摘 要 通过分析某厂2台25MW汽轮机近年来高压加热器的运行状况及其发生故障的原因，提出了相应的技术改造措施。同时利用等效热降法,对高压加热器停运和无水位运行时的经济性进行了分析，提出高压加热器能否正常运行，对机组经济性和安全性具有十分重大的意义。
关键词 高压加热器；泄漏；疏水器；等效热降法
某厂一期2台25MW汽轮机属南京汽轮机厂生产的N25—3.43—Ⅰ型中温中压单缸凝汽式汽轮机，每台机组均配有两高两低一除氧器共五台加热器。高、低压加热器分别为JG—110—1和JD—80—V型，加热器的编号顺序从高加到低加为5号—1号，加热器均配有浮子式疏水器。机组正常运行时，高压加热器疏水逐级自流到除氧器，低压加热器疏水逐级自流到凝汽器。
1 高压加热器结构：
2台高压加热器（以下简称高加）均为正置立式螺旋管式加热器,俗称盘香管式高加，从上到下共分为7组，每组之间装有3/4圆的隔板，每个隔板均是交错布置，主要目的是阻挡蒸汽，减缓汽速，增加蒸汽流程，改善过热蒸汽的对流换热传热效果。
2 故障情况：
近年来，该厂2台机组高加均不能长时间维持正常运行，主要问题是盘香管束和疏水管系以及空气管系泄漏频繁，影响了机组的正常运行，盘香管故障情况详见统计表一。
3 故障原因分析：
从故障统计表可以看出，高加不能投运的主要原因是高加盘香管、疏水管、空气管泄漏（包括疏水逐级自流口、空气逐级自流口对盘香冲刷造成的泄漏），另外，运行人员操作失
作者简介:陈功（1975-）男，副总工程师，主要从事发电厂的运行管理工作。
误等也是导致高加不能正常运行的一个因素，下面就导致高加故障的主要原因分析如下:
3.1 高加疏水器故障：
| 高压加热器系统故障统计（表一） | ||||
| 泄漏时间 | 加热器号 | 泄漏部位 | 泄漏处 | 处理 |
| 20010103 | 1号机4号高压加热器 | 盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20010829 | 2号机4号高压加热器 | 盘香管破裂 | 2 | 堵管 |
| 20020105 | 1号机5号高压加热器 | 高加底部盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20020827 | 2号机4号高压加热器 | 疏水器出口管漏 | 1 | 补焊 |
| 20021120 | 1号机4号高压加热器 | 第2组盘香管有4×6mm的裂口 | 1 | 补焊 |
| 20030318 | 1号机5号高压加热器 | 第4组盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20030321 | 2号机4号高压加热器 | 第1组盘香管破裂 | 2 | 补焊 |
| 20030410 | 1号机4号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
| 20030414 | 2号机4号高压加热器 | 第1组盘香管有12×15裂口 | 1 | 更换 |
| 20030503 | 1号机5号高压加热器 | 盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20030604 | 1号机5号高压加热器 | 第4组盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20031010 | 1号机4号高压加热器 | 第5组盘香管有3×3mm的裂口 | 1 | 补焊 |
| 20031013 | 2号机4号高压加热器 | 第2组盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20031027 | 2号机4号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
