超臨界660MW汽輪機(jī)調(diào)門(mén)運(yùn)行方式研究與優(yōu)化
某電廠超臨界660MW機(jī)組在調(diào)門(mén)從單閥切換為順序閥運(yùn)行的過(guò)程中,1、2號(hào)軸瓦溫度急劇升高,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。順序閥運(yùn)行方式下,非對(duì)稱進(jìn)汽產(chǎn)生的不平衡汽流力是導(dǎo)致軸系故障的原因。通過(guò)調(diào)門(mén)不同組合方式的試驗(yàn)研究,得到了安全可靠的調(diào)門(mén)運(yùn)行方式,成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)組從單閥到順序閥的切換。熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,機(jī)組由單閥切換為順序閥后,經(jīng)濟(jì)性明顯提高。
汽輪機(jī)閥門(mén)組的工作方式有2種:節(jié)流(單閥)調(diào)節(jié)和噴嘴(順序閥)調(diào)節(jié)。不同的配汽方式對(duì)機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。節(jié)流調(diào)節(jié)是全周進(jìn)汽,轉(zhuǎn)子和汽缸周向受熱均勻,因此熱應(yīng)力較小,可以適應(yīng)負(fù)荷的快速變化以及機(jī)組的快速啟動(dòng)。節(jié)流調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是在低負(fù)荷時(shí),每個(gè)閥均部分開(kāi)啟而產(chǎn)生較大的節(jié)流損失,使機(jī)組的熱效率低很多。在噴嘴調(diào)節(jié)方式下,所有的調(diào)節(jié)閥順序開(kāi)啟,節(jié)流損失小,因此機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的效率高。
噴嘴調(diào)節(jié)是汽輪機(jī)普遍采用的調(diào)節(jié)方式,但由于噴嘴調(diào)節(jié)在任何功率下,有些進(jìn)汽弧段是關(guān)閉或部分開(kāi)啟的,破壞了汽輪機(jī)進(jìn)汽的周向均勻布置,在啟動(dòng)以及負(fù)荷大范圍變動(dòng)時(shí)易引起靜子部件各部分受熱不均,造成極大的熱應(yīng)力。噴嘴配汽如果設(shè)計(jì)不合理,調(diào)節(jié)級(jí)在部分進(jìn)汽時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的配汽不平衡汽流力,給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)不利影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),近幾年,國(guó)內(nèi)一些亞臨界和超臨界600MW以上容量等級(jí)的機(jī)組,在試生產(chǎn)期結(jié)束以后,在單閥切順序閥運(yùn)行的過(guò)程中,出現(xiàn)了一系列由于噴嘴配汽設(shè)計(jì)不當(dāng)而引發(fā)的軸系故障問(wèn)題。這些故障的存在,導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法進(jìn)行正常的調(diào)門(mén)運(yùn)行方式切換,只能采用節(jié)流調(diào)節(jié),從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失大,嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
1、調(diào)門(mén)運(yùn)行方式切換過(guò)程中的問(wèn)題
1.1、調(diào)門(mén)結(jié)構(gòu)和參數(shù)
某電廠的660MW機(jī)組是國(guó)產(chǎn)第1臺(tái)超臨界、單軸、三缸(高中壓合缸)、四排汽、一次中間再熱凝汽式660MW機(jī)組,機(jī)組型號(hào)為N660-24.2/566/566,調(diào)門(mén)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示,調(diào)門(mén)結(jié)構(gòu)與布置如圖1所示。
表1 調(diào)門(mén)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
圖1 閥門(mén)配置和開(kāi)啟順序(原設(shè)計(jì))
1.2、調(diào)門(mén)運(yùn)行方式切換過(guò)程中的問(wèn)題
制造廠設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式為GV3+GV4→GV1→GV2調(diào)門(mén)依次開(kāi)啟,但在進(jìn)行機(jī)組投產(chǎn)后性能試驗(yàn)時(shí),在調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式切換的過(guò)程中,出現(xiàn)瓦溫異常升高的問(wèn)題。
