【收藏】汽轮机疏水系统
汽轮机疏水系统是指在汽轮机本体设备( 内缸、外缸、隔板套、主汽门及调门等) 及相关管道( 主再蒸汽、导汽、排汽、抽汽及轴封汽等管道) 的低点部位设置疏水管，在汽轮机启动、稳定运行、负荷变动、甩负荷、停机等过程中，通过合理控制疏水阀，排放内部积水，防止汽轮机设备及相关管道进水或者冷蒸汽回流，保证汽轮机设备安全。同时，为了更好的提高汽轮机设备正常运行的经济性，疏水系统还一定要能减少疏水介质及热量损失。当前，汽轮机设备的进汽参数慢慢的升高，单机容量不断增大，汽轮机的结构和运行控制慢慢的变精细和复杂，这对汽轮机疏水系统的设计提出了更高的要求。近些年来汽轮机设备汽缸上下温差高、抽汽管道存在积水、汽轮机跳闸后转速失控、疏水口周围金属出现裂纹或发生泄漏等现象时有发生，有必要对汽轮机疏水系统存在的问题进行梳理和分析，研究相应对策，防止汽轮机设备损坏。
汽轮机疏水系统的设计原则是: 要求汽轮机在启动、稳定运行、变负荷、故障、停机、热态备用等各种工况下，能够及时排放汽轮机设备及相关管道内部的积水，并防止其进水或者冷蒸汽回流。通常在汽轮机冷态启动( 暖机、暖管) 时或者管道隔离状态下，其内部蒸汽会冷凝而出现积水; 当管道中蒸汽减温器工作不正常时，会给管道带来积水。主再蒸汽管道若有积水，会带入汽轮机; 抽汽管道若存在积水，当汽轮机跳闸时积水会汽化并回流到汽轮机; 当疏水管道出现压力倒挂时，会造成积水回流或者冷蒸汽回流。疏水系统模块设计应做到:
（2）在合适部位设计有用于监测、报警和控制积水、进水、冷蒸汽回流的仪器仪表( 如液位开关、温度传感器等) ;
（3）设计合理的联锁保护逻辑，经过控制疏水阀开关，防止汽轮机在各种工况下积水、进水或者冷蒸汽回流;
某电厂1号、2号机组系300MW 引进型亚临界机组，机组空转或停机后中压缸上下温差一般在50℃～60℃，最大达到86℃ ; 另一电厂1号机组为 300MW机组，首次启动停机后高压内缸上下温差达110℃，高压外缸上下以及中压缸上下温差均达到150℃，严重超出运行规范要求，影响机组再次启动。分析原因为: 高压缸、中压缸的疏水与其它高压管道的疏水连接到同一疏水集管，在停机后或机组空转时汽缸处于真空状态，而疏水集管内因其它高压管道疏水形成压力，造成冷蒸汽通过汽缸疏水管回流到汽缸，引起汽缸上下温差大。
采用西门子技术的超超临界汽轮机，中压调门后的扩散器在底部疏水孔位置普遍出现纵向裂纹，造成再热蒸汽泄漏到中压内外缸夹层，影响机组经济性和安全性。检查某电厂1000MW汽轮机中压调门后扩散器的疏水管设计，左右两根疏水管各自从中压调门后扩散器的底部疏水孔引出，向下布置后合并到一起，再通过一个靠近疏水集管的疏水阀连接到疏水集管，同时，高压缸系统的6路疏水管也连接到该疏水集管。按照疏水控制逻辑，在机组负荷低于20% 或者跳闸时，汽轮机疏水阀自动打开，其它工况运行时，这些疏水阀关闭，也可以手动打开。由于中压调门后的疏水管较长，在疏水阀关闭时，疏水管内部蒸汽因冷却而积有凝结水，此时若机组跳闸，因高压缸内部压力较高，6 路疏水同时排放会使疏水集管内的压力迅速升高，而中压缸与低压缸( 凝汽器) 相通，压力迅速下降到真空，当中压调门后的疏水阀打开时，因疏水集管内的压力高于中压缸内压力，造成疏水管内的凝结水倒流，直接回流到中压调门后扩散器底部的疏水孔，引起底部材料温度激变，造成极高的温度应力。如果机组经常发生高负荷跳闸，极易造成扩散器底部材料应力疲劳而产生裂纹。