| 20031112 | 2号机5号高压加热器 | 第2组盘香管有2×4mm的裂口 | 1 | 补焊 |
| 20031229 | 2号机4号高压加热器 | 第2组盘香管破裂 | 1 | 补焊 |
| 20031229 | 2号机5号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
| 20040204 | 2号机5号高压加热器 | 第2、3、4组盘香管破裂 | 3 | 补焊 |
| 20040205 | 1号机4号高压加热器 | 第5组盘香管破裂（空气串联正对处） | 2 | 堵管 |
| 20040205 | 1号机5号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
| 20040214 | 2号机4号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
| 20040218 | 2号机4号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
| 20040308 | 2号机4号高压加热器 | 盘香管泄漏 | 1 | 补焊 |
从表一来看，高加泄漏主要是由于外层盘香管被长期冲刷导致而成的。该厂高加采用的是目前基本淘汰的浮子式疏水器，该疏水器在运行中易卡涩，失去调节作用，导致高加长期无水位运行。当高加无水位运行时，容积流量增加，蒸汽流速增加，形成加速流动的汽水混和物对其盘香管外侧管束进行冲刷，引起管束冲蚀性破坏，导致高加泄漏。其实高加维持水位运行还有间接的效益，加热器无水位运行的状态有两种：一种是进入加热器的蒸汽量刚好等于疏水量，也就是说排走的疏水中没有蒸汽；另一种是排走的疏水中有一部分蒸汽形成汽液两相流。在这两种情况中，出现前者的情况是及少的，刚好属于临界状态；后者才是普遍的现象，因而疏水管中出现的汽液两相流体导致疏水管冲蚀损坏严重，经统计在2002年8月至2004年5月不到二年时间里疏水管泄漏达15次之多，检修时发现管道及弯头部分地方已不足1mm。因而高加无水位运行是造成盘香管泄漏和疏水系统泄漏的主要原因。从而出现处理了这层泄漏，过一段时间，另外一层又泄漏的情况。
3.2 高加投入或退出运行时，温度变化率大：
高加投入运行时，一般机组带负荷时才给高加注水，没有预暖过程，使得高加管束温度从常温迅速升高到除氧器出口水温105℃左右，高加汽侧投入运行时，通常是一次全开高加进汽门，使得高加各部位的温度再次迅速上升。高加一般在机组带负荷12MW左右时退出汽侧运行，这时高加水侧未退出运行，相当于温度较低的给水对管束强制冷却。此时，原来均匀的温度场因汽侧温度快速变化而变得很不均匀，引起高加管束壁温大幅度变化，产生相应的热应力，使管束最薄弱的部位产生破裂而造成泄漏。而管系最薄弱部位通常是[1]：（1）应力集中部位；（2）汽水内外冲刷或腐蚀较严重的部位，如弯管处、疏水、空气进出口管处；（3）管系金属强度薄弱部位；（4）制造质量或金属材质较差部位。
3.3 空气管系统故障：
该机组高加空气采用逐级排放，在2003年一年时间里高加空气管泄漏14次，同时4号加热器空气串联口正对盘香管处泄漏3次。在查找4号加热器空气串联口处盘香管泄漏原因时发现空气串联管无节流孔板，这就导致大量压力高的5号加热器蒸汽串入4号加热器，不但造成机组效率下降，而且在大量蒸汽长期冲刷下造成空气管泄漏。由于空气管泄漏部位较为特殊，因而处理泄漏时，均需停运高加。
4 技术改造措施：
4.1 疏水器改造：
4.1.1自调节液位控制装置简介：
