汽轮机低压缸切缸运行关键技术研究

汽　轮　机　技　术ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ.６１Ｎｏ.６

Ｄｅｃ.２０１９

汽轮机低压缸切缸运行关键技术研究

梁天赋１ꎬ谢尉扬２ꎬ王　飞２ꎬ武芏茳１ꎬ李　央１

(１哈尔滨汽轮机厂有限责任公司ꎬ哈尔滨１５００４６ꎻ２浙江浙能电力股份有限公司ꎬ杭州３１０００７)

摘要:汽轮机切缸运行中存在着长叶片安全隐患、鼓风升温以及加剧水蚀等等问题ꎮ详细分析产生风险的具体原因ꎬ并且给出了相应的解决措施ꎬ通过实际运行中的实例来证明以上措施的可靠性ꎮ关键词:灵活性改造ꎻ切除低压缸ꎻ热电解耦

分类号:ＴＫ２６７　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１００１￣５８８４(２０１９)０６￣０４７１￣０２

ＴｈｅＫｅｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＲｅｍｏｖｉｎｇｔｈｅＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣｙｌｉｎｄｅｒｏｆＳｔｅａｍＴｕｒｂｉｎｅ

ＬＩＡＮＧＴｉａｎ￣ｆｕ１ꎬＸＩＥＷｅｉ￣ｙａｎｇ２ꎬＷＡＮＧＦｅｉ２ꎬＷＵＤｕ￣ｊｉａｎｇ１ꎬＬＩＹａｎｇ１

２ＺｈｅｊｉａｎｇＺｈｅｎｅｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＨａｎｇｚｈｏｕ３１０００７ꎬＣｈｉｎａ)

(１ＨａｒｂｉｎＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＨａｒｂｉｎ１５００４６ꎬＣｈｉｎａꎻ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｒｅｍｏｖｉｎｇｔｈｅｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈａｓｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｂｌａｄｅｓｓａｆｅｔｙｈｉｄｄｅｎｄａｎｇｅｒꎬｂｌａｓｔｗａｒｍｉｎｇꎬａｇｇｒａｖａｔｅｗａｔｅｒｅｒｏｓｉｏｎａｎｄｓｏｏｎ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｃａｕｓｅｓｏｆｔｈｅｒｉｓｋｓꎬａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｓ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎꎻｒｅｍｏｖａｌｏｆｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｃｙｌｉｎｄｅｒꎻｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ

０　前　言

目前电力市场形势电力产能严重过剩ꎬ电网调峰问题突出ꎬ而“三北”地区热电厂冬季通常采用以热定电的方式运行ꎬ调峰能力受到热负荷的制约ꎬ热电厂冬季运行供热经济效益大于发电经济效益ꎬ需要进行热电解耦来破解此难题ꎬ灵活性改造成为“三北”地区热电厂的迫切需求[１ꎬ２]ꎮ等等[１]ꎮ

国内火电机组灵活性改造采取的主要技术有:储热罐技

１　低压缸长叶片安全性

低压末两级叶片叶高较长ꎬ在运行过程静应力较大ꎬ是低压缸切缸运行下最危险两级叶片ꎮ低压缸切缸运行后ꎬ蒸汽流量急剧下降ꎬ导致流场不稳定ꎬ使气流从叶片表面脱落产生聚集现象ꎬ形成倒流涡流区ꎬ如图１所示ꎬ涡流引发不规律的气流激振ꎬ使叶片出现动应力“突增现象”ꎬ此时的动应力比设计工况要大５~１０倍[３]ꎬ如图２所示ꎬ如果不对叶片动应力水平加以ꎬ会严重影响长叶片的安全运行ꎮ

术、电锅炉技术、汽轮机旁路供热技术、切除低压缸运行技术

切除低压缸技术是通过在运行过程中切除低压缸全部

进汽ꎬ仅通入少量冷却蒸汽ꎬ实现低压缸零出力ꎮ切缸工况中高品质蒸汽通过高、中压缸出力发电ꎬ中排蒸汽进入热网供暖ꎬ消除了冷源损失ꎬ达到能量的阶梯利用ꎬ经济性好ꎬ在保障供热面积的同时降低机组发电量ꎬ实现了电厂热电负荷灵活调节ꎬ提高了机组的供热、调峰能力ꎮ

