供热设备可靠性提升研究与应用

供热设备可靠性提升研究与应用

魏春生   施利钢   白银帅   李硕

河北大唐国际张家口热电有限责任公司  张家口 075000

摘要：以大唐国际张家口热电有限责任公司的2号机热网抽汽逆止门、热网抽汽管道、热网加热器改造为例，介绍供热设备可靠性提升改造的内容和具体方案，通过对热网抽汽管道增加稳流孔板、热网抽汽逆止门改造、热网加热器形式改造、热网加热器进汽管道改造来提高供热系统稳定性。本文所述措施对于提高供热设备稳定性具有较高的参考意义。

关键词：供热；热网加热器；热网抽汽逆止门

1. 背景

河北大唐国际张家口热电有限责任公司安装两台国产300MW亚临界参数燃煤供热机组。供热工程采用厂内设汽水换热首站，对外供热水的供热方式。随着城市化发展程度的不断提高，供热面积不断增大，张热公司设计供热面积1200万平方米，2022年接入供热面积1273平方米，实际供热面积990平方米。目前供热设备老旧，设备退备隐患极大，若供热期供热中断，直接影响民生，给公司带来极差的舆论影响。加热器堵管率超标、热网抽汽管道振动等，严重影响供热稳定运行。

2. 改造内容

2.1 热网抽汽逆止门及抽汽管道改造

2号机组抽汽管道阀及管道长期存在振动问题，随着阀门开度（20%-40%）的变化及长期的连续运行，阀门及管道振动有恶化的趋势，抽汽逆止阀阀瓣每年解体时都会发现损坏,螺母掉落等问题，详见图1-3（据现场反馈阀瓣脱落后管道振动消失），现场测得1号热网抽汽管道处轴向振动最大153μm，2号热网抽汽管道处轴向振动最大107μm，给机组安全运行带来极大的安全隐患。

图1：阀瓣穿孔、裂纹图2：阀瓣多次修补图3：打开后发现螺母掉落

根据现场反馈的情况，管道振动随着阀门开度（20%-40%）的变化、抽汽逆止门阀瓣脱落后管道振动消失等现象。建立流体力学模型，利用CFD分析方法对热网抽汽管道进行冲击分析,以此计算管道内各局部的当量应力并分析其位移状态，结合现场取得的数据根据抽汽阀门开度、逆止阀、支吊架设置等因素进行优化分析，在研究结果的基础上优化抽汽逆止门或增加消能装置来达到稳定流场的效果。

结合现场现象和研究成果，通过在供汽蝶阀和抽汽逆止门之间加装孔板以改善管道内蒸汽流场，对逆止门气缸、转轴和摇臂键槽等进行相应改造，确保供汽时逆止阀处于全开状态，最终消弱热网抽汽管道振动。

由于原阀门设计气动装置只能关闭阀门，无法对阀门进行施加开启力，阀门在开启状态时，因为介质流向有回旋情况，并且压力值不稳定，阀板容易频繁自由摆动并且一直处于悬浮状态在压力小的时候回落、碰撞阀体密封面易造成摇杆、销轴等零件磨损，从而导致阀板脱落。

对阀门气动装置进行升级改造，做成双作用气缸，使气动装置既能打开阀门，也能关闭阀门，在阀板打开后由摇杆支撑不能随意晃动。

具体实施办法：

1）将阀门所需改造配件现场测绘，测绘原阀体轴孔、轴、摇杆等零部件尺寸；

2）整体提升材质牌号，重新设计制作摇杆、轴等使其具有更好耐磨耐冲刷的效果；

3）改造气缸，增加气缸力矩，使其具有更大开启及关闭力；气源来自压缩空气（气源压力0.4-0.6MPa)，经过二位三通电磁阀后进入气缸进气口使阀快速打开；为了保护汽缸在气流冲击阀板时对汽缸的损坏和磨损，在连接轴对向加装重锤来保护汽缸的正常运行：止回阀关闭时电磁阀断电，快排阀启动排出气缸下腔空气，止回阀快速关闭；

4）新加工的摇杆、轴能双向固定阀板，开启和关闭时都能控制固定阀板在阀体中不会随意摆动，只有通过气动装置才能使阀板动作，这样介质流动则不会对阀板造成冲刷晃动和碰撞阀体密封面；