通过对前面故障原因的分析可知，高加以及附属系统频繁泄漏，主要是由于高加长期无水位造成的。该厂所用浮子式疏水器属淘汰产品，易出现卡涩，导致高加常常无水位运行。因此，通过分析论证和借鉴兄弟厂的成功经验，最后决定对原浮子式疏水器更换为技术成熟的自调节液位控制装置。自调节液位控制装置克服了传统的浮子式、气动式等液位调节产品的缺点，基于“汽液两相流”的原理，自动调节容器出口流量，从而达到相对稳定的液位。其结构见图1。
图1自调节液位控制装置结构图4.1.2系统改造：
配合1、2号机组大、小修对两台机组疏水器先后进行了改造，改造系统如图2所示。改造时，高加原有疏水系统未做大的调整，只在原系统上增加了信号筒和把原疏水器更换为自调节器。
4.1.3改造效果：
通过对两台机组高加疏水器的改造，至今高加运行良好，且在机组负荷50%—100%范围内都能实现稳定控制，保持高加水位在规定范围内运行，增强了机组变工况运行和回热系统的适应性，同时提高了机组热效率和机组的安全性；另外，由于新加装的汽液两相流调节装置无机械电气元件，减少了检修人员及运行人员的工作量。
4.2 加热器运行方式调整：
机组启动时，要给高加注水，此时给水温度为105℃左右（除氧器水温），利用水侧及管道放水门缓慢提高水侧温度，将温升率控制在（1.5~2）℃/min。在机组负荷为12MW时，高加汽侧投入运行，待高加水侧温度均匀稳定后，再手动缓慢开启高加进汽门，分数次操作，克服以前一次性全开进汽门的错误操作，严格控制给水温升率，汽侧开始投运到结束控制时间为25~30min。
高加退出运行时，应将高加与系统完全隔离，使其自然冷却。高加汽侧退出运行时，采用与汽侧投运时完全相反的操作步骤，并严格控制温降率在（1~1.5）℃/min。同时还应做到水、汽侧同时退出运行。
4.3 空气管系统改造：
根据故障原因分析，在4号加热器空气串联口加装均流板，防止蒸汽直接冲刷高加盘香管。同时根据设计要求，重新对空气管路加装节流孔板，为了防止蒸汽带水加重对高加盘香管的冲蚀，因而对空气管路进行了保温，防止蒸汽凝结，加重冲蚀。
国产高加空气管设计多采用逐级自流，最后送到冷凝器的方案。国外引进机组有的不采用此方法，理由是加热器聚集过多的不凝结气体，不仅影响热交换，而且造成局部温差过大，会对金属产生不良影响，同时根据加热器相关理论[2]：每个高加应连续的排放空气，并各自单独地接到扩容器、除氧器或凝汽器中去，而不推荐把排汽管连接到一个总管上，如企图节省热量，把空气从一个高加排放到下一级高加，是错误的方法，将会使空气膜层大大增加，特别是在最后一级高加；不仅影响传热，还将降低管子寿命。因此，建议结合生产实际对高加空气系统进行改造。
4.4 疏水管系统改造：
疏水系统故障频繁，主要是由于加热器长期无水位运行所致。由于疏水管冲蚀较为严重，结合机组检修对高加疏水管重新全部进行了更换，弯头用不锈钢弯头代替碳钢弯头，同时做到定期检查及时更换。
另外，根据空气系统改造的成功经验，对疏水由5号加热器逐级自流到4号加热器的疏水口对应的盘香管加装均流板，减缓疏水流动，防止疏水直接冲蚀盘香管。
5 经济性评价：
高加无水位运行是造成高加系统故障的主要原因，而高加盘香管、疏水管、空气管等系统泄漏检修时，往往需要同时停运两台高加，故下面利用等效热降法对高加系统故障时高加停运检修及高加无水位运行的经济性进行分析。“等效热降法[3]”在60年代后期由苏联学者库兹涅夫首先提出，70年代传入我国后，经西安交通大学的研究，得到了拓展，该方法以其快速、准确、简捷的特点成为火电厂热力系统局部定量分析的重要工具。在机组经济性分析中，等效热降法对于诊断电厂能量损耗的场所和设备，查明能量损耗的大小，发现机组存在的缺陷和问题，指出节能改造的途径与措施，以及评定机组的完善程度和挖掘节能潜力等，都是重要的技术手段。
根据等效热降理论，计算抽汽等效热降及抽汽效率的公式为：
