高加疏冷段入口处冲蚀分析及防范措施

高加疏冷段入口处冲蚀分析及防范措施

蒋国兵严爱军王红霞

（南京汽轮电机集团泰兴宁兴机械有限公司江苏泰兴225442）

摘要：本文针对高压加热器改造时发现疏冷段入口处管子损坏严重的现象进行分析，并结合高压加热器结构及系统提出应对措施。

关键词：高压加热器；疏水冷却段；故障分析；应对措施

1高压加热器概述

火力发电厂的高压给水加热器（简称高加）是利用汽轮机的抽汽加热锅炉给水的装置，它可以提高电厂热效率，节约燃料，并有助于机组安全运行。

高加是火电厂的重要辅机之一，它的投运率是火电厂考核的重要经济指标之一，找出高加的故障原因，并采取针对性防范措施，对提高火电厂的运行可靠性和经济性起着很重要的作用。

高压加热器是一种换热器，两种介质（给水、抽汽）在其中进行热交换，加热器内的给水和抽汽分别沿着管子传热面运动，可有三种形式：

（1）凝结段：汽测是饱和蒸汽，传热过程中它逐渐冷凝成凝结水称为疏水。凝结段是高加的主要传热段，它的传热量和传热面积一般占总量的大部分，是高加的主体。

（2）过热蒸汽冷却段：简称过热段。具有过热段的抽汽进入加热器内的蒸汽包壳中传热，出包壳时接近饱和温度。

（3）疏水冷却段：简称疏冷段。凝结段的疏水进入疏水包壳内传热，从包壳流出时成为低于饱和温度的过冷疏水，把疏水的热量传给给水。

各区段的温度沿传热面的变化见图1

图1（a）表示凝结段的温度变化。

图1（b）高加体内有过热－凝结－疏冷段三段传热的温度变化情况。

图1（c）表示单纯凝结段的高加具有外置独立的蒸汽冷却器以及疏水冷却器的温度变化曲线，高加疏水疏向疏水冷却器。由于疏水阀节流及管道阻力等因素，疏水压力和温度下降，使部分疏水闪蒸成蒸汽，然后在疏水冷却器内重新冷凝成疏水，这是对实际情况的分析，在传热过程中往往简化而不考虑闪蒸过程。目前趋向于将三个传热面全包括在一个高加壳体内。高加的三段（即过热段、凝结段、疏冷段）均按不同的热交换模式采用先进的结构，并为其完成充分的热传递配置了恰当的传热面积，使加热器的设计更科学、合理，从而达到降低制造成本和简化管道设计的目的，大大提高电厂的热效率。

2故障分析及应对措施

就本厂近几年对改造高加的剖析，分析不少高加管子损坏发生于疏冷段入口处。故本文就管子损坏的原因及防范措施加以探讨。

首先我们先来认识一下疏水冷却段。凝结段内加热蒸汽冷凝成疏水的温度等于蒸汽压力下相应的饱和温度，它一般能比给水进口温度高出约30℃左右。设置疏冷段的目的在于利用这个温差加热给水，疏水被冷却为过冷疏水，可提高热经济性约0.06％左右。此外，疏冷段出口疏水具有过冷度，在疏水管道内不易汽化，可避免或大大减轻汽水两相流对疏水管道的冲蚀。因此大中型高加在结构上可能时都设有疏冷段。

疏冷段结构有浸没式和虹吸式。疏冷段重要的是自动调节应确保疏水水位不致过低，水位高度足以在疏冷段入口处保持水封。如水位过低而让汽、水混合物进入疏冷段，将易于损坏管子，不适当的疏水管道尺寸、疏水阀和调节整定值等都会导致失去水封。在虹吸式疏冷段若蒸汽穿过末端板管子间隙或穿过包壳漏入疏冷段，则会损坏管子，降低冷却效果，甚至破坏虹吸而使疏冷段失去作用，所以末端板必须要有足够厚度以保证流进管孔间隙的蒸汽全部凝结，包壳必须密封，并且疏冷段疏水入口和横掠第一个疏水流程的疏水流速必须很低，可在0.3～0.46m/s范围内，低速能使疏水在引起汽化的任何压力损失发生之前就冷却到低于饱和温度。

疏水冷却段位于给水入口侧，并有疏水冷却段端板和包壳在内部与加热器壳体隔开。在运行时高加保持一定的疏水水位，疏水冷却段入口靠虹吸作用将疏水引入该段从而使该段封闭，疏水进入冷却段后由一组隔板引流从疏水出口流出。

在加热器运行时保持一定的水位显然是非常重要的。如果水位过高，在发生因管束泄漏或疏水调节系统故障时将会造成汽测水位上升过快，甚至满水时壳侧的水就有可能通过抽汽管道倒流入汽轮机，引起汽轮机叶片断裂、大轴弯曲等重大事故，即使不发生此类极端的事故，水位过高也会多淹没一部分有效传热面积，给水在加热器中的吸热量就会减少，也就降低了给水的温升值，从而降低回热循环的热效率和热经济性。如水位过低，不能浸没内置式疏水冷却段的疏水入口，蒸汽就会进入疏水冷却段，影响疏水冷却段内部传热过程，虹吸水封遭到破坏，入口处形成蒸汽和水的两相流动，介质流速大大增加，对入口附近的管子、隔板等造成冲蚀，从而造成管束振动损坏；疏水冷却段不能正常工作造成疏水过冷度小，在流动过程中容易因压损造成疏水在管道内闪蒸，闪蒸后形成高速流动的汽水混合物，对管路中的弯头、阀门等造成严重的损坏。另外冷却不足的疏水进入下一级加热器排挤参数较低的抽汽，从而也使回热循环的整体热经济性降低。