某电厂3号机组系600MW 亚临界、一次再热、三缸四排汽凝汽式汽轮机，在基建调试期间发生过一次350MW负荷下汽轮机跳闸，再次启动后发现低压B转子5/6号轴振由跳闸前的30/30μm 左右增高到100/70μm，当时怀疑转子上可能有部件掉落，由于机组振动不是很高，并且其它运行参数正常，就没有开缸检查，仅通过动平衡加以控制。在机组运行1年后开缸检查，发现低压 A、B 转子的汽侧第3级动叶上有多组围带受到磨损，其中B转子有4组围带脱落，该级动叶正好位于第6 级抽汽口前。分析原因为: 第6级抽汽管道存在积水，在机组跳闸后饱和水汽化回流到汽缸，冲击转子动叶造成部分围带脱落。检查第6级抽汽管道布置，从低压缸下部经凝汽器引出后水平布置，因前方空间受阻，管道向上弯曲，跨过干扰后再弯回水平布置，形成一个拱形，在拱形上游的水平管段底部原来设计有疏水管，但现场检查发现没安装。当时6号低加因正常疏水管故障没有投入运行，抽汽阀处于关闭状态，造成该处管段底部存有积水，由于该处管段顶部和底部没有设计温度测点，因而也无法发现内部有积水情况。
某化工厂自备电厂1号机组系50MW 双抽凝汽式汽轮机，型号CC50- 8.83 /5.1 /0.67，在一次调试中发现调门油动机漏油，就地打闸停机，当时负荷23.1MW，约30s 后汽轮机转速飞升至3690r/min。根据设计，当机组负荷大于25%( 12.5MW) 时自动关闭抽汽逆止阀前的疏水阀，当时工业抽汽和回热抽汽均未投入运行，抽汽逆止阀处于关闭状态，造成逆止阀前的蒸汽供热管道存有积水，机组跳闸后这些饱和水汽化，蒸汽倒流回汽轮机引起转速失控。
某9E 联合循环燃气轮机，其汽轮机型号为LZN55-5.6 /0.65，因主汽调门严密性问题解体检查，左右两侧调门均发现阀座前的疏水口周围金属出现大量龟状裂纹，裂纹很深且已扩展到阀座密封面。该汽轮机的主汽阀设计有气动旁路阀，气动旁路阀后面的旁路管上设计有疏水管，该疏水管与调门阀座前的疏水管合并，左右两侧疏水管再次合并，这样共有 4 根疏水管合并在一起，通过一个疏水阀连接到疏水扩容器。主汽调门内部设置有蒸汽滤网，而阀座前的疏水口正好位于该滤网的下游侧。机组正常运行时，气动旁路阀及疏水阀均关闭，因疏水管本身的散热作用，疏水管内部蒸汽会慢慢冷却下来形成少量凝结水，在调门滤网压差作用下，凝结水会在调门阀座前的疏水口溢出，溢出的凝结水又马上被高温蒸干，使得疏水口周围金属长期受温度交变作用，从而出现疲劳裂纹。
某电厂1号机组系1000MW 超超临界汽轮机，第4级抽汽管道在机组投运 1 年后发生泄漏，漏汽点位于去给水泵汽轮机支管前的垂直管段上，在泄漏部位上游( 下方) 的垂直管段上接入一根疏水管，该疏水来自4抽供向辅助蒸汽的管道，这样的疏水转注设计是为了简化系统减少疏水阀。在汽轮机低负荷运行时，因4抽压力低，难以向辅助蒸汽母管供汽，该供汽管道实际处于隔离状态; 当机组在高负荷时，如果本机4抽不向辅助蒸汽母管供汽，该段管道也处于隔离状态。由于管道散热作用，内部蒸汽会冷凝而产生少量疏水，当疏水被转注到4抽垂直管段上后，因4抽管道内蒸汽流速较高，这点疏水被高速汽流冲刷到下游( 上方) ，贴在管壁上迅速蒸干，造成下游管壁温度交变，引起应力疲劳。停机后割管检查发现，该疏水转注孔下游管道内壁上存在大量疲劳裂纹。
某电厂3号机组系600MW亚临界汽轮机，设计有50%容量高压和低压 2 级旁路。为了给低压旁路暖管，从再热热段上游引出一根小管连接到低压旁路阀前，高温蒸汽经这根小管流到低压旁路阀前，再经低压旁路进口管返回到再热热段。机组投运半年后发现再热热段上的管接座焊缝发生泄漏，出现多条裂纹。经分析，由于再热热段管径大，从暖管引出点至低旁叉管处压差很小，造成暖管内部的蒸汽流量非常小，由于暖管本身的散热作用，管内蒸汽会冷却形成少量凝结水。由于暖管布置在主管道上方，凝结水倒流回再热热段上的管接座后被蒸干，引起管接座焊缝温度交变，产生应力疲劳。现场测量暖管外壁温度，发现低于相应蒸汽压力下的饱和温度，证实了管道内部存在冷凝水。
