【摘 要】本文通過對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行中蒸汽管道積水的各類自動(dòng)檢測(cè)方法的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等方面進(jìn)行探討和比較，總結(jié)出較為可行的實(shí)施方法和控制策略，適用于大部分熱電廠汽輪機(jī)組的運(yùn)行情況。
1 汽輪機(jī)進(jìn)水的危害性
眾所周知， 國(guó)內(nèi)外的熱電領(lǐng)域曾發(fā)生過多起汽輪機(jī)進(jìn)水及進(jìn)冷蒸汽造成機(jī)組大規(guī)模故障的嚴(yán)重事故。 汽輪機(jī)組啟動(dòng)、停運(yùn)，跳閘，負(fù)荷變更時(shí)，蒸汽可能會(huì)因大幅度降溫造成部分蒸汽凝結(jié)成水， 可能會(huì)順著蒸汽流動(dòng)的方向竄進(jìn)入汽輪機(jī)汽缸內(nèi)，造成以下嚴(yán)重?fù)p害：部件局部永久變形；葉片在 水的沖擊下很容易損傷和開裂； 轉(zhuǎn)子和靜止套件之間容易產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦、碰撞；更嚴(yán)重的是，可能會(huì)產(chǎn)生*大的熱應(yīng)力，造成大軸彎曲、接合面變形等。 因此，如何對(duì)管道積水進(jìn)行可靠的自動(dòng)檢測(cè)并及時(shí)疏水， 是涉及到汽輪機(jī)組是否能安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。
2 蒸汽管道積水的原因
鍋爐運(yùn)行時(shí)，當(dāng)燃燒負(fù)荷出現(xiàn)大幅度變化，汽包達(dá)到滿水位狀態(tài)，主蒸汽溫度無法穩(wěn)定控制，此時(shí)主蒸汽管道內(nèi)容易產(chǎn)生積水， 同時(shí)還可能伴隨著冷蒸汽， 容易隨著管道進(jìn)入主汽門；鍋爐蒸發(fā)量浮動(dòng)太大，造成蒸汽成分不均勻，也可能造成主蒸汽管道積水現(xiàn)象；另外，汽輪機(jī)若處在滑停過程中，保持汽壓不變，降低汽溫，容易使蒸汽在低溫下達(dá)到飽和狀態(tài)，在管道中形成積水，積水過多可能會(huì)竄入汽輪機(jī)。
抽汽式的汽輪機(jī)組運(yùn)行中， 有可能會(huì)因各種控制問題或故障等原因，出現(xiàn)除氧器、高/低溫加熱器滿水等情況，都有可能使相應(yīng)抽汽管道產(chǎn)生積水，直接威脅到汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。汽輪機(jī)本體汽封及本體疏水系統(tǒng)，在機(jī)組剛開始啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)槠夤┢艿李A(yù)熱不夠產(chǎn)生積水。 甚至除氧器故障或漏水的情況下，也可能從汽閥桿漏氣接口倒灌至汽輪機(jī)，造成汽輪機(jī)進(jìn)水。
3 蒸汽管道積水的自動(dòng)檢測(cè)與控制
3.1 各類自動(dòng)檢測(cè)方法的比較
3.1.1 上下管壁溫差法
在蒸汽管道上設(shè)置表面熱電阻/偶，測(cè)量其上下壁的溫度（T1、T2）， 當(dāng)產(chǎn)生積水時(shí)， 上下管壁會(huì)有一定溫度差異 （T1－T2），結(jié)合主蒸汽溫度、壓力等其他參數(shù)的實(shí)時(shí)情況，以此來作為判斷條件啟動(dòng)疏水閥。 此方法也被很多熱電廠家大量采用。
（1）測(cè)點(diǎn)位置的選擇：通常情況下，主蒸汽管道的測(cè)點(diǎn)設(shè)置在電動(dòng)主蒸汽閘閥前管段及主汽門前管段上； 而抽汽管道上通常設(shè)置在抽汽逆止閥后的直管段位置。
（2）積水判斷：過熱蒸汽溫度大幅度下降，造成低溫飽和，在管道下方產(chǎn)生少量積水，下方管壁由于受到積水的影響，溫度相比上方管壁要略低一些。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)蒸汽管道上下壁溫差（T1－T2）大于 40℃，或者溫差的變化趨勢(shì)大于 5℃/min 時(shí)，可以初步判斷蒸汽管道可能帶有積水，DCS 系統(tǒng)可以 根據(jù)此參數(shù)作為條件之一參與聯(lián)鎖判斷，開啟相應(yīng)的疏水閥。
