高壓內(nèi)缸疏水管中蒸汽流速的研究.docx

1、:汽輪機(jī)技術(shù)1/高壓內(nèi)缸疏水管中蒸汽流速的研究任家福，楊鴻仁(東方汽輪機(jī)廠，四川德陽618000)摘要：早期生產(chǎn)的200MW、300MW的汽輪機(jī)其高氏部分的疏水系統(tǒng)基本上是相同的，在實(shí)際運(yùn)行中易發(fā)生疏水故障。針對(duì)這一情況，從理論上進(jìn)行了探討，以找出故障發(fā)生的原因及解決方法。關(guān)鍵詞：能源與動(dòng)力工程；汽輪機(jī)；疏水系統(tǒng)；改進(jìn)中圖分類號(hào):TK264.I文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-086X(2006)05-0340-05AppropriateSteamFlowinDrainPipesofHigh-PressureInternalCasingsRENJia-fu,YANGHong-ren(Dongf

2、angSteamTurbineWorks,Deyang618000,China)Abstract:Thehighpressuredrainagesystemsofearlymanufactured200MWand300MWturbinesarebasicallythesame,bothliabletodrainfailuresduringoperation.Keepingthisfactinmind,atheoreticaldiscussionispresentedtouncoverthesourceoftheproblemandfindawayofsolvingit.Keywords:ene

3、rgyandpowerengineering;steamturbine；flowvelocitylevel;drainagesystem;improvement1情況與問題1.1疏水管流程設(shè)置的兩種型式大型汽輪機(jī)本體的疏水系統(tǒng)由主汽管疏水、閥門疏水、高壓內(nèi)缸疏水、高壓缸疏水、中壓主汽管疏水、中壓缸疏水等構(gòu)成。由于高壓缸采用雙層缸，高IE內(nèi)缸的疏水引出見圖1。在內(nèi)缸調(diào)節(jié)級(jí)汽室進(jìn)汽管中心平面的最低處，有兩個(gè)婦。的疏水孔，以焊接的連接管與三通相接，三通匯集2路疏水到一根婦8x3的疏水管，通過特制螺母完成和法蘭連接形成密封后將疏水引出外缸。夾層內(nèi)疏水管做成螺旋狀，具有一定的彈性，以適應(yīng)內(nèi)、外缸相應(yīng)部位

4、的膨脹差異。缸外流程的設(shè)置有兩種型式：(1)初始型式(見圖2)。疏水從缸體引出后，經(jīng)閥門，到疏水母管，再由疏水母管進(jìn)入疏水?dāng)U容器，是一個(gè)簡(jiǎn)單的流程。設(shè)計(jì)于上個(gè)世紀(jì)60年代收稿日期:2006-02-20作者簡(jiǎn)介：任家福(I962-).男，高級(jí)工釋師，主要從事汽輪機(jī)的安裝與調(diào)試工作°收稿日期:2006-02-20作者簡(jiǎn)介：任家福(I962-).男，高級(jí)工釋師，主要從事汽輪機(jī)的安裝與調(diào)試工作°的中期，源于中、小型機(jī)組，并參照同期的進(jìn)口機(jī)組，大量地采用f前期200MWJOOMW和中小型機(jī)組上。I一內(nèi)缸；2噴嘴室；3-三通接頭；4一疏水管；5特制螺母；6法蘭；7外就圖1內(nèi)缸嫉水管(2

5、)改進(jìn)型式(見圖3)。約產(chǎn)生于上世紀(jì)90年代，增加了節(jié)流組件和疏水旁路。事實(shí)上可以把這種系統(tǒng)叫做控流系統(tǒng)。因?yàn)橥ㄟ^方流組件可以控制泄漏流嵐和控制孔板前的蒸汽流速，后面將通過計(jì)算來闡明這些功能。1.2存在問題1.2.1 300MW汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸疏水管出現(xiàn)過破裂現(xiàn)象前期300MW等級(jí)汽輪機(jī)有兩臺(tái)次在新機(jī)安裝試運(yùn)時(shí)出現(xiàn)夾層內(nèi)疏水管破裂泄漏，停機(jī)開缸處理。原因是制造和裝配時(shí)造成的損傷所致。因此要求制作裝焊高壓內(nèi)缸疏水管時(shí)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)操作，檢驗(yàn)時(shí)不應(yīng)發(fā)現(xiàn)有損傷。特別強(qiáng)調(diào)起吊和落下高壓內(nèi)缸時(shí)，要避免碰撞高壓內(nèi)缸疏水引出管，要避免疏水引出管端頂在高壓外缸內(nèi)壁上。恢復(fù)后投運(yùn)良好，隨后未再收到同類的故障信息。1.2