某电厂2号机组系1000MW超超临界汽轮机，左右两侧再热热段管道的底端设置有疏水罐，其筒体直径203 ×15.09mm，长度920mm，每个疏水罐配有 个浮球式液位开关。机组运行1年半后B侧管道的疏水罐筒体下部发生泄漏，泄漏点位于液位开关下引出管正下方约100mm 处。更换疏水罐后解剖泄漏筒体，发现筒体内壁泄漏部位存在大量环向裂纹，环向裂纹上部还发现有纵向微裂纹，在液位开关引出管口部也发现有裂纹。分析裂纹产生原因: 机组在冷态启动、升负荷及正常运行过程中，液位开关及上下引出管被加热或因散热作用，内部的蒸汽发生冷凝，凝结水沿着引出管流回到疏水罐。由于疏水罐筒体温度比较高，流入的凝结水引起引出管口部及其下部筒体产生温度交变应力，随着机组多次启停和长时间运行，造成引出管口部出现裂纹，筒体内壁也产生纵向疲劳裂纹。机组正常运行时如果疏水罐液位低，疏水阀将处于关闭状态。由于疏水罐以及疏水管本身的散热作用，内部蒸汽会冷却而产生凝结水，使水位慢慢上升; 另一方面，疏水罐筒体连接在再热热段上，固定端温度高达600℃，会沿筒壁往下传导，但因散热作用而逐渐降低。如果疏水罐保温设计或者实施工程质量不理想，则疏水罐底部的温度会降低到相应蒸汽压力下的饱和温度，从而在疏水罐底部产生积水; 由于运行机组负荷变化，再热蒸汽压力也在变化，该积水液面的高低以及饱和温度也随之变化，在液面变化处，筒体金属产生交变应力，长期积水运行，引起筒体环向疲劳裂纹。机组运行时对疏水罐底部外壁温度以及液位开关引出管温度做测量，发现已经低于相应蒸汽压力下的饱和温度，证实在疏水罐底部存在积水，在液位开关引出管内部有凝结水，只是由于在疏水罐内液位很低，没有被液位开关检测到。
对于汽轮机疏水系统，安全性重于经济性。以往由于疏水阀质量、管道实施工程质量等原因，经常发生疏水阀泄漏，为减少漏汽提高经济性，对同类管道的疏水来优化合并，合并的原则是: 必须是同一台机组的同类疏水，疏水压力在不同工况下要求一致，疏水口标高要求一致等。对于疏水合并，不但要考虑疏水阀开启时的疏水情况，更要考虑在疏水阀关闭时，各疏水口的压力是否一致，否则管内凝结水会窜流到压力较低的一侧，造成该侧疏水口周围金属出现交变应力。对于不同疏水接入同一疏水集管，也必须是同一压力等级，最好是完全相等，即使这样，还应该要考虑一些特殊运行工况，如汽轮机跳闸、热态启动等，这时设备及管道内部可能处于真空状态，当疏水排放口存在压力时，一旦打开疏水阀就会引起积水回流及冷蒸汽回流。不管是疏水阀前的疏水合并，或者是在疏水阀后合并到同一疏水集管，都应仔细研究，以防止疏水窜流、积水回流及冷蒸汽回流。疏水不合并或少合并，是防止疏水窜流及冷蒸汽回流的有效措施。疏水转注是管内疏水合并的一种形式，由于疏水温度一般低于被注入管道的金属温度，少量转注过来的疏水会被蒸干，易引起疏水口附近金属产生温度交变应力，设计时应尽量避免。
汽轮机启停阶段疏水阀一般是按机组负荷来控制，当机组负荷小于一定值( 如20% ) 时疏水阀自动打开，其它工况下还根据疏水罐液位、管道上下温差等来控制。当汽轮机在冷态启动时，因金属温度低，蒸汽被冷却而产生凝结水，有必要进行疏水; 但在热态启动、停机或者跳闸时，汽缸、汽门的金属温度比较高，且汽轮机本体与凝汽器相通，处于真空状态，内部不可能会产生凝结水，而疏水集管及疏水扩容器因为其它管道的疏水往往会形成很多压力，从而存在冷蒸汽回流到汽轮机的风险。因此，汽轮机疏水阀不能简单地由机组负荷来控制，对不同地点的疏水应分不同工况来控制。建议疏水阀仅在冷态启动时按负荷来控制，其它工况下不按负荷控制，内部无积水时不需要开启; 汽缸的疏水阀在确认排放口无压力后才能打开; 对于能检测到疏水口温度和压力的地方，可以按温度是否低于相应蒸汽压力下饱和温度+10℃，来控制疏水阀开关。
