高压加热器故障分析及应对措施(侯志强).doc

高级职称资格评审论文

高压加热器故障分析及应对措施

1) 高加管束泄露的发现与检查情况
2) 高压加热器的结构
3) 高压加热器液位控制目的及手段
4) 虚假液位是造成加热器管束破裂的原因
5) 减少虚假水位对加热器影响的措施
6) 加热器性能评价

设备处侯志强
2003年8月
高压加热器故障分析及应对措施

核电秦山联营有限公司 侯志强

摘要：本文针对秦山二期高压加热器在第一次停机大修中发现的部分高压加热器出现了传热管束冲刷导致破损的现象进行了分析，并结合高压加热器结构及系统提出应对措施，也阐述了已受损堵管的加热器效率评价方法。

关键词： 高压加热器 故障分析 应对措施

一、高加管束泄露的发现与检查情况
秦山二期核电第一台机组在第一次停机大修中对高压加热器管束进行例行检查，检查方法采用在壳侧充气继而在管板处涂皂泡进行检查，结果大出意料，发现有数台高压加热器管束有明显破裂迹象，尤其是B例高压加热器破损较为严重，具体漏管数量为5B加热器有23根，6B加热器有36根，7B加热器有38根，6A加热器有3根，7A加热器有2根。为彻底查明泄露原因，需要对泄露部位进行定位，又采取了涡流探伤的方法对有明显泄露迹象对的管子进行了检查，发现泄露部位处于管束下方，对最严重的泄露管子进行内窥镜检查，发现管子破裂部位呈现为冲刷造成的管外壁减薄致有放射状2mm直径圆孔。为下一步维修工作指明方向，决定对6台高压加热器管子进行涡流探伤，原则是从最下部管束开始向上扩展检查，直至管束中未有缺陷信号显示，检查结果发现缺陷管均为外壁缺陷显示，其中管子缺陷深度大于60%5B加热器有158根，6B加热器有有279根，7B加热器有85根，5A未发现缺陷管，6A有11根，7A有10根。缺陷部位在管束的纵向位置大致为5号加热器为距管板8.3米处，6号加热器为距管板5.3米处，7号加热器为距管板4.1米处。根据检查结果将缺陷深度超过60%的管束全部堵塞，防止再次发生泄露对周围管束造成影响。对上述情况进行分析，有几个问题需要得到澄清：1、为什么B列加热器管束受损比A列要严重得多？2、检查大修停机前一月运行日志，发现水位一直比较正常，那是什么原因造成管子冲刷？3、对6A与6B、7A与7B为什么缺陷位置显现为共性均在同一纵深位置？为找到加热器管束受损的真实原因，我们先来了解一下高压加热器的结构。
二、高压加热器的结构
秦山二核的高压加热器是由上海动力设备有限公司设计制造的，与同级常规火电厂高压加热器相比，核电机组的抽汽温度与压力均大大降低，给水流量却增加不少。加热器型式与结构与火电厂高压加热器相仿，不同的是未设置过热蒸汽冷却段。图一给出高压加热器的简图。
高压给水加热器为U形不锈钢传热管，双流程，卧式布置，水室采用自密封结构。壳体采用碳钢板全焊接结构件，壳体和水室是焊接结构，为便于壳体拆除，还安装了吊耳及壳体液轮，并使其运行时自由膨胀。水室为半球形小开口水室，由半球形封头和堆焊不锈钢的管板组成。U形管外径为16mm，壁厚为1.5mm，经焊接和爆炸胀与管板连接。隔板沿着整个长度方向布置，即支撑着管束并引导蒸汽沿着管束按90度方向转折流过管子，以期将蒸汽均匀分配并提高加热器效率。这些隔板又借助拉杆和定距管在纵向位置固定。在蒸汽和疏水入口处均装设了不锈钢防冲板，可使壳侧疏水和蒸汽不直接冲刷管束，以免管束遭受冲蚀。加热器壳侧由凝结段和疏水冷却段组成，进入凝结段的蒸汽，根据气体冷却原理，自动平衡，直至由饱和蒸汽冷凝成饱和的凝结水，并汇集在加热器的底部，然后流向疏水冷段。在冷凝过程中产生的不凝结气体的集聚现象影响了加热器传热管的有效传热，降低了传热效率并造成管束腐蚀（秦山一期的5号高压加热器就是由于不凝结气体大量集聚造成管束离散状点腐蚀，并不得不更换了此台加热器），收集不凝结气体的排气管必须置于管束最低压力处以及容易聚集不凝结集气体处，从管板及隔板图上很容易发现在U形管束中心位置留有不凝结气体汇集位
给水进口
压力密封
独立的分
流隔板
给水出口
管
板
疏水出口
疏冷段隔板
疏冷段吸入口
疏冷段端板
拉杆和定距管
U形管
防冲板
防冲板
蒸汽进口口
半隔板
隔板
疏水进口
图一 高 压 加 热 器 结 构 示 意 图
置，通过位于壳体上的排气接口，可连续排除此不凝结气体。疏水冷却段位于给水入口流程侧，并由疏水冷却段端板和包壳板在内部与加热器壳体隔开，在运行时加热器保持一定的疏水水位，疏水冷却段入口靠虹吸作用将疏水引入该段从而使得该段封闭，疏水进入冷却段后由一组隔板引导流动从疏水出口管疏出。
三、高压加热器液位控制目的及手段
在加热器运行时保持汽侧一定的水位显然是非常必要的。如果汽侧水位过高，在发生因管束泄露或疏水调节系统故障时将造成汽侧水位上涨过快甚至满水时，壳侧的水就有可能通过抽汽管道倒流入汽轮机，引起汽轮机叶片断裂、大轴弯曲等重大事故，即使不发生此类极端的事故，水位过高也多淹没了一部分有效传热面积，给水在加热器中的吸热量就会减少，也就降低了给水的温升值，从而降低了回热循环的热效率和热经济性。如壳侧水位过低，不能浸没内置式疏水冷却段的疏水入口，蒸汽就会进入疏水冷却段，影响疏水冷却段内部传热过程，虹吸水封遭到破坏，入口处形成蒸汽和水的两相流动，介质流速大大增加，对入口附近的管束、隔板等造成冲蚀，从而造成管束振动损坏。疏水冷却段不能正常工作造成疏水过冷度小，在流动过程中容易因压损造成疏水在管道内闪蒸。闪蒸后形成高速流动的汽水混合物，对管路中的弯头、阀门等造成严重的侵蚀损坏。另外冷却不足的疏水进入下一级加热器排挤了参数较低的抽汽，从而也使回热循环的整体热经济性降低。下表列出秦山二期各加热器正常水位值和控制水位值（该值为距加热器中心线距离，单位为mm）。

