系统的保温做到距地面13m的高度，各列凝结水支管、横向母管和下降管13m以上部分未敷设保温，裸露部分占80%。发生冲击振动的部位在“S”型下降管转弯处。空冷岛凝结水下集箱Φ610×8mm，空冷岛凝结水支管：Φ168.3×7.1mm，Φ219.1×6.3mm，Φ273×6.3mm，Φ457×6.3mm，Φ610×6.3mm，空冷岛凝结水下降母管：Φ660×8mm。

府谷电厂的空冷系统每一列凝结水下联箱在逆流排处设两个排出口，蒸汽凝结成水后由排出口流入该列凝结水支管；1-4列和5-8列的各列凝结水支管分别在空冷岛平台下部汇成两段横向母管，每段母管接一下行的“S”型下降管，在距地面2.5m高度转为水平管道通过真空除氧器进入汽轮机排汽装置，凝结水靠自然重力回流至热井。空冷岛平台下部两横向凝结水母管在相邻的端部设有向上弯曲的“Ω”型联络管，以保持两段背压均衡。冷却元件为翅片管束。翅片管束是传热效率高、空气阻力小、性能先进、强度能满足安装、运行、维修、冲洗要求的冷却元件。采用的冷却元件为单排管方案，翅片管基管采用钢覆铝结构，基管壁厚为1.5mm，翅片采用铝翅片，厚度为0.30mm。每根管束两侧均有独立的，而并非相邻管束公用的铝盖板，盖板厚度为0.4mm。

在所有的运行条件下，翅片管束不能有水平和垂直方向变形，其翅片也不能有变形发生，翅片有足够的强度，能够承受高压水冲洗而不会遭受永久性的损伤变形。不论是空冷凝汽器内每个管束的温度是否一致，均保证在所有运行条件下，所有的管束中均充满蒸汽。冷却管束、集管和相关管道采用自排水设计，其布置应便于蒸汽的有效分配及凝结水的回收。空冷凝汽器能承受在距地面57m处的阵风的影响。冷凝器的布置不因为热膨胀或内部过压力等原因而产生过大的应力。

为了保证系统的真空气密性，冷凝器的管束、集管和蒸汽分配管道必须采用焊接连接。汽机的排汽应在整个系统的冷却管束内均匀分配。冷却管束安装在由侧板，支撑和定位装置组成的结构内，形成能够吸收热膨胀的自支撑单元，对所有管束焊缝进行泄漏试验，对于集管的进出口管道提供焊接用的接管座。集管的尺寸和形状保证蒸汽能均匀分配至所有的冷却元件，在管束入口处无腐蚀。对集管采用全焊接结构，焊接符合相关标准的规定，不采用螺纹连接及螺丝固定连接。在焊接封闭之前，集管的内外表面进行喷砂除锈处理，处理后应达到净白（按相关标准）集管外表面进行油漆防腐处理（按相应标准），充分注意管束和管板之间连接的密封。每块管束进行单独的气密性试验。管束两端应采用可靠有效的封堵，以免损坏锈蚀。

每个风机对应的冷却管束（冷却单元）应有其空气通道，以保证冷空气进入及热空气排出，凝汽器支撑钢结构的布置不影响冷空气进入凝汽器。不同冷却单元之间设隔墙，以免相邻冷却单元相互影响和相邻风机的停运而降低通风效率，隔墙便于拆装和维护，并具有一定的强度，以免由于振动而损坏。对整个凝汽器除冷凝器风道以外的缝隙，采用抗腐蚀板进行封堵，以保证凝汽器不被旁路。

我厂所用风机为技术先进，性能可靠的风机，风机的性能参数及电动机功率通过优化计算确定，风机的静压效率不低于58.9%。风机和电动机为户外型，能适应厂址地区的自然环境。空冷风机采用双速风机。顺流单元的风机减速箱有逆轉制动装置，用于逆流凝汽器的风机可以反转。风机配有防冷淬的叶片，叶片应为整体部件，严禁采用多个部件通过螺栓连接组成一个叶片。将风机叶片紧固在轮毂上，风机轮毂应为钢铸件或钢加工件。风机叶片的尖端最大线速度值不超过40.00m/s。风机不会引起其周围结构或凝汽器产生任何过大的振动，采用减震装置。风机装设相应的振动保护装置。风机配备玻璃钢钟型进风口整流罩，在整流罩上紧固镀锌钢网保护，保护网能承受1000N/m2的活动荷载。在风机旋转时，减速箱有足够的润滑油。减速箱设有防止油泄漏设施，注油后，注油孔不应有油泄漏。油位标尺位于易接近的位置。减速箱外壳坚固，由高质量铸铁制成。为适应严寒环境，减速箱内设有防止润滑油冻结的装置。

