1、第九講 汽輪機輔助設備 及系統的故障分析與診斷第一節回熱系統的故障特性分析一、給水回熱加熱與火力發電廠安全經濟運行 回熱加熱系統是現代化火電機組主要熱力系統之一，它由高壓加熱器、除氧器、低壓加熱器及連接管道和閥門組成。其中的高壓加熱器在高溫、高壓條件下工作。長期以來，由于設計、制造、安裝和運行等各方面的原因，高壓加熱器系統的故障頻繁出現、投人率低，已成為影響大機組等效可用系數的第二位因素，僅次于鍋爐爆管。就是在高壓加熱器的有限的投入率下，由于給水側短路現象的存在，給水溫度也會嚴重偏離對應負荷下的給水溫度，嚴重影響了大機組高效低耗優越性的正常發揮，甚至威脅主機或其他設備的安全運行，引起嚴重的設備

2、損壞故障。 對于發電廠的鍋爐來說，給水溫度是其設計的重要參數之一。進入鍋爐的給水溫度的變化會影響鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器等各部位的吸熱量分，同時也影響鍋爐內各部位的溫度分布，影響鍋爐的燃燒情況。如果給水加熱的一部分不能投人運行(如高加停運)，就會影響鍋爐的正常運行，甚至導致鍋爐故障。 很多發電廠的汽輪機，其隔板、噴嘴、葉片等，是按有抽汽供給給水加熱器的情況設計的。在一定負荷下如果給水加熱器的一部分停運，減少了抽汽，就可能造成汽輪機一部分隔板、葉片等部件所受的力超過設計允許值。所以，有些汽輪機對停用加熱器時的機組發電出力有所限制，如國產125MW和200MW機組在高壓加熱器停用時要限制負荷10

3、。但也有一些機組，加熱器停用時機組發電出力不受限制，甚至有的機組還允許在停用加熱器時超出力運行。1 給水加熱器不能正常運行，還常常威脅主機或其他設備的安全運行，甚至引起嚴重的設備損壞事故。給水加熱器管系泄漏或其他原因引起加熱器汽側滿水，使水經過抽汽管道進人汽輪機，造成汽輪機汽缸變形，脹差變化，機組振動，動靜碰磨，大軸彎曲，甚至葉片斷裂等事故。這類由于加熱器故障而引起汽輪機進水的事故，在國內外發生過多起。在國內，發生過因加熱器故障，給水聯動裝置失靈，引起鍋爐斷水停爐的事故；發生過高壓加熱器的蒸汽冷卻器內部鋼管泄漏，引起高壓加熱器汽側滿水，而危急疏水門、電動進汽門、給水旁路聯成閥均失靈，汽側安全閥

4、設置不合理，以致高壓加熱器汽側殼體爆破的事故；發生過給水加熱器疏水管路沖刷泄漏，水噴向發電機，以致發電機出口電壓互感器短路的事故；發生過高壓加熱器疏水系統運行不當，疏水管道劇烈振動，被迫停機的事故；發生過疏水管道彎頭磨薄、爆破，噴出熱水燙死人的事故。 有關統計資料表明，回熱系統對電廠效率的影響很大，給水溫度降低10，熱耗率增加約04。大容量機組的高壓加熱器若不能投人運行，將使機組出力降低810，煤耗率增大35。另外，高壓加熱器發生事故還會嚴重威脅鍋爐、汽輪機的安全。所以。應用先進的診斷技術及早發現回熱系統的故障并及時采取相應措施，把故障損失降低到最小程度，提高整個電廠循環的熱經濟性，是亟待解決

5、的任務。2二、影響回熱系統可靠性的因素 在火力發電廠中，為了把鍋爐給水的溫度加熱到設計值，需要設置若干臺加熱器串聯運行。很顯然，串聯系統能否正常工作取決于系統中所有設備能否正常地執行其功能。某一設備發生故障，就會使整個系統失效，其故障率是組成系統的各部件的故障率之和。影響整個回熱系統的可靠性的因素有： (1)系統中單元數的多少。組成系統的單元(部件)數越多系統的故障率就越高。即使是各單元的可靠度很高，在單元數很多的情況下，系統的可靠度也不高。對于汽輪機組而言，隨著單機容量和主蒸汽參數的提高，回熱級數的增加，回熱系統復雜度的增加，機組可靠性將下降。 (2)系統中單元可靠度。在回熱系統中有許多單元