最低水位线
正常水位线
高一水位线
高二水位线
高三水位线
HP7
-672
-634
-596
-496
-446
HP6
-621.5
-583.5
-545.5
-445.5
-395.5
HP5
-601.5
-563.5
-525.5
-425.5
-375.5
LP3
-525
-487
-449
-399
-349
LP2
-661.5
-623.5
-585.5
-535.5
-485.5
LP1

-661.5
-623.5
-585.5
-535.5
-485.5
卧式加热器水位在正常运行时应控制在正常水位线上下38mm左右，现场安装基地式液位控制器（包括危急疏水阀控制器）都是以正常水位线为准进行中心对正的。每台高压加热器与液位控制和显示有关的仪表有五只液位开关，两只基地式液位控制器和一只就地液位计。还有一只液位变送器采集液位送至KIT数据集中处理系统。两只基地式液位控制器分别控制正常疏水阀和危急疏水阀，给出的控制信号为3-15PSI气信号，基地式液位控制器可根据现场需要更改作用方式，即随着液位升高或降低气信号变大（正作用式）或变小（反作用式）。理论上基地式液位控制器可在浮筒工作范围内任意设定调节值，对中心安装位置为加热器正常水位线的14英寸249B测量筒而言即为水位线上下150mm左右。五只液位开关的设置位置分别是低液位、高液位、高二液位、高三液位，其中高三液位值设置了两只液位开关，一路送到SCS顺序控制系统中报警并解列该加热器（高加为大旁路，解列程序如下：紧急打开危急疏水阀，关闭正常疏水阀，打开给水旁路阀，关闭给水隔离阀，关闭抽汽电动门）；另一路送到RTC再热温度控制器中用于切断一级再热器的疏水和扫汽。高二液位送到SCS报警，延时三秒后紧急打开危急疏水阀。高一液位和低液位送到SCS光字牌予警。按设计选型的疏水阀，正常疏水阀为失气关型，危急疏水阀为失气开型，所带电磁阀为110VDC常带电型。在加热器启动进汽后水位开始升高，此时正常疏水阀和危急疏水阀都受液位控制器控制，因加热器级间压差不够，正常疏水阀不能使液位得到维持，水位维持主要是由危急疏水阀来控制的。随着负荷增加，加热器级间压差足够满足疏水要求时（此时负荷约在35%-40%），正常疏水阀能自动投入运行。液位正常时正常疏水阀由基地式液位控制器进行控制。当液位升高至高一水位时控制室光字牌预警，升至高二时，危急疏水阀延时三秒超弛动作后危急疏水阀全开，同时控制室光字牌报警；升至高三时，危急疏水阀紧急打开，同时紧急关闭正常疏水阀，打开给水旁路阀，关闭给水隔离阀和抽汽电动阀，将此加热器解列。疏水阀的超弛动作是将电磁阀失电后控制气源失掉从而使危急疏水阀全开，正常疏水阀关闭。加热器疏水阀选用了美国COPS VUCAN公司的调节阀，调节阀配套的控制装置为美国FISHER公司的249B测量筒和2502型液位控制器。疏水调节阀均为气动薄膜式调节阀，正常疏水调节阀执行机构为反作用式即失气关型，所谓反作用即气源信号增加，阀门开度随之增大；危急疏水调节阀执行机构为正作用式即失气开型，所谓正作用即气源信号增加，阀门开度随之减小。基地式液位控制器工作原理如下所述：
加热器液位变化后通过基地式液位控制器转化成3-15PSI的控制气压信号，送到调节阀的定位器上，定位器根据信号值将60PSI的压缩空气转换成薄膜调节阀执行机构所需的压力值，通过保位阀和常带电电磁阀送到阀门执行机构，阀杆动作后通过阀位机械反馈到定位器调整调节阀的开度，使疏水流量变化将加热器的水位值维持在设定值。调节阀的超弛动作是控制系统SCS将电磁阀失电后，调节阀执行机构的工作气源通过电磁阀排空后阀门全开或全关。保位阀的作用是当工作气源事故时能保持阀位在原来位置，不致因失去工作气源而使阀门误动作。图二为加热器液位控制简图。
高压加热器
液位测量筒
带比例积分的调节器