抽真空系统：抽真空系统的功能是在机组启动和正常运行时排出汽轮机、空冷凝汽器和其它辅助设备和管道中的空气，建立和维持机组真空。

抽真空系统采用3台100%容量的水环式机械真空泵，其中1台运行，1台备用，一台检修备用。一台水环式机械真空泵的抽真空能力应满足机组连续运行的要求。真空泵布置在A排外。

建立真空的抽真空设备全部运行的条件下，空冷凝汽器从当地大气压达到35kPa的时间不超过40min。

日常运行方式：风机自动投入；

目前运行状况：风机自动投入，加负荷期间，手动调整风机频率，平衡空冷各列抽真空和空冷凝结水参数，减小凝结水管道振动。

2 空冷凝结水下降管道冲击振动原因分析

机组在加负荷期间空冷岛凝结水管道有不同程度的振动。春、冬两季的空冷凝结水下降管冲击振动时有发生，自从2016年#1机组凝结水下降管各加装一组稳流器后，振动大幅度减小，振动消除约80%，#2机组凝结水下降管振动在运行期间较#1机组偏小，仅在5-8列凝结水下降管加装一只稳流器，#2机组振动很少发生。

通过机组运行时对#1、#2机空冷凝结水管道观察得出以下几点结论：

（1）冲击振动多半发生在环境温度-5℃-20℃下的机组高负荷时段，集中在春、冬季。

（2）一般表现为两根凝结水下降管中的一根发生冲击振动，而另一根运行平稳；或两根均发生，其中一根强烈，一根较弱。

（3）此类凝结水下降管的冲击振动和机组的真空严密性存在一定关系。#1机真空严密性在50-80Pa/min，#2机真空严密性在120-180Pa/min，#1机冲击振动强烈，#2机运行平稳，并非真空严密性差的机组凝结水下降管冲击振动幅度大。

机组运行时对#1、#2机空冷凝结水管道通过温度检测，空冷岛真空调整及风机频率变化（见表1）分析出管道振动的原因有以下两点：

（1）真空系统漏真空，漏入的空气被带入空冷岛使分配到各翅片管内的蒸汽不均衡，分配份额较多的管束，蒸汽凝结后温度较高，或还处于过饱和状态，含有蒸汽泡，随水流流入下降管。

（2）同一列的不同区域真空存在差别，逆流列真空最低，从该列其它风室单元流来凝结饱和水和部分带有汽泡的不饱和水，流至背压较低的逆流列时就会形成过饱和水，产生蒸汽泡，蒸汽泡来不及释放就在该列流入凝结水母管，从各列来的带有汽泡的凝结水在母管中汇合，向下流入下降管。在下降管中，蒸汽泡向下的流速低于凝结水的流速，于是原来的汽泡就会和流来的小气泡汇合使汽泡逐渐变大，流速逐渐变小，下降过程中使处于室外自然环境下的凝结水管道介质温度逐步降低；在通过管道弯头时，汽泡会受挤压，凝结水的压力相对较高，在这三重作用下，大气泡破裂，形成强烈水冲击“水锤”、管道振动现象。

凝结水在流动过程中引发的冲击振动，是由于管内存在汽水两相流，凝结水中掺杂的未凝结汽泡汇聚后破裂造成。具体的成因可以分析为以下过程：

（1）空冷同一列不同区域的蒸汽分配不均匀，冷却过程中风量、翅片管的脏污程度存在差别，因此形成各区域凝结水的过冷度不同，即凝结水的溫度不同；同一列不同区域的背压也是存在差别（差别不大）。逆流单元的蒸汽分配量最少，并在此蒸汽已接近全部凝结，并且抽空气管道在此持续抽吸作用下，因而此处背压是最低的，对应的饱和温度也最低。从两侧流来的较高温度凝结水，在逆流单元的放水口附近将达到饱和或过饱和状态，产生第一批汽泡，并顺水流向汇集管。