监测管道积水常用的方法有: 在管道低点设置疏水罐，通过液位开关或筒壁上下温度来监测; 在管道顶部和底部布置温度测点，根据温差来监测。对于汽缸底部、主汽阀阀座、管道疏水罐及其他蒸汽供热管道可能积水的部位，也可仅依据这一些部位已有的温度测点或增加温度测点，结合内部蒸汽压力，根据温度是不是达到相应蒸汽压力下的饱和温度来判断内部有无积水。监测有无冷蒸汽通过疏水管回流，能够准确的通过相应疏水阀是否开启，疏水管进出口压力、温度及温度变动情况来判断。如果疏水管存在压力倒挂，则会引起蒸汽回流; 如果疏水阀关闭，肯定不存在蒸汽回流; 如果存在冷蒸汽回流，会使这些部位的温度下降，且下降速度明显快于其它部位，布置在管道底部、疏水集管、设备疏水口附近、管道和设备上下对称部位的温度测点均可用来监测有无冷蒸汽回流。
如果抽汽管道存在积水，在汽轮机跳闸时，存在的积水会汽化回流到汽轮机，引起转速失控或叶片损坏等事故，因此排除管道内部积水是防止水汽回流的最好办法。一方面要保证在第一个隔离阀前以及管道低点部位设置有疏水管，另一方面要能正确判断管道内部是否存有积水，通过疏水罐的液位开关、管道顶部及底部的温度测点、管道最低点处的温度测点等，来判断管道内部有无积水，并联锁控制疏水阀，排除内部积水。
汽轮机停机后如果冷蒸汽回流到汽缸，会造成汽缸上下温差高，出现汽缸变形，严重时影响汽轮机盘车和再次启动。由于汽轮机停机后内部与凝汽器相通，处于真空状态，当汽轮机内部温度还较高( 大于150℃ ) 时，内部不可能会出现凝结水，可以隔离汽轮机疏水阀，防止冷蒸汽回流。对于汽轮机本体疏水管的布置，不应与其它疏水管合并，应独立地排放到凝汽器，确保排放口处压力最低。对于汽轮机本体疏水阀的布置，还可考虑尽量接近于疏水口，以便通过高温热传导，使疏水阀前的疏水管温度高于相应蒸汽压力下的饱和温度，防止蒸汽冷凝积水，杜绝积水回流风险。
（1） 汽轮机疏水系统的设计关系到汽轮机设备正常运行的安全性和经济性，有些电厂为了更好的提高机组运行的经济性，对疏水管道来优化合并，跟着时间的推移，逐渐暴露出安全问题，必须认认真真地对待疏水合并问题，特别要注意疏水窜流与回流问题;
（2）以机组负荷来控制疏水阀的控制逻辑，使得汽轮机在冷态启动时能及时排放各处积水，但在汽轮机热态启动、跳闸、停机时，设备及管道内部无积水情况下，因汽轮机内部处于真空状态，如果打开汽轮机相关疏水阀，存在冷蒸汽回流风险;
（3）基于汽轮机在某些工况下疏水管出现冷蒸汽回流现象，需要改进汽轮机疏水管道设计以及疏水阀的控制逻辑。这些疏水管道应直接排放到凝汽器，避免连接到可能会起压的疏水集管或疏水扩容器。当汽轮机内部温度还较高时，汽轮机本体相关疏水阀可以隔离，或者在确认排放口无压力后打开;
（4）根据汽轮机汽缸底部、疏水罐底部、和相关管道底部测量的温度，结合其内部压力，对比相应蒸汽压力下的饱和温度，能够判断出这些设备内部有无积水，据此可以发出报警信号，并可作为相关疏水阀自动控制的依据;
（5）汽轮机疏水系统的疏水阀均设计有手动控制功能，加强汽轮机运行参数监视，必要时通过人工干预，开启或者关闭相应疏水阀，也是防止汽轮机设备和相关管道积水、进水及冷蒸汽回流的有效手段。
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