6、，且每一個單元的可靠度是不相同的。有些單元(如低壓加熱器)的可靠度在較長時間內可以維持較高的值，而有些單元(如高壓加熱器)的可靠度隨時間的變化下降得根快。在一個串聯系統中，可靠度最小的單元對整個系統的可靠度的影響最大。事實上，高壓加熱器的可靠性對整個回熱系統的可靠性有著決定性的影響。 (3)執行工作任務的時間。對于同一個單元或同一個系統，隨著工作時間的增加，其可靠度是逐步下降的。當可靠度下降到一定值后，系統(或單元)就不能穩定工作，這時需要通過適當的維修來提高系統(或單元)的可靠度。 (4)運行操作水平。隨著機組參數的不斷增加，高壓加熱器的單件體積也越來越大，大形鍛件和厚板材的普遍使用，致使限

7、制熱應力沖擊的要求也越來越嚴。為了避免過大的熱應力沖擊加熱器本體，造成不必要的損失，加熱器(特別是高壓加熱器)的起停應嚴格遵守溫升率和溫降率的規定。研究表明，溫升率和溫降率應控制在185min之內，最多不超過37min，溫度變化率的增大，使加熱器的故障率增加、可靠性下降、壽命縮短。3 四、提高回熱系統可靠性的技術措施 為了提高回熱加熱系統的可靠性，可采取如下幾個方面的技術措施： (1)提高系統中的單元可靠度特別是薄弱單元的可靠度。對一個串聯系統而言，系統的可靠度是各單元的可靠度的乘積。當系統中一個或若干個單元的可靠度明顯小于其他單元的可靠度時，提高這些薄弱單元的可靠度，可大大提高整個系統的可靠

8、度。提高薄弱單元可靠度的方法主要有：優化單元本身的結構；選用高強度材料；提高加工工藝水平。 (2)加強對關鍵設備的運行監測與狀態診斷。加強回熱系統中的關鍵單元(如高壓加熱器)的運行監測，實施在線診斷是提高系統可靠度的重要措施。對系統中的關鍵單元進行在線監測和診斷可以及時了解設備的當前狀態，預測設備狀態的發展趨勢，診斷出設備發生的故障，從而及時采取適當的運行和維修措施，將事故消除在萌芽狀態，達到提高系統可靠度的目的。 (3)提高運行水平。運行操作水平是影響系統可靠度的一個重要因素。運行操作水平高，可將加熱器(或閥門、管道)的關鍵零部件的應力水平控制在允許范圍內，延長系統中各單元的壽命，提高系統的

9、可靠度。在運行過程中，應嚴格控制加熱器材料的溫升率和溫降率，其中控制溫升率比控制溫降率對加熱器的可靠性更為重要。控制溫度變化率的可行方法是監視加熱器出口給水溫度的變化。 (4)設置性能可靠的保護系統。如果加熱器發生故障或傳熱管泄漏，將使高壓水漏入殼體，使正常水位發生波動，甚至水從抽汽口進人汽輪機，導致汽輪機進水。所以，為了鍋爐的連續供水和確保汽輪機的安全運行，必須對高壓加熱器系統設置保護系統。回熱加熱系統的保護系統主要有：給水旁路系統。給水旁路系統主要有大旁路和小旁路，其中大旁路系統主要用于小功率機組的高壓加熱器上，而小旁路常用于300MW及以上機組上。安全閥。當加熱器管系泄漏時，會引起汽側壓

10、力增加，當汽側壓力超過一定值時，安全閥動作，汽側迅速泄壓，可防止加熱器爆炸。4第二節 高壓加熱器的故障原因分析 導致高壓加熱器發生故障而不能正常工作的原因很多，主要體現在以下幾個方面： (1)高壓加熱器內部管系泄漏。內部泄漏是高壓加熱器最為常見的故障之一，在導致高壓加熱器停運的原因當中，內部管系泄漏列在首位。高壓加熱器出現內部泄漏時將嚴重影響汽輪機組的安全運行，如使汽輪機進水、高壓加熱器爆炸等。當高壓加熱器出現內部管系泄漏故障時，若高壓加熱器運行過程中的抽汽參數基本正常，會出現疏水水位升高或疏水調整門開度增大(或二者同時出現)，給水溫升減小，疏水溫度降低，給水進、出口壓差增大等現象。導致高壓加