在540MW負(fù)荷下,機(jī)組進(jìn)行從單閥到順序閥的自動(dòng)切換,切換后,軸向位移由0升至0.22mm、1號(hào)軸承瓦溫度由71.65℃升至112.57℃(跳機(jī)時(shí)的瓦溫度為113℃)、2號(hào)軸承瓦溫度由82.13℃升至110.83℃。機(jī)組調(diào)門(mén)的運(yùn)行方式切換回單閥運(yùn)行,1、2號(hào)瓦溫恢復(fù)正常。
2、配汽不平衡汽流力的產(chǎn)生機(jī)理
蒸汽在調(diào)節(jié)級(jí)中流動(dòng)時(shí),對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片產(chǎn)生汽流力的作用,這個(gè)汽流力可分解為沿圓周方向的切向力、沿半徑方向的切向力和沿轉(zhuǎn)軸方向的軸向力。其中切向汽流力在葉輪上產(chǎn)生力偶而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)軸中心的力;軸向汽流力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向位移,并且對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)均勻進(jìn)汽時(shí),切向汽流力所產(chǎn)生的通過(guò)轉(zhuǎn)軸中心的力和軸向汽流力對(duì)轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)力矩均勻地分布于整個(gè)圓周,能夠自平衡,不對(duì)外表現(xiàn)力的作用。但當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽時(shí),各種力不能夠自平衡,表現(xiàn)出調(diào)節(jié)級(jí)配汽不平衡汽流力的作用,在機(jī)組的各軸承處產(chǎn)生附加載荷。
作用在一個(gè)動(dòng)葉片上的切向汽流力Fui和軸向汽流力Fzi分別為:
式中:C為通過(guò)動(dòng)葉片的蒸汽流量,kg/h;Ab為動(dòng)葉片的軸向面積,m2;C1u為在動(dòng)葉片進(jìn)口蒸汽的絕對(duì)切向流速,m/s;C2u為動(dòng)葉片出口蒸汽的絕對(duì)切向流速,m/s;C1z為在動(dòng)葉片進(jìn)口蒸汽的絕對(duì)軸向流速,m/s;C2z為在動(dòng)葉片出口蒸汽的絕對(duì)軸向流速,m/s。
可以看出,要計(jì)算Fui和Fzi,需要進(jìn)行調(diào)節(jié)級(jí)變工況的熱力計(jì)算,求得相關(guān)參數(shù)。計(jì)算得到Fui和Fzi后,切向汽流力Fui所產(chǎn)生的通過(guò)轉(zhuǎn)軸中心的力就是Fui,軸向汽流力Fzi對(duì)轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)力矩Mzi可由Fui和Fzi與到轉(zhuǎn)軸中心線的距離乘積求得。
配汽不平衡汽流力產(chǎn)生于調(diào)節(jié)級(jí),對(duì)高壓轉(zhuǎn)子有明顯的影響,尤其是在支撐高壓轉(zhuǎn)子的1、2號(hào)軸承上產(chǎn)生附加載荷,導(dǎo)致亞臨界和超臨界600MW以上容量的機(jī)組,閥門(mén)運(yùn)行方式切換過(guò)程中的軸系故障,多發(fā)生在1、2號(hào)軸承上。
由于水平不平衡汽流力的作用,使軸心位置發(fā)生移動(dòng),軸在軸承中的側(cè)隙發(fā)生了很大變化,軸心偏移使軸瓦進(jìn)口油楔面積大大減小,如圖2所示,軸承供油量不足,軸承工作所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)被帶走,必然致使軸瓦溫度升高。嚴(yán)重的軸心偏移也可能使轉(zhuǎn)子和軸承發(fā)生碰磨,而且轉(zhuǎn)子和軸承之間間隙的減小,導(dǎo)致油膜剛度加大,轉(zhuǎn)子的不平衡交變激振力通過(guò)油膜作用于軸承巴氏合金上,很容易使其發(fā)生疲勞破壞,引起軸承巴氏合金燒蝕。另外,軸承進(jìn)出口油楔大小發(fā)生變化,必然引起軸承靜動(dòng)特性發(fā)生明顯變化,從而進(jìn)一步引發(fā)振動(dòng)、穩(wěn)定性等一系列軸系故障的發(fā)生。隨著機(jī)組參數(shù)的升高,配汽不平衡汽流力的增長(zhǎng)幅度大大超過(guò)轉(zhuǎn)子自重的增長(zhǎng)幅度,由于配汽不平衡汽流力的急劇增長(zhǎng),在高參數(shù)機(jī)組上,瓦溫和振動(dòng)會(huì)明顯增加,配汽導(dǎo)致的軸系故障更加嚴(yán)重。
圖2 不平衡汽流力作用下軸承的工作狀態(tài)
3、調(diào)門(mén)配汽方式優(yōu)化試驗(yàn)
按照制造廠原設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式,在閥門(mén)運(yùn)行方式自動(dòng)切換過(guò)程中,出現(xiàn)瓦溫快速升高的現(xiàn)象已嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行,因此在調(diào)門(mén)單閥方式運(yùn)行的基礎(chǔ)上,進(jìn)行模擬試驗(yàn),即逐個(gè)閥門(mén)關(guān)閉試驗(yàn)。
3.1、閥門(mén)關(guān)閉試驗(yàn)