给定值
定位器
保位器
疏水调节阀
电磁阀
阀位机械反馈
图二、加热器液位控制简图

四、虚假液位是造成加热器管束破裂的原因
在机组调试期间我们是按照制造商的总图水位的要求进行调试的，现场的报警和控制液位的基准也是按照总图水位设置的，在机组运行中远程监测及现场巡视均正常，为什么会出现加热器管束在停机检修时发现有损坏现象呢？经过对故障现象的分析认为是虚假液位造成的，注意这里提到的虚假液位是指测量及观察用的浮筒内的液位不是加热器内真实液位。
虚假液位是由多种原因造成的，主要原因例举如下：
u 加热器汽侧通过液位测量孔的上部平衡管开孔处的蒸汽流速太高，根据伯努力方程，则该处的静压降低，由于抽吸作用，会降低上部平衡管内的压力，使液位计的指示液位高于加热器的实际液位；
u 上部平衡管太长，过量的凝结水使通过该管的流量增加，形成压降，使液位计的指示液位高于加热器的实际液位；
u 安装不正确或液位计的阀门被堵塞或关闭，造成指示虚假液位；
u 加热器内部由于汽侧压损而存在压力梯度，从而使液位有坡度，此时液位计只能反映接口处的壳侧液位。
如果按偏高的虚假液位将加热器液位调整到制造商总图显示的正常值，则实际液位就会过低。正如上面所提到的液位过低将造成疏水冷却段入口虹吸破坏，造成管束冲刷与振动，并使得疏水冷却段入口前隔板处管子明显损坏，这次管子泄露的部位以及涡流探伤显示管子损伤的部位正是在各加热器疏水冷却段入口前隔板处。至于B列加热器比A列加热器损坏要严重得多，我认为是B列负荷大造成的，上述所提及的造成虚假液位的4个原因第1个是比较多见的，负荷大则抽汽要多，蒸汽流速高造成更严重的虚假液位并使疏水阀阀门开度调节变大，实际加热器液位会变得更低造成加热器管束损坏。两列的负荷可通过调整给水阀开度来调节。通过以上阐述就回答了本文开始提出的3个问题。
按照机组目前检修和运行状况，尚有几个问题需要提请注意：
u 加热器疏水管线可能已受到闪蒸蒸汽的强烈冲刷，应在停机期间加强对管线尤其是弯头处进行壁厚测量，6B加热器疏水管线曾进行过带压堵漏，说明管线冲刷是比较严重的，如测量减薄严重应考虑将其更换；
u 加强巡检，将疏水调节阀的开度作为巡检内容，并标定正常工作时开度值，如果偏差较大反映疏水阀工作异常，在其它条件变动不大时有可能是介质由疏水变为蒸汽，同时伴有管线振动较大，反映了加热器水位可能过低；
u 加热器在随机组启动或停机时应采取随机组滑启滑停方式，以避免加热器温度变化过快对加热器管束造成热应力冲击降低了管束使用寿命；
五、减少虚假水位对加热器影响的措施
如何避免虚假液位给控制加热器液位造成的影响呢？在设计上考虑时应尽可能将测量接口靠近疏水冷却段入口处，在液位计上部连接管在加热器内的引出处加装迷宫式多孔封板以降低蒸汽流速。在安装上应在液位平衡管加适当的保温措施，以减少温差造成的液位偏差。在运行上应考虑通过热态调试方法来确定最佳的运行水位，此水位与加热器的正常液位可能要高一些，但应该根据此水位来确定高低液位值及运行水位值。具体调试方法介绍如下：
u 调试条件：
ü 机组负荷在设计工况下，并稳定运行
ü 与加热器有关联的设备运行正常，与加热器有关的各项参数基本符合设计值
ü 检测加热器给水进出口温度、疏水出口温度、蒸汽进口压力的仪表齐全可靠
ü 疏水调节阀及其控制装置运行正常，各水位取样管道无堵塞，无泄露
u 调试步骤
ü 解除需调试加热器的自动水位监控系统，由控制室人工监控加热器的运行；
ü 记录加热器各项参数（给水进出口温度、疏水出口温度、进汽压力及温度、疏水调节阀开度、水位计读数等），作为调试初始参数；
ü 调整液位控制器的设定值，使水位以一定幅度上升，每次以20mm为宜，并根据疏水温度变化的情况适当调整；
ü 每次调整水位设定值后，必须稳定10分钟以上再记录加热器各项参数；
ü 逐步抬高水位，直至液位显示装置满水或将要满水；
ü 按上述方法再逐步降低水位，以观查回复性是否良好，如果起始调整点是在几何零水位点，还应将水位降至低水位点观查然后才恢复到零水位点。
ü 现场工作结束后恢复加热器自动保护运行
u 绘制水位调整曲线图
按图三绘制水位调整曲线图