切除低压缸技术相比其它技术ꎬ具有切换灵活ꎬ汽轮机本体改造范围小ꎬ改造费用低ꎬ运行维护成本低ꎬ热电联产具有良好的经济性等优势ꎮ

但是这种极端工况运行对机组的提出了更高要求ꎮ机组设计之初主要考虑较高负荷发电情况ꎬ而低压缸切缸是只有冷却蒸汽进入ꎬ零负荷工况ꎬ在这种工况下会产生新问题ꎬ给机组带来未知的安全隐患ꎬ在改造之初就需要对可能产生的风险进行详细分析ꎬ并在机组改造过程中采取相应措施ꎬ保障机组的安全性ꎮ

　收稿日期:２０１９￣０５￣３１　　　　　

图２　不同负荷下叶片动应力变化曲线

图１　低负荷下流动分离和旋涡

　作者简介:梁天赋(１９８４￣)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ工程师ꎮ主要从事汽轮机叶片强度振动方面工作ꎮ

４７２汽　轮　机　技　术　　

为了保障末两级长叶片安全性ꎬ需要选择合适的次末

第６１卷

零泄漏ꎬ中压排汽大部分通过采暖抽汽口进入热网ꎬ通过旁路将小部分蒸汽作为冷却蒸汽引入低压缸ꎬ这部分进入低压缸的蒸汽会将鼓风产生的热量带走ꎮ

级、末级动叶ꎬ叶片的气动性能、静应力安全裕量、共振频率避开率决定着在切缸工况下运行的叶片安全性ꎮ

(１)叶片在小流量、低负荷下产生的倒流、涡流ꎬ从根本(２)切缸运行工况下的叶片要求其稳态静应力有一定的

上决定着动应力大小ꎬ如果一只叶片在小流量情况下产生的倒流、涡流较小ꎬ则其动应力水平较低ꎮ

３　水蚀风险

部背弧侧会产生水蚀现象[３]ꎬ在设计时会考虑水蚀的发生ꎬ采取防护措施ꎬ所以ꎬ纯凝工况下水蚀问题得到了有效解决ꎮ而在切缸工况下ꎬ叶片根部的脱流和叶片顶部的涡流汽流中夹带的水滴随蒸汽倒流冲刷叶片ꎬ特别是叶片型线根部出汽在纯凝工况下ꎬ汽轮机次末级、末级叶片叶型进汽边顶

安全裕度ꎬ以适应在工况切换、温度上升等情况下的静应力上升ꎬ同时ꎬ如果叶片静应力较小ꎬ则意味着动应力会有比较大的许用范围ꎮ所以ꎬ静应力较大的叶片是不适合切缸运行的ꎮ

机组运行时一般要求在工作转速的(３)低压缸长叶片出厂前均测试三重点共振转速９４％~１０３％内无三重点ꎬ正常

共振转速ꎮ叶片的动应力大小与共振转速有关ꎬ运行转速离共振转速越近ꎬ叶片的动应力越大ꎮ叶片共振转速与运行转速的避开率越高ꎬ则在切缸工况运行中ꎬ动应力越小ꎮ

小ꎬ选择动应力较小的叶片用于切缸工况(４)进行动应力试验ꎬ测出不同工况下的叶片动应力大

ꎬ并且测试出叶片动应力比较大的运行区间ꎬ在切缸工况运行时ꎬ避开危险区间ꎬ保证安全性ꎮ

根据以上指标ꎬ将叶片进行筛选ꎬ选择小流量低负荷下产生涡流、倒流少、静应力安全裕度大、共振频率避开远的叶片ꎬ用于低压缸切缸改造ꎬ并对此进行动应力测试ꎬ确定其安全运行的区间ꎬ指导运行ꎮ