閥門(mén)關(guān)閉試驗(yàn)就是有選擇地緩慢關(guān)閉處于單閥方式運(yùn)行下的汽輪機(jī)的一兩個(gè)汽門(mén),通過(guò)觀察這一過(guò)程中汽輪機(jī)軸承金屬溫度的變化來(lái)確定軸承受力的變化;通過(guò)觀察汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的變化來(lái)估算激振力與不平衡力給轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)的影響;通過(guò)觀察每個(gè)汽門(mén)關(guān)閉時(shí)負(fù)荷的變化來(lái)檢驗(yàn)4個(gè)高壓調(diào)門(mén)的特性是否一致,最后綜合以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,合理判斷,確定出能夠滿足汽輪機(jī)安全運(yùn)行的順序閥方式的閥序。
3.1.1、單個(gè)調(diào)門(mén)關(guān)閉的試驗(yàn)
采用單個(gè)調(diào)門(mén)關(guān)閉,其他調(diào)門(mén)單閥運(yùn)行的試驗(yàn)方式,將機(jī)組高壓調(diào)門(mén)逐個(gè)關(guān)閉,進(jìn)行調(diào)門(mén)組合方式試驗(yàn),摸清調(diào)門(mén)進(jìn)汽方式對(duì)軸系的影響。試驗(yàn)步驟如下:機(jī)組單閥方式運(yùn)行,維持負(fù)荷在480MW左右,每次試驗(yàn)1只高壓調(diào)門(mén),試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格控制主蒸汽壓力為額定壓力24.2MPa,保持凝汽器真空、軸承潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度及機(jī)組運(yùn)行方式不變。通過(guò)手動(dòng)改變?cè)囼?yàn)高壓調(diào)門(mén)閥位,使其閥位從0至100%變化,每個(gè)試驗(yàn)閥位點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行0.5h以上,全面記錄機(jī)組運(yùn)行參數(shù),嚴(yán)密觀察在不同的閥序下,各軸承振動(dòng)、瓦溫、高壓缸上下缸溫差、推力瓦溫、脹差等參數(shù)變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著每只高壓調(diào)門(mén)閥位的變化,負(fù)荷在480MW上下變化不大,機(jī)組運(yùn)行正常,所有安全參數(shù)均未超標(biāo)。
表2 單個(gè)調(diào)門(mén)關(guān)閉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表2為單閥關(guān)閉試驗(yàn)數(shù)據(jù),從表2可知:(1)關(guān)閉任一調(diào)門(mén),軸系振動(dòng)變化不明顯;(2)由于對(duì)稱布置的原因,GV1與GV4、GV2與GV3閥開(kāi)度對(duì)軸瓦溫度的影響呈現(xiàn)相反的作用。單獨(dú)關(guān)閉GV1閥、GV3閥,汽輪機(jī)1、2號(hào)軸承左側(cè)溫度有所上升,但并不超限;單獨(dú)關(guān)閉GV2閥、GV4閥,汽輪機(jī)1號(hào)、2號(hào)軸承右側(cè)溫度有所上升,但并不超限,這與汽輪機(jī)進(jìn)汽方式對(duì)軸系作用力是吻合的;(3)試驗(yàn)過(guò)程中3~9號(hào)軸承溫度變化不明顯。
3.1.2、調(diào)門(mén)順序閥運(yùn)行方式試驗(yàn)
表3 模擬原設(shè)計(jì)的調(diào)門(mén)順序閥運(yùn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
基于以上試驗(yàn)工況,關(guān)閉GV2閥后,繼續(xù)關(guān)閉GV1閥,GV3、GV4閥單閥運(yùn)行,模擬制造廠原設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。此試驗(yàn)工況模擬了機(jī)組單閥切至順序閥后的情形,在GV2閥關(guān)閉后,逐漸關(guān)小GV1閥時(shí),1、2號(hào)軸承右側(cè)溫度升高很快,原因是高壓缸上部進(jìn)汽時(shí),下部進(jìn)汽量減少,配汽不平衡汽流力對(duì)轉(zhuǎn)子向下的作用力增加,推動(dòng)轉(zhuǎn)子向右下方移動(dòng),導(dǎo)致右側(cè)軸承油膜變薄,冷卻、潤(rùn)滑效果下降,右側(cè)軸承溫度急劇上升。
隨著GV1閥逐漸開(kāi)大,下部進(jìn)汽量增加,會(huì)使轉(zhuǎn)子向上的推動(dòng)力增加,右側(cè)軸承溫度逐漸降低,但由于GV2閥不進(jìn)汽,轉(zhuǎn)子仍然偏向右側(cè),右側(cè)軸承溫度偏高,隨著GV2閥的逐漸開(kāi)啟,機(jī)組恢復(fù)單閥運(yùn)行,轉(zhuǎn)子的受力恢復(fù)平衡,右側(cè)軸承溫度恢復(fù)正常。
3.2、調(diào)門(mén)運(yùn)行方式優(yōu)化試驗(yàn)