6、.2 200MW汽掄機(jī)高壓內(nèi)知疏水管爆裂DO9型總的投運(yùn)臺(tái)數(shù)約為75臺(tái)。首臺(tái)于1976年投運(yùn)，已有28年運(yùn)行史。1986年底前投運(yùn)25臺(tái)，具有18年以上的運(yùn)行史。2005年78月，1臺(tái)1986年11月投運(yùn)的DO9型200MW機(jī)組，運(yùn)行18年后發(fā)生高壓內(nèi)缸疏水管爆裂，造成強(qiáng)迫停機(jī)，故障時(shí)相關(guān)參數(shù)見表1。2005年7月29日缸外疏水管爆裂，停機(jī)。2005年7月31日處理后開機(jī)48h,缸外疏水管再次爆裂，停機(jī)。制造廠認(rèn)為可能是夾層內(nèi)疏水管破裂，因?yàn)檎{(diào)修級(jí)壓力測(cè)點(diǎn)由缸外疏水管引出，當(dāng)夾層內(nèi)疏水管破裂后，測(cè)得的壓力為夾層壓力，略高于一段抽汽壓力，經(jīng)檢查后確認(rèn)夾層內(nèi)疏水管破裂，然后開缸處理。再復(fù)查表1數(shù)據(jù)

7、看到：2005年7月28日3：00負(fù)荷217MW,調(diào)修級(jí)壓力10.6MPa正常。2005年7月28日6：00負(fù)荷148MW,調(diào)修級(jí)壓力與一抽壓力相當(dāng)判為表壞，重新評(píng)判這一數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為夾層內(nèi)疏水管在2005年7月28日6：00以前已經(jīng)破裂。1.3疏水管發(fā)生故障的基本要素水：積水、浸水可能出現(xiàn)水擊，急速汽化，溫差應(yīng)力大等危害；軟硬雜質(zhì)：硬質(zhì)顆粒會(huì)擊傷管壁，閥門，沖刷溝槽，軟雜質(zhì)還會(huì)形成堵塞；高速汽流:將加大、加重上述危害。盡管是個(gè)例信息，但并不排除有損傷，經(jīng)多年各種工況的作用造成損壞。由于國產(chǎn)200MW汽輪機(jī)設(shè)計(jì)于上世紀(jì)60年代，用現(xiàn)在的技術(shù)觀點(diǎn)來分析是可以找到進(jìn)一步提高可靠性的途徑。2流速等級(jí)

8、的計(jì)算當(dāng)汽輪機(jī)暖管、暖缸時(shí)，高壓內(nèi)缸疏水管內(nèi)的流動(dòng)為汽-水兩相流；當(dāng)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、定速，帶初負(fù)荷暖機(jī)直至關(guān)疏水門前汽-水兩相流轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝鲃?dòng)，可壓縮介質(zhì)流動(dòng)是難于準(zhǔn)確計(jì)算的，但是從工程觀點(diǎn)上評(píng)判流速等級(jí)是可以為大家公認(rèn)的。2.1簡(jiǎn)單評(píng)判法日期時(shí)間負(fù)荷/MW調(diào)節(jié)級(jí)壓力/MPa一抽壓力/MPa二抽壓力/MPa汽航夾層壓力/MPa汽在夾層溫度/MPa高壓缸壁溫度尸C內(nèi)缸內(nèi)壁內(nèi)缸外壁外缸外壁上下上下上下9：00402.81.20.550.840635033734633830627012：001155.02.11.202.04274234184254194143952005年15：001808.93.42

9、.103.44714764704754654644577月27日18：001908.73.42.053.44614&447948045846346521：0021710.64.02.454.046749648349146846445924：0021710.64.02.424.0470500488494473470470表11號(hào)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)壓力故障情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)高壓內(nèi)缸疏水管兩個(gè)閥門全開，關(guān)疏水門前，疏水管進(jìn)口的蒸汽參數(shù)見表2,并取40MW和115MW的中間點(diǎn)為關(guān)閉疏水門點(diǎn)。表2疏水管各點(diǎn)參數(shù)負(fù)荷/MW調(diào)節(jié)級(jí)后壓力pJMPa調(diào)節(jié)級(jí)后溫度i,/°C疏水母管壓力p'JMPa40

