浅析除氧器振动原因及缓解措施

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　　摘 要
　　汽轮机给水或者凝结水中溶解的氧气和不凝结气体会对热力设备和管道造成腐蚀，并且影响传热效果，除氧器主要功能就是用来除去这些不凝结气体，为汽轮机汽水回路的重要组成部分，一旦不可用，必然导致汽轮机停机检修。本文简单介绍了我厂除氧器的结构，工作原理，功能，以近期出现的除氧器上水管线和除氧头大幅度振动事件为对象分析根本原因，并提出了相应的缓解措施，保障机组安全经济运行。
　　关键词
　　除氧器;汽锤;汽化沸腾;水锤
　　中图分类号： TM623                       文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.047
　　0 概述
　　2014年6月21日，一号机组除氧器液位低，操纵员手动小开度打开上水阀对其上水，除氧头振动很大，靠近除氧头位置的上水管线最大振幅达50厘米，导致除氧头上水管线保温层脱落如图1，因上水管线震动导致管线穿墙处大量固定砖块水泥脱落如图2，手动关闭液位控制阀后，振动现象逐渐减弱，7分钟后停止。
　　另外机组自运行以来发生过多次除氧器振动事件，如2011年10月12日、13日，机组停运后重启，用主凝泵向除氧器上水后发生了两次靠近除氧器的凝结水上水管道振动，同时与上水管道相连的除氧头也出现振动。
　　本文主要以2014年6月21日一号机组停运检修后重启时发生的除氧器振动过程为对象，分析振动根本原因力求找到缓解措施。
　　1 除氧器介绍
　　1.1 除氧器结构
　　除氧器由除氧头和水箱组成。除氧头是由坚固的钢板焊接而成，在除氧頭内部的顶端有一个喷雾室，在中部有一个喷淋盘，在喷雾室布置喷雾头，在喷淋盘上配有用于分配给水和除氧的配水盘。喷雾头的作用是将来水雾化，增加冷凝水与加热蒸汽之间的接触面积，强化换热和除氧效果。给水通过喷雾头进入除氧器，喷雾头在内部水压的作用下开启，将凝结水以很细的雾滴喷出。雾滴与加热蒸汽逆向流动，充分接触，对雾滴进行加热和除氧，当雾滴层被加热到饱和温度时，能达到很好的除氧效果。除氧头横截面如图4。
　　除氧器水箱是一个带圆穹形封头的圆筒形碳钢压力容器，负荷变化时，其容量能够保证水位的变化迅速而平稳。水箱中的水由不断进入的经过加热和除氧的新的给水代替，维持着饱和状态，机组负荷突降时，能够在一定程度上抑制内部压力的下降，除氧器还设有安全阀以防止超压。
　　1.2 除氧器功能
　　我厂除氧器的主要作用是除去给水中的氧气及其他不凝结性气体，保证给水的品质，减少腐蚀，提高传热效率。同时，除氧器本身又是给水加热系统中的一个混合式加热器，起到加热给水，提高给水温度的作用。
　　除氧器的工作原理是：一是物理除氧，即利用气体的平衡溶解度和气体转移动力学特性，分别利用享利定律和道尔顿分压定律进行除气。二是热力除氧，水中其他气体的溶解度随温度的升高而降低。
　　1.3 除氧器压力控制原理
　　除氧器运行方式分为滑压运行和定压运行。定压运行时供除氧器的回热抽气压力高于除氧器的工作压力，并设置专门的压力调节阀来节流调整。若汽轮机负荷降低到该级抽汽不能满足除氧器定压运行要求时，需切换到高一级抽汽，停止原来的抽汽，这种运行方式可以使除氧效果和给水泵的安全运行都得到保证，但是这是以牺牲热经济性为代价的。我厂除氧器采用两种方式结合运行。