u 确定最佳水位
ü 分析水位调整曲线，找出最佳水位点，最佳水位点的确定应注意下列原则：
ü 任何情况下，给水出口温度不致下降
ü 水位小幅上升而导致疏水端差大幅下降，说明水位偏低，而水位大幅上升而疏水端差下降不大，说明水位已基本符合要求；
ü 对大部分加热器抬高水位能使疏水端差达到或逼近设计值，这时水位是可取的。如疏水端差小于设计值，可能此时水位已偏高，此水位也不可取。
ü 如果加热器疏水冷却段的管子已进行过堵管，可以考虑将水位再抬高25-50mm以补偿疏水冷却段面积减少对端差的影响。
根据以上原则定出一个合适的水位值，并把所有的水位取样装置按照这一水位值抬高，并重新调整疏水自动调节装置。如果初始水位值过低，一旦抬高水位将可能导致疏水调节阀开度较大幅度减小，这是正常的，说明原水位导致疏水冷却段进水口露出水面，初始水位是低水位。当水位上升并浸没疏水冷却段进水口高度以后，疏水调节阀开度应恢复到正常开度（正常开度值可根据计算的疏水流量等值查阀门特性曲线），此时进一步抬高水位，阀门开度也不会有大幅度变化，否则就可能是液位控制器的比例或积分回路有故障，应及时消除。目前1号机组的低压加热器液位波动大，基地式液位控制器无法平稳调节水位可能是调节仪积分回路参数不当造成的。
六、加热器性能评价
秦山二核的1号机组6B高压加热器堵管束已超过10%设计裕量，将有可能影响加热器性能，如何对受损的加热器性能进行评价呢，根据现场测量仪表布置情况和系统设置，我们可以通过试验来获得加热器性能指标，以了解加热器的运行状况，分析存在问题并确定应采取的维护、检修或更换的措施。
试验内容包括下列性能参数的测定：
u 6B加热器给水进口温度T1、压力P1和流量Q1；
u 6B加热器给水出口温度T2、压力P2和流量Q2；
u 6B加热器疏水出口温度T3、压力P3和流量Q3；
u 6B加热器抽汽进口温度T4、压力P4和流量Q4；
u 7B加热器的疏水出口温度T5、压力P5和流量Q5（指调节阀后参数）；
u B侧MSR一级再热疏水箱疏水温度T6、压力P6和流量Q6（指调节阀前参数）；
u B侧MSR一级再热蒸汽扫汽温度T7、压力P7和流量Q7（Y形截止阀前参数）。
u 在设计工况下它们的参数见下表

1
2
3
4
5
6
7
T（℃）
180.7
205.1
186.3
207.9
210.7
233
233
P（KPa）
6878
6778
1779
1829
1853
2785
2785
Q（t/h）
1931
1931
375.4
96.5
210.7
80.65
1.645
在性能评价试验中应注意要控制机组参数，使与此加热器相关的数据基本控制在设计值，尤其是T1/ Q1 /P4/MSR一级抽汽压力与温度等参数应在设计值±5%范围内。对于上级加热器7B的疏水流量可以通过7B加热器热平衡方程进行计算。通过试验测量和计算得到上面各点的温度和流量与设计值的比较,可以很清楚地得到加热器在堵管后给水压降、给水端差与加热器端差等能反映加热器性能的关键数据，并可利用其偏差来计算对汽轮机出力的影响。
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