10、2.8-3501155.0-4230.5(40+115)3.9（按4.0計(jì)算）390（按399計(jì)算）取0.103由pi3t查表可得比容»|=0.074m3/kg,比焙隊(duì)=3209.4kj/kgo因p'JPx=0.103/4.0=0.026,大大小于0.546,所以出現(xiàn)臨界流動(dòng)，在疏水管出門出現(xiàn)的最大流速為聲速V.ovt=V10.2x104kgptV|（1）式中曹為蒸汽絕熱指數(shù)l.3;g為重力加速度9.81m/s2o于是可求得vt=617m/s3這表明上述設(shè)計(jì)出現(xiàn)聲速，其聲速的等級(jí)取決于p,和刀。2.2用Darcy公式計(jì)算式中：y為可壓縮流體的膨脹系數(shù)，由圖4查得；d為管子內(nèi)徑

11、，mm;為進(jìn)出口壓差，MPa法為管道系統(tǒng)總阻力系數(shù)；W為流徑管道系統(tǒng)的流kg/h?，F(xiàn)場(chǎng)高壓內(nèi)缸疏水管系的參數(shù)是：管子內(nèi)徑32mm，疏水管總長15m;。32mm、90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭3只；三通1只及閥門2只。閥門全開按紊流考慮，摩擦系數(shù)/=0.022；=,=30（管道及附件的總阻力系數(shù)）?？蓧嚎s流體的y-S-Ap/pi關(guān)系見圖4。由A=1.3,E=3O查圖4可得Ap/pi=0.854（名義必=土華蟲=0.974）。=0.718Pi4進(jìn)而可求得：收=3.941X。.718x322攝福=3610kg/h對(duì)于高壓內(nèi)缸疏水管出口（管道末端）：P2=4.0-3.416=0.584MPap'Jp

12、2=0.103/0.584=0.177由Pl降至P2設(shè)定隊(duì)不變，查蒸汽性質(zhì)表可得：P2=0.584MPa,t2=371°C叫=3209.4kj/kg,“2=0-504m3/kg1.21.52.0346至Pi0.5250.5500.5930.6420.6780.722y0.6120.6310.6350.6580.6700.685e810152040100阪pi0.7500.7730.8070.8310.8770.920y0.6980.7050.7180.7180.7180.718圖4A=1.3時(shí)凹氏縮氣體特性圖y-f-p/Pl出口聲速按式（1）計(jì)算可得擴(kuò).=618.3m/so出口核算流

13、量w'=358.5L由于v=618.3m/s,d-32mm,v2=0.504m3/kg,故可得慶=3504kg/h。流M計(jì)算僅相差3%0高壓內(nèi)缸疏水管進(jìn)口的名義速度：,358.5中饑358.5x3610x0.074=3?=92.6=100m/s計(jì)算表明：（1）速度等級(jí)高，變化幅度大，并出現(xiàn)聲速,遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸汽流速30-50m/s的規(guī)定。（2）流量呼大，因而泄漏損失大。根據(jù)上述計(jì)算.可作出疏水管進(jìn)口至出口的速度變化圖（見圖5）o速度變化取決于v的變化規(guī)律，-般可以線性示意。損：3閥門開度的影響W=3.941(4)322(5)當(dāng)汽流以100600m/s的速度在疏水管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，經(jīng)常產(chǎn)生大的振

14、動(dòng)和大的噪音。在手動(dòng)疏水門上做閥門開度試驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)：閥門開度減小后，振動(dòng)和噪音隨之下降，多次試驗(yàn)就可找到一個(gè)適當(dāng)?shù)拈y門開度并將它鎖定。閥門開度減小，通過閥門的流量就會(huì)減少，通過閥門的流速雖會(huì)增加，但是閥門前的管道流速將大幅下降，因而可實(shí)現(xiàn)降低流速，保證安全的目的。但隨后又發(fā)現(xiàn)，閥門被高速汽流沖刷損傷，密封性難以保證。為了減小對(duì)閥門的損傷，顯然配置節(jié)流組件是合理的，因而在改進(jìn)型的流程就設(shè)置了節(jié)流組件。4改進(jìn)型設(shè)置的計(jì)算和評(píng)判4.1流與流速按可壓縮流體通過節(jié)流孔板的公式進(jìn)行計(jì)算：式中：c為流量系數(shù)0為節(jié)流孔徑,mm;y為流經(jīng)孔板的膨脹系數(shù)；為孔板前后的壓差，MPa;為孔板前介質(zhì)的比容,m3/kgo