２　鼓风风险

汽轮机在小流量低负荷的情况下ꎬ会产生鼓风效应ꎬ产生鼓风效应的级中ꎬ不但不能做功ꎬ还需要叶轮带动蒸汽一起转动ꎬ产生像鼓风机一样的效应把蒸汽排出ꎬ此时ꎬ高速转动的叶轮与周围蒸汽相互摩擦会产生大量的热量ꎬ使叶片温度升高(１)ꎬ如不对叶片温度进行控制ꎬ会带来如下问题(２)轴承标高发生变化末级叶片许用值发生变化ꎬ容易引起汽缸变形:

末级叶片整圈动频率下降ꎬ、动静碰磨ꎮ

ꎬ存在静应力超标的风险存在共振点落入避开区ꎮ的风险(３)ꎮ

叶片经过筛选之后ꎬ静应力有足够的安全裕量ꎬ频率也

有一定的避开率ꎬ只要采取有效的降温措施ꎬ就不会引起次末级、末级叶片因升温产生的风险ꎮ

主要采取以下两种降温措施对次末级、末级叶片进行降温:

(１)低压缸喷水系统全部采用不锈钢产品优化低压缸喷水系统

ꎬ防止管道锈蚀和阀门卡涩ꎬ保证系统稳定运行ꎮ采用性能优良的雾化喷头ꎬ保证喷水减温效果ꎮ采用双路喷水系统ꎬ设置合理的喷水逻辑ꎬ分阶段投入ꎬ既保证减温效果ꎬ又避免喷水过量ꎮ优化喷水角度(２)ꎬ减少减温水回流导致叶片水蚀ꎮ

更换中压连通管阀门引入旁路进汽

ꎬ可以实现快开功能ꎬ关闭时达到

边部分ꎬ会有很大风险ꎮ

叶型根部静应力大于叶型顶部静应力ꎬ并且出汽边厚度远远小于进汽边ꎬ如果采取相应的防护措施ꎬ其水蚀速度会大于顶部ꎬ严重者产生断裂ꎮ

叶型根部出汽边较薄ꎬ防水蚀措施会区别于叶型顶部ꎬ一般采用耐水蚀材料粉末进行超音速火焰喷涂进行防护处理ꎮ喷涂防护处理范围为:低压次末级、末级动叶片出汽边的正反两侧ꎬ长度覆盖可能出现水蚀的全部区域ꎬ起到防止末两级叶片水蚀的效果ꎮ

４　结　论

低压缸切缸运行是近年来提出的一种全新运行模式ꎬ对于改造机组ꎬ在设计之初ꎬ往往没有考虑到这种工况ꎬ没有进行相关安全校核ꎬ所以ꎬ在改造时需要采取以下措施保障机组运行安全性核算末两级动叶的气动性能(１)选取合适的次末级:

、、末级叶片是切缸运行的基础静应力ꎬ再根据实测频率ꎬ挑选ꎮ

气动性能好、静应力水平低、共振避开率高的叶片用于切缸工况运行喷头(２)ꎬ并且做到喷水量可以调节将低压缸喷水系统进行优化ꎮ

ꎬ在喷水降温的同时不增加ꎬ采用性能优良的雾化叶片水蚀(３)引入旁路进汽系统ꎮ

汽带出低压缸ꎬ防止温度上升ꎬ将鼓风产生的热量通过冷却蒸(４)末级、次末级动叶在叶型顶部ꎮ施ꎬ防止水蚀带来安全隐患ꎮ

、根部采取防水蚀措

以上方法将根据切缸机组运行经验进一步完善、改进ꎬ保障机组低压缸切缸后的安全运行ꎬ提高供热机组的调峰能力、供热抽汽能力和供热经济性ꎮ

参考文献

[１]　杨豫森２０１７ꎬ(５).

.丹麦、德国火电灵活性改造借鉴意义[Ｊ].中国电业ꎬ[２]　刘永奇设计与实践ꎬ张弘鹏[Ｊ].ꎬ李电力系统自动化　群ꎬ等.东北电网电力调峰辅助服务市场ꎬ２０１７ꎬ４１(１０):１４８－１５４.[３]　刘万琨１２(４):７.汽轮机末级叶片颤振设计－１３.

[Ｊ].东方电气评论ꎬ２００７ꎬ