蒸汽管道上下壁溫積水判斷方法雖然較為方便， 簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)也較為明顯：由于通常蒸汽管壁較厚，測(cè)溫元件對(duì)其管內(nèi)積水的判斷較為遲緩。 產(chǎn)生積水時(shí)，其上下壁溫差值跟很多工藝參數(shù)有關(guān)，如管徑、積水厚度、蒸汽的各種參數(shù)等，還需機(jī)組人員掌握一定的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
3.1.2 疏水罐水位測(cè)量法
在蒸汽管道的低處及主蒸汽電動(dòng)閥前后、主汽門前、抽汽逆止閥前等位置設(shè)置管道疏水點(diǎn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)采用 疏 水 罐（一 般 約 為 DN150 口 徑）的 形 式，下方再接疏水管（約為 DN50），疏水管上設(shè)置可聯(lián)動(dòng)控制的疏水閥。 對(duì)疏水罐進(jìn)行水位測(cè)量，可以判斷所在蒸汽管道是否有積水。 根據(jù)目前常用的測(cè)量手段，可以用電接點(diǎn)水位計(jì)、差壓液位計(jì)、浮球液位開關(guān)等測(cè)量?jī)x表來實(shí)現(xiàn)。 由于儲(chǔ)槽液位計(jì)尺寸較大，對(duì)空間要求較高，在此不做考慮。
（1）開關(guān)量水位測(cè)量法 1（采用電接點(diǎn)水位計(jì)）：此方法主要利用水與蒸汽的導(dǎo)電特性存在明顯差異，來實(shí)現(xiàn)水位的測(cè)量，當(dāng)罐內(nèi)產(chǎn)生積水時(shí)，浸入水中的電*（*先是下端 H） 所在的儀表設(shè)備回路里對(duì)地的電阻表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，此時(shí)可以進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)水位達(dá)到上端 HH 電*時(shí)，聯(lián)鎖疏水閥進(jìn)行疏水。
采用電接點(diǎn)水位計(jì)的缺點(diǎn)主要是電*在高溫高壓環(huán)境下易損壞造成密封性問題， 接線較復(fù)雜， 對(duì)周圍空間的要求較高，不易于安裝，同時(shí)價(jià)格較為昂貴。
（2）開關(guān)量水位測(cè)量法 2（采用浮球水位開關(guān)）：這是國(guó)內(nèi)外大型機(jī)組常用的測(cè)量方法。 浮球液位開關(guān)測(cè)量原理為：若疏水罐中有積水時(shí)，通過開關(guān)的浮球隨水位變化而浮動(dòng)，觸發(fā)磁性開關(guān)輸出水位高 H、超高 HH 信號(hào)，打開疏水閥疏水并報(bào)警。 可以設(shè)置 2 個(gè)浮球液位開關(guān)，來分別實(shí)現(xiàn)高H、超高 HH 水位的接點(diǎn)信號(hào)要求。
采用浮球開關(guān)測(cè)量疏水罐水位，缺點(diǎn)主要是空間問題，對(duì)安裝的要求較高，要保證垂直安裝，水位的設(shè)定較復(fù)雜需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)試。
（3）模擬量水位測(cè)量法（采用磁性浮子液位計(jì)）：在水位的模擬量測(cè)量中，常見的有磁性浮子液位計(jì)、超聲波液位計(jì)等，考慮到經(jīng)濟(jì)性及安裝空間的要求，磁性浮子液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，以下僅對(duì)此法進(jìn)行探討。
采用磁性浮子液位計(jì)，機(jī)組人員可以從 DCS 上采集的數(shù)據(jù)觀察到罐中水位的變化趨勢(shì)，同時(shí)取壓較為方便。 但疏水罐的體積有限，在有限的空間下，罐中積水的正常情況下的水位對(duì)應(yīng)的壓力差都較小， 精度和可靠性較高的變送器品*也不一定能保證實(shí)際使用的效果。 同時(shí)，罐內(nèi)積水的密度和溫度**可能變化，一定程度上也影響了水位的測(cè)量精度。
3.1.3 疏水罐測(cè)溫法
在疏水罐上預(yù)留溫度測(cè)點(diǎn)接口，采用插入式熱電阻/偶對(duì)罐內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。 根據(jù)熱力基本理論可知，水/蒸汽在不同壓力環(huán)境下，對(duì)應(yīng)不同的水/蒸汽飽和溫度，實(shí)際測(cè)量出的罐內(nèi)介質(zhì)溫度（T3），可以與當(dāng)前蒸汽壓力下的飽和溫度理論值（T4）相比較，從而判斷出當(dāng)前介質(zhì)處于過冷、飽和或過熱狀態(tài)。
