安全阀导致凝汽器真空度降低原因分析及应对措施

21世纪初我国引进了重型燃气轮机发电设备，天然气发电具有清洁环保、适用于调峰发电的优势，为我国电力供应提供了优质高效的电力资源。目前，我国建成并发电的重型燃气轮机设备主要由美国GE、日本三菱、德国西门子3种机型组成。随着机组国产化水平越来越高，在融合国外技术时难免遇到一些问题，只有通过对这些问题进行分析和总结，才能不断提高生产工艺水平。

1 机组概况

某厂安装了4套M701F3燃气-蒸汽联合循环机组，单机容量390 MW，燃气轮机、汽轮机采用DIAS(Digital Intelligent Automation System)，余热锅炉、公用系统及辅助系统采用分散控制系统(DCS)。

该厂M701F3燃气-蒸汽联合循环发电机组为单轴设计，启动时燃气轮机和汽轮机转子同时被拖动。为防止机组启动至汽轮机进汽前这一段时间内因汽轮机叶片鼓风摩擦造成低压缸过热，系统设计从机组辅汽母管引一路冷却蒸汽至低压主汽阀前(见图1)。在机组转速达到2 000 r/min后，低压主汽调节阀逐渐开启至冷却位置(约18%)，给低压缸通冷却蒸汽，以带走鼓风摩擦产生的热量。为防止该段管道超压，在低压缸冷却蒸汽压力调节阀后设有一套冲量式安全阀。

图1 低压缸冷却蒸汽管道

2 故障现象

当该机组启动达到额定转速3 000 r/min准备并网时，出现凝汽器真空度较正常低的现象，且以约4 kPa/min的速度急剧下降；立即手动将凝汽器备用真空泵启动，并检查轴封系统、抽真空系统、循环水系统等相关系统的阀门状态，参数均正常；但发现低压缸冷却蒸汽压力为负值，辅汽至低压缸冷却蒸汽电动隔离阀处于关闭状态；于是立刻手动开启低压缸冷却蒸汽压力调节阀前电动隔离阀和低压缸冷却蒸汽压力调节阀，直至低压缸冷却蒸汽压力为正值后，凝汽器真空度停止下降并回升(见图2)。

图2 凝汽器真空度异常曲线

3 原因分析

3.1 DCS逻辑缺陷

为查明故障原因，查阅历史曲线发现：在机组转速为2 300 r/min时，低压缸主蒸汽调节阀开度还很小，低压缸冷却蒸汽用汽量不大，恰好此时低压缸冷却蒸汽压力调节阀后的疏水电动阀关闭，导致低压缸冷却蒸汽压力升高，使处于自动调节下的低压缸冷却蒸汽压力调节阀关小至零位。由于DCS中设置当低压缸冷却蒸汽压力调节阀开度小于1%时，关闭该调节阀前电动隔离阀的逻辑，因此系统自动切断了低压缸冷却蒸汽，且无阀门关闭的报警信息，以致运行人员一时没有察觉，机组继续启动，而此时低压缸主汽阀和低压缸主汽调节阀均已打开，低压缸冷却蒸汽管道与凝汽器相通，在无冷却蒸汽供给的情况下，低压缸冷却蒸汽管道内形成真空，从而造成空气通过主安全阀进入凝汽器导致凝汽器真空度快速下降的现象。

3.2 安全阀结构缺陷

在机组停运后维持真空进行了以下试验：将低压缸冷却蒸汽压力调节阀前电动隔离阀及低压缸冷却蒸汽电动隔离阀关闭，开启低压缸冷却蒸汽压力调节阀后疏水电动阀(该阀疏水通往凝汽器)，当这一段管道为负压后，凝汽器真空度便会以约4 kPa/min的速度开始下降，大约下降到-50 kPa后真空度不再下降(见图3)。

图3 安全阀泄漏与真空破坏阀开启时真空度下降曲线对比

真空度急剧下降说明低压缸冷却蒸汽管道存在大量漏空气的地方。对该管道进行灌水查漏后并未发现任何漏点，且低压缸冷却蒸汽压力调节阀前电动隔离阀至低压主汽门这一段管道的疏水管道只通往凝汽器，该管唯一能与外界相通的只有低压缸冷却蒸汽管道上的一套冲量式安全阀。

分析该冲量式安全阀、主安全阀的结构和动作原理，以及凝汽器真空度下降的原因如下[1]：

(1) 当低压缸冷却蒸汽管道内蒸汽压力大于零但小于冲量式安全阀动作值时，主安全阀阀芯受力为向下的大气压力、向上的弹簧力和蒸汽压力。蒸汽压力越高，作用在阀芯上向上的力越大，主安全阀越严密(见图4)。