15、(1)第一次試算：取p.i=Pi=4MPa;i;如=V|=0.074m3/kg;dt=8.5mm;djd=8.5/32=0.267o由有關(guān)表查得y-0.815;c=0.6;Ap/p)=0.6;Ap=2.4MPa；p板2=1.6MPa;因而W=3.941x0.815x8.5:x0.6=797kg/h=800kg/ho 孔板前管道的名義速度：E358.5x800x0.074=20.6m/s當(dāng)Pi=4MPa,<|=399時(shí)，"=0.025mPa*s,故屁=3.58：'O'"=3.6x10、流動(dòng)為全紊流，不需進(jìn)行修正計(jì)算，即選用的摩擦系數(shù)/、流量系數(shù)c均不需修

16、正。 疏水管進(jìn)口至孔板前蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生的壓Pn=由£=30,“=800kg/h,=0.074m'/kg,d=32mm,可得竹=0.08MPao因P板i=4-0.08=3.92MPa,p2=1.56MPa,故可以不進(jìn)行修正計(jì)算。 孔板后至疏水管出口的計(jì)算：由于P2=1.6MPa,ht不變,v2=0.184m'/kg,p/p氐2=0.103/1.6=0.065,所以在超臨界工況下，末端出現(xiàn)聲速擴(kuò)勇=71.3x9.81x10.2x104x1.6x0.184=618m/s所以蒸汽自孔板后到疏水管出口的流動(dòng)只能作近似描述。 流經(jīng)孔板的名義速度：358.5x800x0.074&qu

17、ot;孔板=r?=290m/s 由于孔板后管徑面積是節(jié)流孔面積的14.06倍，汽流速度產(chǎn)生瞬時(shí)下降，其速度為：290x0.184,"=14.06x0.074=51.7m/s然后因汽流的急速膨脹，流速又急劇上升，直圖5疏水管道內(nèi)介質(zhì)流速變化圖(2)計(jì)算表明： 加置孔板后，孔板前的管道汽流速度t/孔板=20.6m/s<30-50m/s(規(guī)范要求)?？装搴笾潦杷苣┒藶楦咚俣?，末端達(dá)聲速擴(kuò),。 由于孔板限制流量，使流入疏水母管的流魚大幅下降，收效顯著。5兩種流程設(shè)置的比較5.1可靠性比較（見表3）從表3可以看出：改進(jìn)型針對(duì)高速和聲速作出了有效的處理，將高速或聲速限定在孔板后至疏水母管

18、間，可靠性提高，同時(shí)將減小振動(dòng)和噪聲的影響。5.2改進(jìn)型是一種節(jié)約型設(shè)置高壓內(nèi)缸疏水管關(guān)疏水門前的流量甲:初始型3503kg/h,改進(jìn)型800kg/h,可減少2703kg/ho表3兩種流程設(shè)置的比較項(xiàng)目初始型改進(jìn)足疏水管進(jìn)口至末端孔板前為常規(guī)流速.符合規(guī)范；流速均為高速.末別為聲速。孔板后至末端為高速至聲速，閥門在高速區(qū)，易損傷.在常規(guī)流速區(qū).使用壽命長，能難以保持密封性。高速汽流加大.加保持密封性。在常規(guī)流速區(qū).危害程度大幅下水和雜質(zhì)重水和雜質(zhì)對(duì)管子的危害。陣0常加流速區(qū)爆管可能性小.孔板后高速區(qū)前期釀和改進(jìn)型相同，故障爆管要停機(jī)處理。還未得到過故障信息c如遇故障，有條件做到隔離處理.可避免強(qiáng)迫停機(jī)。因?yàn)?0%以上的雜質(zhì)、異物部清理維修停機(jī)時(shí)拆閥門吹被節(jié)流級(jí)件收集.停機(jī)時(shí)對(duì)節(jié)浪管。組件進(jìn)行清理，檢查芯件是否需更換。流入疏水母管至疏水?dāng)U容器的（不做功）流量大幅減小，一臺(tái)200MW汽輪機(jī)，啟動(dòng)時(shí)的疏水排汽包（按大至小排序）為：（1）高壓主汽管高壓閥門高壓內(nèi)缸>高排（2）中壓主汽管>中壓閥門>中壓缸本體>中排可以按疏水系統(tǒng)逐根計(jì)算，以加孔板后平均節(jié)省2000kg/h為例，啟動(dòng)至關(guān)疏水門的時(shí)間為3h,則一次啟動(dòng)節(jié)約的汽量為：3x8x2000上48t,整個(gè)電網(wǎng)總的節(jié)約汽量就可觀了。這種改進(jìn)同樣