將閥門(mén)開(kāi)啟方式改變,先開(kāi)GV1、GV2閥,后開(kāi)GV3、GV4閥以調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷,始終保證轉(zhuǎn)子向上的作用力充足,即調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行方式改為:GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門(mén)依次開(kāi)啟,按這種方式切換后,機(jī)組瓦溫不再異常升高,機(jī)組能夠正常運(yùn)行。
更改熱工控制程序,將調(diào)門(mén)的開(kāi)啟順序改為GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門(mén)依次開(kāi)啟,機(jī)組實(shí)現(xiàn)了單閥向順序閥的自動(dòng)切換。順序閥運(yùn)行方式下,機(jī)組各工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4所示。
表4 調(diào)門(mén)順序閥運(yùn)行方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
從表4可以看出,機(jī)組調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行方式由單閥改為GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門(mén)依次開(kāi)啟的順序閥運(yùn)行方式后,機(jī)組1、2號(hào)瓦溫和振動(dòng)、機(jī)組的軸向位移正常,機(jī)組能夠安全運(yùn)行。
在其他機(jī)組配汽方式優(yōu)化改造結(jié)果中,存在對(duì)角進(jìn)汽的方式。機(jī)組采用對(duì)角進(jìn)汽方式,在圓周上非連續(xù)進(jìn)汽,此配汽將引起調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片所受的激振力頻率發(fā)生變化,動(dòng)葉片受到的動(dòng)應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化,從葉片安全角度考慮,GV1+GV2→GV3→GV4的進(jìn)汽方式優(yōu)于對(duì)角進(jìn)汽,因此目前山東電網(wǎng)投產(chǎn)的6臺(tái)超臨界660MW機(jī)組都采用此種進(jìn)汽方式。
4、不同調(diào)門(mén)運(yùn)行方式下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較
由于在制造廠設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式下,軸系存在故障,機(jī)組投產(chǎn)后一直單閥運(yùn)行,熱耗率高、經(jīng)濟(jì)性差。調(diào)門(mén)運(yùn)行方式優(yōu)化后,成功地實(shí)現(xiàn)了從單閥到順序閥的改變,機(jī)組能夠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),比較了機(jī)組單閥運(yùn)行和順序閥運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,如表5所示。
表5 不同調(diào)門(mén)運(yùn)行方式下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
由表5可以看出,機(jī)組順序閥運(yùn)行方式下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于單閥運(yùn)行的指標(biāo),尤其是400MW、500MW低負(fù)荷工況,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別較大。400MW順序閥工況,熱耗率低162kJ/(kW•h),高壓缸效率高9.125%;500MW順序閥工況,熱耗率低93.89kJ/(kW•h),高壓缸效率高5.578%。順序閥運(yùn)行方式,機(jī)組熱耗率低,高壓缸效率高?紤]機(jī)組目前的平均負(fù)荷率,白天負(fù)荷為500~550MW,晚上負(fù)荷為350~400MW,都處于調(diào)門(mén)單閥與順序閥運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別比較大的區(qū)域,機(jī)組由單閥運(yùn)行改為順序閥運(yùn)行后,節(jié)能效果顯著。
5、結(jié)語(yǔ)
(1)調(diào)節(jié)級(jí)的非對(duì)稱進(jìn)汽產(chǎn)生了配汽不平衡汽流力,而配汽不平衡汽流力是超臨界660MW汽輪機(jī)組產(chǎn)生軸系故障,無(wú)法投入噴嘴調(diào)節(jié)的根本原因。
(2)通過(guò)調(diào)門(mén)配汽方式優(yōu)化試驗(yàn),得到GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門(mén)依次開(kāi)啟的順序閥進(jìn)汽方式,成功實(shí)現(xiàn)了超臨界660MW機(jī)組從單閥到順序閥的切換。熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在80%以下負(fù)荷,機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高幅度較大,具有明顯的節(jié)能效果。