浅谈国内外火力发电厂汽轮机防进水的设计
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摘要：对国内外火力发电厂汽轮机防进水设计形式和原则进行了对比分析。首先研究了汽轮机水和蒸汽的主要来源，对汽轮机进水事故进行了系统分析，在此基础上， 以中国和美国两国的汽轮机防进水设计原则和行业标准进行了细致的对比，发现国外的行业标准中有着更多的量化原则，同时在很多方面有着更新颖的设计，有着很高的学习研究价值。
关键词：火力发电厂汽轮机防进水
中图分类号： TM621 文献标识码： A
现电厂单机容量逐渐增加，主系统呈现出单元化趋势，机组安全性显得更加重要。汽轮机进水，即便在很短的时间里也有可能造成严重的事故，造成重大的人员和经济损失。因此，进行汽轮机的防进水设计需要格外慎重，本文就这个问题，凭借相关工作经验，提几点建议，仅供参考。
一、水、蒸汽主要来源
1.锅炉和主蒸汽。主要有启动时和低负载时的管道疏水、启动或者低载荷时的过热器减温水和正常运转时的主蒸汽参数突降等，都有可能造成汽轮机进水[1]。
2.自再热蒸汽系统。主要源自低载荷或者启动时冷再和热再管道疏水以及使用再热器减温水等。
3.自抽汽回热系统。该系统是防进水保护的工作重点。汽轮机进水故障中有很大比例都是因为加热器满水或者加热器疏水系统故障导致。
4.轴封蒸汽系统。该系统的防水只能在机务上完成，也可以选择不带水的蒸汽源或者选择更合理的管道布置，设置蒸汽管道和汽轮机之间较长的距离，同时在轴封蒸汽管道上设置节流孔板代替阀门，减少蒸汽损耗。
二、汽轮机进水事故研究
汽轮机进水事故也被成为汽轮机水冲击事故，是指水或者蒸汽进入汽轮机造成的汽轮机严重的结构破坏和机械故障，导致非计划停机[2]。汽轮机进水对汽轮机造成的破坏是十分严重的，会造成汽轮机的轴线推力增加，造成烧瓦，同时还会造成汽缸变形和转子变形，导致转子内动静构件之间发生摩擦，造成叶片断裂和磨损，轴封磨损则有可能造成蒸汽泄漏，甚至会造成转子破坏。如果大轴发生弯曲，则需要进行大修，耗资巨大并且会缩短转子的使用寿命。
汽轮机是一种复杂的旋转机械，工作介质是高温高压蒸汽，任何和汽轮机连接的系统发生故障都有可能造成汽轮机进水，通常情况下都是从外部管道中进入的。
受到制造、设计、安装和维护等各种因素的影响，机组设备热力系统存在着缺陷，其防进水效果并不理想。 进水现象通常在机组的启动、停机和载荷发生大幅变化的时候多发。但是正常运行状态下也有发生的可能性。进行防进水方案设计时需要对两种情况进行综合考虑。
三、国内外防进水设计对比
很多国外公司在根据标准进行防进水设计时，在标准的基础上进行了一定的改进，通过一定的个性化设计措施使之对实际情况的适应性更好。
1.设计坡度和疏水点。
过热度超过83摄氏度的过热蒸汽的水平管和管架可不设置坡度，但是要保证管段末端和分隔点位置需要进行充分的疏水，而汽轮机蒸汽连接位置的上下游长度在25m以下的放坡管道和12m垂直管段需要设计坡度和疏水点[3]。管段不需放坡时要在距离汽轮机25m之内设置疏水罐。
但是通常情况下中国设计院进行主蒸汽系统的设计时都采用全程放坡的方式，保证安全。但是西方国家考虑到这种做法较大的工程量和成本造价，选择了局部放坡但是管架无坡度水平布置的设计原则，下表是某国外联合循环工程的主蒸汽系统和管道的设计材料规格和参数。
表1某国外工程主蒸汽管道设计材料和规格表
该工程的主蒸汽管道仅仅在主蒸汽入口前25m设置了1.2°的坡度，25m之前均采用了平坡。经过实际运转后发现这种设计方式能够获得比较理想的运行情况，其安全运行业绩说明较长主气管道可以在管架上采用水平设计，但是需要在主蒸汽入口外25m时设置一定坡度。但是目前我国仍然留下了一个保守值，但是国外工程运行经验证明，设置1.2°的坡度已经能够满足防进水要求。
2.对于有启动旁路的机组，国家标准中规定需要采用DN50的疏水管径。但是国外的相关工程经验中使用了多种形式的疏水罐[4]。例如国外某工程项目的主蒸汽入口管道在最低点设置了管径150的疏水罐，疏水罐的下方设置的疏水管用于引水入疏水扩容器，其管径为50。工程实践证明这种设计方式对防止汽轮机进水效果良好，并且有效的节省了成本。