说明：①如果№j为汇集式加热器，则式中均以代替；如果№j为疏水自流式加热器，则从j以下直到（包括）汇集式加热器，则式中用代替；而在汇集式加热器以下，无论是汇集式或疏水放流式加热器，则一律以代替。②r、qj、hj，分别为加热器j后更低压力抽汽口脚码、加热器j中1kg抽汽的放热量、加热器j对应的1kg抽汽的焓。
利用等效热降理论，25MW机组抽汽等效热降及效率结果如表四，详细计算过程略。
抽汽等效热降、效率及相关参数 表四
| | 抽汽等效热降 抽汽效率 抽汽焓 给水焓升 Hj（kJ/kg） ηj（%） hj（kJ/kg） τj（kJ/kg） |
| 5抽 4抽 3抽 2抽 1抽 | 184.72 0.08378 2482.65 119.2 311.08 0.13892 2629.48 112.54 379.75 0.1675 2703.29 59.16 478.77 0.2104 2832.24 97.97 614.25 0.26674 2996.58 135.32 |
5.1 两台高加停运：
由于高加故障，在停运检修时，往往是两台高加同时停运，虽然在新蒸汽流量保持不变，且汽轮机通流能力又不允许时，停运高加将获得可观的超额功率，但是高加停运后将使热经济性降低。下面以两台高加停运为例对其经济性的影响进行分析。
把锅炉视为汇集式加热器，上面提到的等效热降计算公式同样适用于新蒸汽。
新蒸汽毛等效热降:
式中 
—1kg新蒸汽焓，查水和水蒸汽热力性质图表，得 =3304.22[kJ/kg]
—1kg新蒸汽焓，查水和水蒸汽热力性质图表，得 =3304.22[kJ/kg]
—1kg蒸汽排汽焓，查表得， =2294.37[kJ/kg]扣除各种附加损失ΣΠ= 9.62[kJ/kg]（如轴封渗漏、散热损失等，各种附加损失，同样可用等效热降法计算，此处略计算过程）。
则，新蒸汽净等效热降H：
5.2 高加无水位运
高加无水位运行，蒸汽经疏水管串入低一级加热器，虽然蒸汽和热量没有出系统，没有发生明显的热量和工质损失，但是蒸汽的品位能级却由高变低，能量发生了贬值，因而热经济性降低。设由于高加无水位运行和空气串联管节流孔板冲刷造成的串汽率为15%。根据等效热降理论，新蒸汽作功变化情况可用等效热降理论来分析，其计算公式为： 
因此，加热器无水位运行，则装置效率总体降低为：
通过以上计算分析，可见高加停运和无水位运行，对机组经济性和发电煤耗影响非常严重，再加上高加系统故障检修所需人工和材料费用，损失相当可观，因此在日常运行维护中要引起高度重视。
6 结论：
通过对该厂高加系统故障分析，指出造成该厂高加系统故障停运的原因主要有：（1）高加疏水器故障；（2）高加盘香管泄漏；（3）高加疏水及空气系统泄漏；（4）运行人员操作失误等。同时指出，高加疏水器故障导致无水位运行是造成高加系统故障频繁的主要原因，而且在处理泄漏时，两台高加均要停运或一台停运，不但影响了高加的投入率，而且导致煤耗升高，减少机组发电量。
针对以上原因，提出以下技改措施：（1）对疏水器进行改造，采用新型汽液两相流自动调节器；（2）高加投入或退出运行时严格按操作规程；（3）对空气系统加装节流孔板和进行保温；（4）对疏水系统加装均流板和对管系及弯头进行更换。
另外，对高加停运检修和高加无水位运行的经济性进行了分析，使工程技术人员能更加明确的认识到保证高加系统正常运行的重大意义。通过改造，该厂加热器运行稳定，故障率大幅下降，不但提高了机组经济性和安全性，而且减少了维护量，效果十分显著，可供同型机组借鉴和推广。
参 考 文 献
[1]谢诞梅,等.某热电厂200MW汽轮机组高压加热器故障分析及对策[J].热力发电，2004,33(3):44~46.
[2]蔡锡琮.高压给水加热器[M].北京:水利电力出版社,1995年.
[3]严俊杰,等.火电厂热力系统经济性诊断理论及应用[M].西安：西安交通大学出版社，2000年.
作者：cheng
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