在机组调试过程中我们发现，液位计控制、液位的基准是按设计要求设置的，调试也是按要求，在机组运行中监测及现场巡视均正常，为什么加热器管束发现有损坏现象呢？经过对故障的分析认为是虚假液位造成的。所谓的虚假液位就是测量及观察到的液位不是加热器的真实液位。虚假液位造成的原因有多种，主要原因例举如下：

（1）加热器汽侧通过测量孔的上部平衡管蒸汽流速过高，根据伯努力方程，则该处的静压降低，由于抽吸作用，会降低上部平衡管内的压力，使液位计的指示液位高于加热器的实际液位。

（2）上部平衡管太长，过量的凝结水通过该管的流量增加，形成压降，使液位计上的指示液位高于加热器的实际液位。

（3）安装不正确或液位计的阀门被堵塞或关闭，造成显示虚假液位。

（4）加热器内部由于汽侧压损而存在压力梯度，从而使液位有坡度，此时液位计只能反映接口处的壳侧液位。

如果按偏高的虚假液位将加热器液位调整到设计要求的正常值，则实际液位则会过低，正如上面所提到的液位过低将会使得疏水冷却段入口虹吸破坏，造成管束冲蚀与振动，并使得疏水冷却段入口前隔板处管子明显损坏。

高压加热器系统是火电机组的主要热力系统之一。长期以来，由于设计、制造、安装和运行等方面的原因，加热器泄漏的情况屡有发生，这不仅影响机组的稳发、满发，而且因给水温度下降，使整个机组的热效率降低，影响机组高效低能优越性的正常发挥。在运行中及早发现高压加热器机组的泄漏，尽早采取措施，把故障的损失降低到最小程度，以提高整个火电厂循环的经济效益，是当前摆在我们面前的紧迫任务之一。

如何避免虚假水位给加热器造成的影响呢？在设计上考虑时应尽可能将测量接口靠近疏水冷却段入口处，在液位计上部连接管在加热器内的引出处加装迷宫式多孔封板以降低蒸汽流速。在安装上应在液位平衡管加适当的保温措施，以减少温差造成的液位偏差。在运行上应考虑通过热态调试方法来确定最佳的运行水位。

另一方面，前面我们提到降低疏冷段入口的疏水流速也是有效防止冲蚀的措施之一，故需加大疏水通流面积的设计。若设计的疏水通流面积过小，或由于疏水温度过高及疏水管布置不合理造成压降太大使疏水在流动过程中汽化而造成疏水不畅，均可加大对管子的冲蚀。我公司就此问题引起了高度的重视，对原有的设计进行优化，以达到降低入口处疏水流速的目的。

另外管子材质不良、管壁厚度不均，会使管子在运行中更易受到损坏。在设计时选择管子壁厚应留有一定冲刷、腐蚀裕量，在采购时应逐根进行涡流检测，选购质量优良的换热管。另外加工工艺尤为重要，我们知道在一台高加的全部U形管组成的管束中，最小弯曲半径的U形管在管束中心部位，制造过程中弯管变形量较大，局部管壁拉薄，且运行期间高压给水对弯曲管子有离心力，弯曲半径越小，离心力越大，对管壁的冲蚀也越大，所以位于管束中心的管子也最易于损坏，当然对于高加的U形管应整根弯制，不得拼接。对弯曲半径最小的管子弯曲处的壁厚减薄量进行检查，其值不得超过原管子公称壁厚的17％，如若超过，则应采用厚于其他管子的加厚管。

卧式虹吸式疏水冷却段端板的管孔应尽可能减小，防止凝结段的蒸汽从端板与管子外壁之间的间隙中泄漏到疏水冷却段内，为保证密封，端板需要有必要的厚度。

3.结论与建议

随着火力发电厂机组向大容量高参数发展，高压加热器承受的给水压力和温度相应提高，在运行中还将受到机组负荷突变、给水泵故障、旁路切换等引起的压力和温度骤变，这些都会给高加带来损害。为此，除了在高加的设计、制造和安装时必须保证质量外，还要在运行维护等方面采取必要的措施，才能确保高加的长期安全运行。

其中主要原因是高加本身质量引起的，次要原因是运行中的水位控制不当引起的，可以认为保证制造质量及U形管材质是防止高加内漏最有决定性的因素。要使高加长期连续运行，必须保持其疏水水位在规定范围内运行，这也是确保高加经济无故障运行的基本手段之一，低水位和高水位都不利于高加的安全经济运行。

另外运行人员应加强对高加投运和停运的管理，严格控制温升及温降，做到预暖充分，水位保持正常，特别是提高高加内漏的判断能力，对高压加热器定期进行性能热力试验，能有效地发现高加系统存在的各种问题，是高加安全稳定运行的重要保证。

参考文献：

［1］蔡锡琮著，高压给水加热器，水利电力出版社，1995

［2］黄成平著，汽轮发电机运行与检修，水利电力出版社，1989

［3］朱庆玉，高压加热器常见泄漏原因及优化运行，东北电力技术，2006