（2）同一机组空冷各列的蒸汽分配不均匀，由于风场的影响，不同列风量分配不均；由于沿程阻力和局部阻力的因素，真空泵对各列的抽吸能力存在差别。以上原因使各列汇集入空冷岛下部水平横管的水温存在差别，背压较高、温度较高列流入的凝结水温度高，其在相对凝结水母管的偏低背压环境下，存在达到饱和或过饱和状态可能，进而形成第二批汽泡流向“S”型凝结水下降管。

（3）空冷岛下部的两段凝结水母管间，设有均衡背压的“Ω”型联络管，两段母管的背压是一致的，但两管内的凝结水温度不同（原因：汽轮机A、B排汽装置的蒸汽流量不同、1-4列空冷单元和5-8列空冷单元的冷却状况不同），凝结水温度较高的母管内的凝结水，由于均衡背压对应的饱和温度低于或等于凝结水温度，会达到饱和或过饱和状态，在该侧的水平横向凝结水母管内形成第三批汽泡。

（4）真空系统漏真空，漏入的空气被带入空冷岛使分配到各翅片管内的蒸汽不均衡，分配份额较多的管束，蒸汽凝结后温度较高，或还处于过饱和状态，含有蒸汽泡，即第四批汽泡随水流流入下降管。

（5）因为每一列不同区域真空有差别，逆流风室真空最低，该列其它单元流来的凝结饱和水和部分带有汽泡的不饱和凝结水，流至背压较低的逆流风室时就会形成过饱和水，产生蒸汽泡，蒸汽泡来不及释放就在该列流入凝结水母管，从各列来的带有汽泡的凝结水在母管中汇合，向下流入下降管，在下降管中汽泡向下的流速低于凝结水的流速，于是原来的汽泡就会和流来的小气泡汇合使汽泡变大，流速变慢，下降过程中逐渐变大，由于凝结水管无保温，下降过程中凝结水冷却，流动转弯过程中汽泡会受挤压，越向下流，凝结水的压力相对越高，在这三重作用下，大气泡破裂，形成强烈水冲击“水锤”现象。

以上原因形成的汽泡达到一定的数量，在流经“S”弯下降管过程中，水流的速度大于汽泡下行速度，汽泡会形成拥集、汇聚由小变大，下降管的“S”型设计也加剧了该过程，在携有不断汇聚变大汽泡的凝结水流流经“S”弯时由于流速变缓，致使汽泡周围压力升高，加之凝结水下降管为裸管，凝结水温度在流动过程中是不断下降，以上因素使大汽泡在转弯处破裂形成水冲击，引发凝结水下降管发出强烈冲击声响和振动。

3 空冷凝结水下降管道冲击振动处理措施

通过分析管道振动的原因、查看现场管道布置、结合运行人员平时在调整空冷风机运行方式消除凝结水下降管道振动时的经验总结。总结出以下4种处理措施：

（1）在#1、2机空冷岛“S”型凝结水下降管道从上往下第一个拐弯处上部33m处加装稳流器（形状见图2），2016年已实施（具体位置如图1），实施后发现管道振动、响声大幅度减小，约消除80%，效果较为显著。

（2）2018年#1机组A修期间，对空冷凝结水垂直母管部分加装保温，减少气泡的形成。

（3）2018年#1机组A修期间，在“S”型凝结水下降管道从上往下数第二个拐弯19.73m上方再各加装一组稳流器（具体位置见图1），彻底消除气泡。

（4）运行人员通过手动调整风机频率手动调整风机频率，平衡空冷各列抽真空和空冷凝结水参数，避免凝结水管道振动。

4 结语

基于空冷岛在干旱水资源缺乏地区火电行业的广泛使用，空冷岛使用寿命直接影响着企业的安全、经营业绩。实践证明，上述总结出的处理方法，大大提升了空冷岛健康运行水平，消除了设备安全隐患，为机组安全经济运行提供可靠保障。