　　除氧器压力太高导致除氧效果变差，压力低导致汽水共振，主给水泵入口可能压力低汽蚀损坏。除氧器顶压蒸汽的压力控制系统由2个压力控制器和3个压力控制阀以及压力变送器组成。其中，控制器1控制5%容量控制阀，控制器2控制2个50%容量蒸汽控制阀。机组低负荷启动时压力控制器控制除氧器的压力在设定值（173kPa）。当汽轮机负荷升高到75%-85%时，汽轮机抽气供应到除氧器并维持除氧器的压力。随着汽轮机抽气的供应，控制阀缓慢全关，操纵员再根据电厂总体控制程序调整除氧器压力控制器设定值（235kPa）。
　　此次小修启动期间，主蒸汽还未投运，除氧器压力是利用主给水泵自循环加热给水维持除氧器压力。
　　2 除氧器振动危害
　　2.1 除氧器管线振动的危
　　除氧器上水管道为碳钢材料，虽然具有一定的强度和韧性，但是由于管道布置较长，从三号低压加热器凝结水（94.7米标高）出口到除氧器除氧头（标高125.25），并且中途经过12处直角拐弯，当振动达到一定强度，加上共振的促进作用，管道承受交变应力，构成金属管道疲劳损伤的条件，就将在管道焊接处等薄弱部位产生裂纹甚至完全断裂，造成除氧器失效，此次除氧器振动时4#RCW泵轴承振动最大值达7.016mm/s（正常小于2.5mm/s，报警值5.5mm/s）。
　　2.2 除氧头振动危害
　　除氧头连接着喷雾头，振动造成喷雾头与凝结水分配管焊接处开裂，导致除氧器内部的喷雾头脱落，形成水柱，引起蒸汽的迅速凝结，造成水击，产生振动，长时期振动会引起其他喷头脱落，使振动加剧，形成恶性循环。同样采用喷雾压力式除氧器的山西神头第二发电厂的500MW 捷制K-500-165型四缸双背压凝汽式汽轮机组曾经发生除氧器内部的喷雾头脱落，所以除氧器振动必须引起足够重视。
　　3 振动原因分析
　　此次除氧器振动主要由于两个方面引起：
　　1）除氧器本体振动原因分析;
　　（1）除氧头汽锤振动
　　（2）除氧水箱汽水共腾
　　2）上水管线振动带动除氧头振动。
　　下面结合此次振动过程的现象，参数变化趋势逐一分析。 　　3.1 除氧器本体振动原因
　　3.1.1 除氧头振动
　　此次小修机组停运后，凝结水补水不是连续补水，在除氧器补水前，除氧器内部是一个稳态，汽水饱和（上水前除氧器温度为142.91℃，压力301.5kPa）高于正常运行时除氧器参数（温度140℃，压力235kPa），压力和温度是通过主给水泵自循环来维持的，当低温凝结水33.1℃进入除氧器后，经喷雾头喷淋到除氧器上方的喷雾室，除氧头附近蒸汽遇冷急剧凝结（其体积缩小1000倍）形成局部真空，周围的蒸汽以很高的速度向真空区冲击，局部压力升高，形成强烈汽锤冲击，产生很大的响声和振动。蒸汽凝结导致压力下降，水温大于此时压力下的飽和温度，除氧水头内的饱和水闪蒸，弥补蒸汽凝结所引起的压力下降，而主给水泵的自循环持续为这一过程提供热能。我厂主给水泵功率为4168kW，自循环运行时，将电能转化为热能加热给水，不断给除氧器内的流体补充热量，保持除氧器内部处于饱和状态，下面做一简单估算：
　　Q=mcΔT
　　Q为泵总的发热量，等于P×t=4168kW×1s;m为除氧器最大上水流量;c为水的比热容4.2kJ/kg;ΔT为除氧器上水温升（142.91-33.1）℃;
　　忽略泵的效率和管道除氧器散热等因素主给水泵自循环可以满足最大上水为9.04kg/s时，维持除氧器内部水处于饱和状态。
　　结合发生振动时除氧器的参数趋势如图5，除氧器液位低操纵员开上水阀2%开始补水，除氧头区域蒸汽遇冷急剧凝结形成局部真空，造成汽锤，除氧器压力下降而温度仍高于饱和压力对应的饱和温度，造成汽水共腾{1}，引起除氧器振动。除氧器压力下降但是温度没有改变，因此除氧器振动是由于除氧头内的汽锤和汽水共腾共同作用引起的，温差越大越明显，所以振动幅度最大的位置应该在除氧头喷雾头位置。