5）结合现场的振动现象可以发现，蝶阀开度与振动程度有直接关系，根据分析结果，对出现振动的典型开度14%，与无振动时典型开度40%，结合导流元件进行仿真计算。

14%热网抽汽逆止门开度流动矢量、流场与流速分析

图4无导流元件

图5有导流元件

40%开度流动矢量、流场与流速分析

两种流速下，导流装置均有较明显的效果：在导流作用下流体对阀瓣的推动作用更明显，导流后径向流体流动方向上更加畅通，在较小流量下可相对更稳定的对阀瓣的自重进行有效支撑。对于存在明显振动问题的供热蝶阀14%开度工况，对逆止阀内流体进行针对性分析。

图6无导流元件

图7有导流元件

7）逆止门流体流速

云图下半部分为流体流出阀瓣的位置，无导流装置时，逆止阀入口流场分布如左图，高速区域集中在阀瓣上方，截面流速最大值点为679m/s，且分布较为不均，而流体流出阀瓣的位置存在两个较明显的涡旋。

有导流装置后，逆止阀入口流场分布如右图，高速区域集中在阀瓣下方，截面流速最大值点为968m/s，较无导流提高了42.6%，流体流出阀瓣的位置速度较大且流场均匀。

8）在供汽蝶阀和抽汽逆止门之间加装稳流孔板，孔板开孔直径为600mm，厚度为80mm，距离逆止阀密封面为620mm，有效地改善管道内蒸汽流场，提高蒸汽对逆止阀阀瓣的支撑作用，从而减少蝶阀与逆止阀布置位置产生涡旋的扰动作用，降低逆止阀阀板的撞击，降低热网抽汽管道振动。对逆止门转轴和摇臂键槽等进行相应改造，做成双作用气缸，使气动装置既能辅助打开阀门，也能辅助关闭阀门，在阀板打开后由摇杆支撑不能随意晃动确保供汽时逆止阀处于全开状态，最终消弱热网抽汽管道振动。

2.2 热网加热器及进汽管道改造

2号机两台热网加热器堵管率超标，2022年供热初期换热管大量泄漏，热网加热器进汽流速超标，热网加热器处噪声大、存在振动现象。需对热网加热器及进汽改造进行改造。达到降低流速，提高热网加热器安全稳定性。

1）进汽管道改造：

目前热网加热器进汽为两路DN900进汽接口，由于热网加热器进汽压力低，导致热网加热器流速达到106.9m/s，通过对现场的比对，在热网抽汽母管上开一DN900的孔（需对管道进行开孔补强）左侧热网抽汽管道接处的DN900的管道接至1号热网加热器，右侧热网抽汽管道接处的DN900的管道接至2号热网加热器。新增热网抽汽管道进汽蝶阀设置在12.6米地面上。流速可降低至69 m/s，加热器进汽均匀，原进汽管道可直接利用。

2）热网加热器本体改造：

热网加热器采用直管型式布置，设置两端固定管板、壳体两端半波型膨胀节，两端水室，水室封头均设置检修人孔。增加换热管壁厚，布置：管束中心线上180℃包角内外3层采用2.0mm厚壁管束进行防护，随着内部流速减弱，管束其余换热管采用1.5mm壁厚进行加强，如图8所示。将常规的正三角形布置更换为流通间隙较大的转角正方形布置型式如图9所示。在管束中心横竖设置长条形蒸汽流通通道如图10所示。在热网加热器汽侧壳体两端宜设置两个半波型膨胀节。

  图8换热管示意图          图9管束布置图图           10蒸汽通道

3)热网加热器进汽蝶阀改造：

热网加热器泄漏后，若阀门内漏，汽侧无法隔离，加热器无法进行查漏、堵漏工作。蝶阀严密性较差，不易维修，更换热网加热器进汽阀门为旋球阀，可以降低内漏概率，减少维修次数。

3. 改造效果及结论

通过对热网抽汽逆止门及抽汽管道改造在热网抽汽15%-30%开度范围内，管道振动明显减小，振动小于20mm/s,无阀板撞击声音。抽汽调整门可以在全量程下开关，提高了热网管道安全性，0米热网抽汽逆止门处噪音113DB,噪音无明显变化。

热网加热器及进汽管道改造后，不仅除消除振动大、噪音大等影响安全因素，而且减少了加热器因泄漏的投退次数，提高了热网加热器的安全性，降低了加热器泄漏造成的供热受阻和民生舆情问题。

通过对热网抽汽管道、热网加热器及其进汽管道的改造，大大的提高了热网设备的可靠性，降低供热中断风险，切实的为张家口城区供热发光发热。