（1）采用熱電廠專用的熱套式熱電阻/偶，選配與罐體相同材質(zhì)的焊接套管，套管用焊接的方式安裝在罐體上，可以很好地滿足高溫高壓的工作環(huán)境要求，更換時(shí)直接將舊熱電阻/偶旋出，新的重新插入套管扭緊即可，非常方便維護(hù)檢修；機(jī)組人員監(jiān)控介質(zhì)溫度的變化， 有較好的操作準(zhǔn)備環(huán)境和報(bào)警心理前置環(huán)境。
（2）若當(dāng)前介質(zhì)處于過冷或飽和狀態(tài)，可以啟動(dòng)疏水閥進(jìn)行疏水。
（3）大致來看，國(guó)內(nèi)的汽輪機(jī)正常運(yùn)行下需求主蒸汽溫度的過熱度不小于 50℃。 于是汽輪機(jī)主蒸汽管道防進(jìn)水的聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)定值可以為 T4＋50℃。
疏水罐測(cè)溫法優(yōu)點(diǎn)很明顯， 在積水產(chǎn)生初期就可以及時(shí)預(yù)知， 無需像其他測(cè)量方式那樣等積水達(dá)到一定程度才有效果，但對(duì) DCS 組態(tài)整定的要求較高，需將水/蒸汽對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度曲線運(yùn)用到策略組態(tài)當(dāng)中。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，以目前工業(yè)自控系統(tǒng)的發(fā)展水平，已較容易實(shí)現(xiàn)。
3.1.4 推薦采用的測(cè)量與控制方式
綜合以上各種蒸汽管道積水測(cè)量方法的實(shí)際操作性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性來看，有以下方法及建議：
（1）主蒸汽管道積水的自動(dòng)檢測(cè)與控制。推薦采用上下壁溫差法與疏水罐測(cè)溫法結(jié)合的形式，自動(dòng)檢測(cè)主蒸汽管道的積水情況，不僅造價(jià)較低，還比單獨(dú)某種測(cè)量方法的可靠性要高很多，如圖 1 所示。

結(jié)合主蒸汽管道積水的上下壁溫差法與疏水罐測(cè)溫法結(jié)合自動(dòng)檢測(cè)方法， 主蒸汽管道防積水可以采用如圖 2 所示中的控制邏輯與策略。

（2）抽汽管道積水的自動(dòng)檢測(cè)與控制。
對(duì)于抽氣管道的積水情況， 仍采用上下壁溫差法自動(dòng)檢測(cè)，控制邏輯與策略如圖 3 所示。

3.2 疏水閥類型的選擇
可選用于蒸汽管道疏水閥的類型通常有電磁閥、電動(dòng)閥、及氣動(dòng)閥。
（1）電磁閥適用于小口徑管道，開關(guān)速度很快，但不耐電壓沖擊，頻繁動(dòng)作易損壞失效；
（2）電動(dòng)閥通常用于大管道，一般均可適應(yīng)高溫高壓環(huán)境，除了全開、全關(guān)，還可以實(shí)現(xiàn)中停，缺點(diǎn)是開關(guān)速度慢執(zhí)行機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)卡齒現(xiàn)象，不耐潮濕環(huán)境；
（3）氣動(dòng)閥對(duì)大多數(shù)氣體介質(zhì)和小管徑流體使用效果較好，成本低，維護(hù)方便。 響應(yīng)速度相比電動(dòng)閥要來得快、精度更高。 缺點(diǎn)是易受空壓氣壓力波動(dòng)的影響，需要穩(wěn)定的氣源。綜上所述，汽輪機(jī)蒸汽管道疏水閥建議選用氣動(dòng)閥，結(jié)合疏水的使用要求，采用常閉式，得氣開啟的閥門類型。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文通過對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行中蒸汽管道積水的各類自動(dòng)檢測(cè)方法的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等方面進(jìn)行探討和比較，同時(shí)結(jié)合汽輪機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)， 總結(jié)出較為可行的實(shí)施方法和控制策略，適用于大部分熱電廠汽輪機(jī)組的運(yùn)行情況，為行業(yè)內(nèi)提供一些參考。