图4 管道内蒸汽压力正常时

(2) 当低压缸冷却蒸汽管道内蒸汽压力超过冲量式安全阀动作值时，冲量式安全阀开启，蒸汽通过冲量式安全阀管道进入主安全阀活塞室。主安全阀阀芯受力为向下的大气压力和活塞的蒸汽压力、向上的弹簧力和作用在阀芯上的蒸汽压力。由于活塞受力面积远大于阀芯，活塞上部向下的蒸汽压力克服阀芯向上的蒸汽压力和弹簧力，推动阀芯下移，使安全阀打开，对外排汽(见图5)。待低压缸冷却蒸汽管道内压力降到冲量式安全阀返回值后冲量式安全阀关闭，切断进入主安全阀活塞室的蒸汽，主安全阀在弹簧和蒸汽压力作用下自行关闭。

(3) 当低压缸冷却蒸汽管道内为负压时，主安全阀阀芯受力为向下的大气压力、向上的弹簧力和少量蒸汽压力。随着低压缸冷却蒸汽管道内的蒸汽压力降低，管内真空度也随之升高，当管内真空高于一定值时，作用在阀芯上弹簧力与蒸汽压力之和小于大气作用力时，主安全阀阀芯向下移动，于是空气进入到低压缸冷却蒸汽管道内(见图6)。

图5 管道内蒸汽超压时

图6 管道内为真空时

在启动过程中，机组转速到达2 000 r/min后低压缸冷却蒸汽开始进汽，如果低压缸冷却蒸汽压力调节阀前电动隔离阀关闭或低压缸冷却蒸汽压力调节阀开度过小，就会造成低压缸冷却蒸汽停止供应或供应不足，使低压缸冷却蒸汽管道变成真空，于是出现上述情况(3)，空气依次通过主安全阀→低压缸主汽阀→低压缸主汽调节阀→汽轮机低压缸→凝汽器，造成凝汽器真空度快速下降。根据凝汽器真空度曲线计算表明：该时期真空下降速率约4 kPa/min，仅次于全开真空破坏阀速率(约8 kPa/min)。如果在5 min内未能及时处理就会造成凝汽器低真空度保护动作，机组跳闸。

4 应对措施

针对上述DCS逻辑控制缺陷和安全阀结构上的问题，提出以下应对措施：

(1) 取消DCS低压缸冷却蒸汽压力调节阀开度<1%联关低压缸冷却蒸汽压力调节阀前电动隔离阀的逻辑，防止在调节阀后压力突然升高关小调节阀至<1%，进而联关低压缸冷却蒸汽压力调节阀前电动隔离阀。

(2) 增加低压缸冷却蒸汽压力小于0.03 MPa时联锁关闭低压缸冷却蒸汽电动隔离阀和低压缸冷却蒸汽压力调节阀后疏水电动阀的控制逻辑，以切断可能通往凝汽器的空气。机组点火后加强对低压缸冷却蒸汽管道压力的监视，提前投入低压缸冷却蒸汽，并保持低压缸冷却蒸汽压力0.25 MPa左右。

(3) 运行中若因低压缸冷却蒸汽安全阀泄漏导致真空度下降过快时，可立刻手动将低压主蒸汽调节阀暂时关闭。同时远方开启(或就地手动开启)低压缸冷却蒸汽调节阀及之前的电动隔离阀，调整低压缸冷却蒸汽管道内为正压后，再缓慢开启低压缸主汽调节阀至冷却位置。

(4) 将低压缸冷却蒸汽管道上的冲量式安全阀、主安全阀更换成普通弹簧式安全阀[2]。

目前该厂已执行前三条措施，基本消除了因使用冲量式安全阀、主安全阀导致凝汽器低真空度的隐患，但要做到本质安全，还必须执行最后一条安全措施。

5 结语

笔者通过对单轴联合循环机组汽轮机低压缸冷却蒸汽系统上的冲量式安全阀的结构及不同工况下的受力分析，说明了空气从系统外通过冲量式安全阀进入凝汽器导致真空度下降的过程，因此对可能处于真空状态的系统在选用安全阀时，应避免使用冲量式安全阀。对于已采用冲量式安全阀的低压缸冷却蒸汽系统，在控制系统和设备选型方面提出了有效的防范和改进措施，对运行维护单位和设计单位具有一定的借鉴意义。