　　3.1.2 除氧器水箱振动
　　当低温凝结水喷入除氧头，蒸汽遇冷急剧凝结，导致除氧器内部压力降低，除氧水箱和淋水盘内高温水闪蒸，汽水共腾，引起除氧器振动，但是相对于除氧头位置高温差的地方振动程度较小，且此次振动除氧水箱下方振动也不明显。
　　3.2 除氧器上水管线振动原因
　　3.2.1 管道内部流体受阻产生水锤
　　当除氧头发生汽锤时，在喷雾头区域产生压力波，压力波的震荡阻碍除氧器上水，除氧器的内部压力还会顶住喷雾装置（与除氧器上水阀相连接的除氧头喷雾装置是由弹簧压紧的一叠不锈钢盘组成，它们在内部水压的作用下开启，喷出凝结水，喷淋头装置起到逆止阀的作用），阻止上水进入除氧器，使凝结水上水流速突然变化，另外除氧器上水管道布置较长，从除氧器上水阀到除氧器除氧头有32米，并且中途经过12处90度转弯，第三，喷雾装置损坏起不到逆止阀作用，在不上水时，除氧器内部气体进入上水管线，导致管道不满水，这点需要在除氧器停运时检查确认。这三个因素都将加剧上水管线水锤振动。
　　3.2.2 凝泵出口压力变化
　　分析此次事件过程中凝泵出口压力PI趋势，可以看出整个过程凝结水上水压力稳定，判定除氧器上水管线振动不是由于凝泵出口压力波动引起水锤振动。
　　3.3 结论
　　通过分析，再结合以往一号机组的大修，小修期间，对除氧器上水时的除氧器内部温度压力趋势图进行对比，得出此次一个最特殊的地方就是过早的投运了主给水泵自循环，导致上水前除氧器内部温度明显偏高，上水温度又低，所以温差过大是此次除氧器振动的原因。当除氧器内部温度足够高，且上水温度偏低，足够大的温度差致使除氧头喷雾装置区域产生的汽锤，汽锤的冲击足以使除氧头上喷淋装置关闭，阻碍除氧器上水，导致水锤。此次振动主要发生在除氧头和上水管线，上水管线靠近除氧头位置振动幅度最大，与分析一致。
　　4 缓解措施
　　1）低功率期间除氧器上水期间加强现场对除氧器的巡视，如果发生震动现象，立即暂停补水;
　　2）机组启动时避免过早投入主给水泵自循环导致除氧器温度过高，如果除氧器已经温度过高，那么在对其上水前，采取措施给除氧器降温减压，打开除氧气排气阀，排除一部分热量到大气或凝汽器（凝汽器真空投入的话）。
　　3）采用手动非常小流量连续的补水方式，避免除氧器温度迅速下降，确认无振动后再加大到下一个台阶，此次出现振动停止后采用通过手动缓慢每0.5%为一个输出台阶对除氧器进行补水，已证明此法可行。必要时先停运主给水泵，待除氧器降温降压后对除氧器补水。
　　4）机组停运检修时，重点对除氧器内部的喷雾头、挡汽板等易引起振动的焊接构件的焊缝连接处进行检查，必要时进行金相检查，有裂缝时及时挖补焊接。
　　5）针对可能的除氧器上水管道水锤导致振动原因，机组检修时，对除氧器每一个喷雾装置进行检查，防止上水管线不满水。
　　6）对上水管线的所有固定支架检查评估与改进，在此次振动幅度最大的地方进行加固。
　　注释：
　　{1}蒸发表面（水面）汽水共同升起，产生大量泡沫并上下波动翻腾的现象，叫汽水共腾。发生汽水共腾时，水位表内也出现泡沫，水位急剧波动，汽水界线难以分清;过热蒸汽温度急剧下降;严重时，蒸汽管道内发生水冲击。
　　参考文献
　　[1]邹正宇.CANDU-6核电厂系统与运行.常规岛系统高级课堂教材，北京：中国原子能出版社，2012：126-156页.
　　[2]臧希年.核电厂蒸汽动力转换系统，北京：原子能出版社，2010：166-177页.
　　[3]阮於珍，核电厂材料，出版地：北京：原子能出版社，2010：47-48页.
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