11、熱器內部管系泄漏的原因主要有管束振動產生裂紋、管子與管板之間連接松動、管子腐蝕、管子磨損、超壓爆管、管子材質差和工藝不良等。 (2)疏水調節裝置、熱工自動與熱工保護裝置故障。這與設備的選型、調整、維護水平有關。若疏水調節裝置、熱工自動與熱工保護裝置(或加熱器的疏水閏)出現故障，將導致疏水閥的開度異常，可能出現兩種不同的結果。一種是加熱器滿水，淹沒管束從而導致給水溫升減小，抽汽量明顯減少，端差增加；另一種是加熱器無水位運行，疏水溫度增加，本級抽汽明顯增加，下一級抽汽量減少，同時，本級抽汽漏人下一級，降低了蒸汽的能量使用品位。 (3)排氣管道故障。當排氣管道出現故障時，加熱器內的不凝結氣體增加，傳

12、熱系數降低，致使給水端差增大。如果高壓加熱器運行投有過負荷，且各運行參數基本正常，此時，由于蒸汽的分壓力下降將導致疏水端差(下端差)略有減小。 (4)傳熱面結垢。在運行參數基本正常的情況下，當傳熱面結垢時降低了傳熱系數，致使給水端差增大，疏水端差也有所增大。 (5)高壓加熱器內部進出水側短路。當各運行參數及進出水溫度正常時，若高壓加熱器內部進水側與出水側短路，將會出現給水端差增加，給水溫度下降進、出口給水壓差減小等現象。 (6)給水水路管束堵塞。當給水水路管束堵塞時，給水端差將增加，進、出口壓差會明顯增大。 (7)抽汽管路異物堵塞。當抽汽管路中有異物時，將使蒸汽的通流面積減少，流動阻力增加，從

13、而出現給水溫升明顯減少端差顯著增加，疏水流量明顯減小的現象。 5第三節 高壓加熱器管系泄漏的故障機理分析 一、因管束振動引起的管系泄漏 1管束振動損壞的機理 具有一定彈性的管束在殼側流體擾動力的作用下會產生振動，當激振力頻率與管柬自然振動頻率或其倍數吻合時，將引起管束共振，使振幅大大增加，造成管束損壞。 管束的自然頻率取決于管束的幾何特性、管材、流體介質特性等，而殼側流體的激振頻率又與其流速及流動區域的幾何特性有關。 管束振動損壞的機理主要有：由于振動而使管子或管子與管板連接處的應力超過材料的疲勞持久極限，使管子疲勞斷裂。振動的管子在支撐隔板的管孔中與隔板金屬發生摩擦，使管壁變薄，最后導致破裂

14、。 當振幅較大時，在跨度的中間位置相鄰的管子會互相摩擦，使管子磨損或疲勞斷裂。所以，當發現管束在支撐隔板的管孔處發生磨損或在跨度中間位置處磨損或斷裂時，應考慮到管束振動損壞的可能性。 2管束振動的原因 管束振動是管殼式加熱器中普遍存在的問題，U形管高壓加熱器也不例外。管束發生振動，在運行過程中必須存在激振源。 這一激振源就是流體的流動。在換熱器中，流體分縱向流動和橫向流動，而縱向流動又分為管內縱向流動和管外縱向流動。一般情況下(除非流速極高的場合)，縱向流動所產生的激振作用很小，危害性不大，可以忽略。橫向流動產生的激振作用很大，能產生較大振幅的振動，對管子的危害也最大。63管束發生振動損壞的重