3.无低点疏水。国外工程师认为疏水罐在汽轮机防水中发挥的作用更加重要。主蒸汽疏水的特殊情况下需要单独设置点疏水。但是需要注意保证坡度方向需要向着气流方向，并注意根据管道布置，调整最低点在主汽阀前出现。控制主气管道和主汽阀之间的距离不能超过20m，汽轮机制造商要书面确认气门阀座前的疏水能够满足要求，选择疏水阀时，管径在65mm以上的疏水阀采用闸阀、Y型截至阀或者球阀效果良好，管径在50mm以下疏水阀采用Y型截止阀或者球阀，选择尺寸时，通常阀芯尺寸最小控制在疏水管内径的85%左右，同时要满足下表规范：
表2 疏水阀尺寸标准
4.再热冷段系统
再热热段属于动力驱动蒸汽，中国对其疏水设计和美国标准基本一致。其相关设备的疏水设计要点和主蒸汽管道疏水设计相同。
5.冷段疏水设计要求。
我国行业标准中认为合理有效的疏水系统对可能水源的排除对于冷段再热管道意义重大。给出了两种输水方案：一种是典型的冷段再热管道疏水罐系统，另一种是冷段再热管道疏水筒方案。
美国的行业标准中认为，冷段管道最低点要设置大径最小要在150mm以上的疏水罐。设置疏水罐能够提供安装水平测量装置，还能够收集并排除管道中的疏水。尺寸设定主要按照20%的蒸汽流量计算，不能小于安装水位计需要的最小尺寸。
也有国外工程师认为，冷段和主气之间存在着一定不同，冷段管道为逆蒸汽流动方向，不小于0.02（20mm/m）[5]。设计疏水管线的参数时重点考虑最大疏水量，闸后疏水扩容器管线设计温度和蒸汽温度一致，压力设计要根据其用途进行具体设计，要求其在蒸汽压力的60%以下。而我国通常选择保守但是安全性较高的设计方法。
6.疏水管线布置。主蒸汽管道疏水不和疏水管等连接。压力相同的疏水管线可以汇集在同一母管内，冷段和热段也可以汇集在同一母管内。支管按照斜向上45度接入母管，要求所有的疏水管都不能有袋形和低点，保证疏水的完整性。
7.加热器和油汽系统。在抽汽管路上布置疏水调节阀，自动疏水器也可，使其在停机或者载荷大幅度变化时能够把水排入扩容器中。输水调节阀和自动疏水器水位要求控制在正常范围内，采用逐级自流的方式进入下一级。如果疏水量较大，可以直接使用除氧器和凝汽器。在抽汽管上布置2个温度测量点，在抽汽口和加热器旁边分别设置，这样运行中根据两个温度指示就能够获得加热器的状况。
8.主蒸汽和在热系统。主蒸汽和在热系统要在最低水平管底部设置管径足够的疏水管，设置在距离汽轮机尽量靠近的位置。主蒸汽和再热系统的疏水阀要求在汽轮机跳闸后立即就能打开。
结束语：
我国关于火力发电汽轮机防水设计的行业标准中概念性的技术要求较多，量化的标准较少，这种情况要求设计人员能够对工程实际进行认真的了解，对设计的关键环节进行充分掌握，按照标准中允许的范围进行优化设计，提高火电设备的安全性的同时尽量节省成本。
美国的行业标准中对防水设计采用了更多的量化标准，其设计理念更符合国际工程设计思路，但是其标准的设计空间对设计者提出了更高的要求，设计者要对工程的特点十分了解，对技术运用十分熟练灵活。
国外一些工程建设在遵循标准的同时为了更好的符合实际情况，采取了一些变通措施。在坡度、疏水、阀门等的设计上选择了一些别出心裁的思路，总体来看，国外的防进水设计更加科学合理，并且有着更高的经济性，值得我们学习和借鉴。
参考文献：
[1]The American Society of Mechanical Engineers． AMSE TDP-1-2012 Recommended Practices for the Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation [J].New York，2012．
[2]华东电力设计院．DL/T 5054―2010火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].北京: 中国电力出版社，2011.
[3]章建叶.大型汽轮机防进水保护的设计和运行[J].华东电力，2011.
[4]刘吉臻，熊泽生.大型汽轮机防进水装置的研制[J].湖北电力，2012.
[5]The American Society Mechanical Engineers，ANSI/ASME TDP-1-2011 Recommended practices for the prevention of water damage to steam turbines used for electric power generation[S].2011.