15、要位置及原因 (1)過熱蒸汽冷卻段。過熱蒸汽冷卻段是發生管束振動損壞可能性最大的區域。蒸汽冷卻段殼側是按通過過熱蒸汽來設計的，汽流設計速度比較高，一般為3040m/s。有兩種情況可能會使汽流速度大幅度增加：一種是高加超負荷，使得蒸汽的流速超過設計值；另一種是蒸汽壓力大幅度降低，蒸汽的比容增加，導致蒸汽的容積流量增加，蒸汽流速超過設計值。 (2)主凝結段。主凝結殷內的管束振動可能發生在兩個部位，即U形管彎頭處和直管段。在U形管彎頭處，管子的自由長度一般比直管段大得多，尤其是外層管子。自由長度大，則自然頻率低，容易產生共振。特別是有些臥式高壓加熱器，通常將上級疏水人口設在U形彎頭附近，疏水在那里擴

16、容蒸發，產生很大的擾動。如果疏水入口處的防沖板設計不合適，那么引起管束彎頭部分振動的可能性將更大。振動會使彎頭部分的管子破裂或折斷。直管段的振動損壞一般發生在管束支撐隔板布置不合理、管子跨度較長、殼側汽流速度較大的區域。 (3)疏水冷卻段。疏水冷卻段中殼側疏水的紊流比較大，因而產生的激振力也比較大。尤其當低水位或無水位運行時，汽水混合物以比設計值高得多的速度流經疏水冷卻段，更容易引起管束的振動。由于設計或運行上的原因若在疏水冷卻段內發生閃蒸現象，則同樣也可能引起管束的振動。7二、因腐蝕引起的管系泄漏 腐蝕損壞是高壓加熱器管束損壞的一種常見形式，尤其對碳鋼管高壓加熱器腐蝕現象更為普追。通過對發電

17、廠中近80臺高壓加熱器的調查，發現有30的設備損壞事故是由腐蝕引起的。通常所見的腐蝕種類有： (1)電化學腐蝕。換熱器的管子和其他部件均與水、蒸汽和各種介質接觸發生腐蝕，在腐蝕過程中，金屬原子失去電子及其他物質得到電子的氧化還原反應，即構成了原電池，發生電化學腐蝕。在加熱器中，表面質量的差異、內部缺陷、材質不同、所處的環境不同等都會產生金屬間的電位差異，從而引起電化學腐蝕。 (2)氧腐蝕。由于給水和蒸汽中都會溶解一定的氧，所以，加熱器在運行過程中和停運過程中都可能發生氧腐蝕。發生氧腐蝕時，金屬表面有鼓疤形成。由于腐蝕產物的不同，鼓疤的大小和顏色有較大的差異。在鼓疤下面，便是由腐蝕而形成的小坑。

18、 (3)應力腐蝕。應力腐蝕破裂是指在應力和特定腐蝕介質的共同作用下引起的金屬破壞。其特點是：大部分表面未被破壞，只有部分細裂紋穿透金屬。這種破壞可以發生在設計應力范圍內，因此，后果嚴重。影響應力腐蝕破裂的因素有：溫度、介質成分、金屬成分、應力以及零件的結構。隨著應力的增加，產生破裂的時間縮短。隨著使用溫度的提高，破裂的速度加快。在同樣的應力條件下，在單相水溶液中的腐蝕速度比有相變發生時慢。 (4)堿腐蝕。加熱器的堿腐蝕是由于水中存在游離狀態的NaOH，它在水垢或其他附著層中局部濃縮至很高的濃度時，引起了金屬的溶解。 (5)酸腐蝕。加熱器運行過程中，工作介質里會夾雜有使pH值降低的雜質，如二氧化

19、碳及有機酸等。酸腐蝕與堿腐蝕的不同之處在于它更容易引發換熱器臂子的脆性破裂，而且脆裂失效一般先于穿孔出現，它引起的損壞范圍大，危險性高。發生酸腐蝕時，管子金屬均勻減薄，無明顯的凹坑。另外，酸腐蝕的附著物很薄，一般不超過1mm，而堿腐蝕則有較厚的貝殼狀附著物。8 (6)沖刷腐蝕。如果介質中古有固體顆粒或某些部位的流速過高，則會產生沖刷腐蝕。在由腐蝕引起的加熱器故障中，沖刷腐蝕為腐蝕的主要原因。在高壓加熱器殼程蒸汽入口處，由于存在較大的水滴高速沖擊金屬表面，故此處有比較嚴重的沖刷腐蝕。另外，在折流板、支承板處，存在有相當多的冷凝液，此處的管子易產生沖刷腐蝕。研究表明，150200的冷凝液對碳錒的沖

20、刷腐蝕最為嚴重。一般來說，沖刷腐蝕只發生在流動中材料不能生成合適的保護膜的情況下。 (7)管于入口端侵蝕。管子入口端侵蝕損壞只發生在碳鋼管加熱器中，損壞部位一般限制在管束的給水入口端約200mm的范國內。入口管蠟愎蝕是一種侵蝕和腐蝕共同作用的損壞過程，其機理是管壁金屬在表面形成的氧化膜被高紊流度給水破壞帶走在這種連續不斷的過程中，金屬材料不斷損失，最終導致管子的破損。有時損壞面可以擴大到管端焊縫甚至管板。影響入口管端侵蝕損壞的主要因素有：給水pH值、臺氧量、溫度和素流度。在流動的水中，pH值上升，材料損耗速度下降。當pH值達到96時管端侵蝕現象幾乎消失。較高的溫度有利于磁性氧化鐵的形成，這種磁

21、性氧化鐵在鋼材表面形成保護膜，把腐蝕介質與金屬隔開，起到減輕腐蝕保護金屬材料的作用。因此。一般認為當給水溫度低于200左右時，才會出現明顯的侵蝕。水的紊流引起壓力波動和對管壁的沖擊，是使磁性氧化鐵膜破壞的主要原因。紊流的形成主要來自給水從進水管流入水室時的強大擾動和給水進入管束時在端部出現的收縮和脫離。這種紊流的影響一般可深入到管內約200mm。紊流度越大，對氧化膜的破壞就越迅速，因而侵蝕速度也越快。9三、因磨損引起的管系泄漏 導致高壓加熱器零部件磨損的主要原因來自于管子振動。管子發生振動時，如果振幅較大，將使相鄰的管子互相撞擊或管子撞擊殼體。大多數情況下發生在管子跨距中點，此處會產生特殊的菱

22、形磨損。另外，在折流板處，由于管孔的直徑一般比管子外徑大，所以管子可以自由運動，并在振動時產生磨損，使管壁逐漸變薄直至穿孔。 四、因超壓引起的管系泄漏 對于配用定速驅動給水泵的系統，如果只根據正常運行時的給水壓力來確定加熱器水側的設計壓力，那么，在啟動過程中或低負荷運行時，由于給水流量小，給水泵出口壓力增大，會使管束承受超過設計值的給水壓力而發生爆管。另外，由于水質問題和銅的沉積，引起管內外表面的腐蝕，削弱了管子的強度。若原設計中又沒有考慮腐蝕裕量，更是加大了管系泄漏的可能性。 在機組運行中，如高壓加熱器因故停用，給水進出口閥門關閉嚴密，而進汽閥門有泄露時，被封閉在加熱器銅管側的給水將受到漏人

23、的蒸汽的加熱，管束內的水壓將大幅度上升，從而導致加熱器爆管。10第四節汽輪機組凝汽系統的故障分析 凝汽設備是凝汽式汽輪機的一個重要組成部分。由于設計、安裝、檢修、運行機制等方面的原因，在運行過程中時常會出現凝汽器真空偏低的現象。如果凝汽器真空過低，不僅會引起蒸汽在機組中的有效焓降減小，循環熱效率下降，還會導致汽輪機排汽溫度升高，排汽缸變形和振動等故障。因此，凝汽設備的工作性能直接影響到整個汽輪機組的熱經濟性和安全性，研究凝汽設備的故障診斷具有重要意義。凝汽系統的各種故障最終都會導致真空度的下降。所以，凝汽系統工作狀態的好壞可用真空度這一綜合指標來進行評價。 凝汽器運行真空偏低的原因及特征 (1)當循環水泵出現嚴重故障時，將使循環水中斷。此時，進人凝汽器的少量冷卻水的溫升急劇增大，從而使增加，最終導致。增加，真空下降。主要故障特征為：循環水泵電動機電流為零，水泵出口壓力降至零，抽氣器抽出的空氣溫度與冷卻水進口溫度之差增加。 (2)當后軸封供汽突然中斷時，大量空氣將漏入凝