超臨界660MW汽輪機調(diào)門運行方式分析與優(yōu)化

超臨界660MW汽輪機調(diào)門運行方式分析與優(yōu)化某電廠超臨界660MW機組在調(diào)門從單閥切換為順序閥運行的過程中，1、2號軸瓦溫度急劇升高，嚴重影響機組的安全、經(jīng)濟運行。順序閥運行方式下，非對稱進汽產(chǎn)生的不平衡汽流力是導(dǎo)致軸系故障的原因。通過調(diào)門不同組合方式的試驗研究，得到了安全可靠的調(diào)門運行方式，成功地實現(xiàn)了機組從單閥到順序閥的切換。熱力性能試驗數(shù)據(jù)說明，機組由單閥切換為順序閥后，經(jīng)濟性明顯提高。

汽輪機閥門組的工作方式有2種：節(jié)流(單閥)調(diào)節(jié)和噴嘴(順序閥)調(diào)節(jié)。不同的配汽方式對機組的安全、經(jīng)濟性有顯著影響。節(jié)流調(diào)節(jié)是全周進汽，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)負荷的快速變化以及機組的快速啟動。節(jié)流調(diào)節(jié)的缺點是在低負荷時，每個閥均部分開啟而產(chǎn)生較大的節(jié)流損失，使機組的熱效率低很多。在噴嘴調(diào)節(jié)方式下，所有的調(diào)節(jié)閥順序開啟，節(jié)流損失小，因此機組低負荷運行的效率高。

噴嘴調(diào)節(jié)是汽輪機普遍采用的調(diào)節(jié)方式，但由于噴嘴調(diào)節(jié)在任何功率下，有些進汽弧段是關(guān)閉或部分開啟的，破壞了汽輪機進汽的周向均勻布置，在啟動以及負荷大范圍變動時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)計不合理，調(diào)節(jié)級在部分進汽時就會產(chǎn)生較大的配汽不平衡汽流力，給機組的運行帶來不利影響。據(jù)統(tǒng)計，近幾年，國內(nèi)一些亞臨界和超臨界600MW以上容量等級的機組，在試生產(chǎn)期結(jié)束以后，在單閥切順序閥運行的過程中，出現(xiàn)了一系列由于噴嘴配汽設(shè)計不當(dāng)而引發(fā)的軸系故障問題。這些故障的存在，導(dǎo)致機組無法開展正常的調(diào)門運行方式切換，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，嚴重影響機組運行的經(jīng)濟性。1、調(diào)門運行方式切換過程中的問題

1.1、調(diào)門構(gòu)造和參數(shù)

某電廠的660MW機組是國產(chǎn)第1臺超臨界、單軸、三缸(高中壓合缸)、四排汽、一次中間再熱凝汽式660MW機組，機組型號為N660-24.2/566/566，調(diào)門設(shè)計數(shù)據(jù)如下表1所示，調(diào)門構(gòu)造與布置如圖1所示。

表1調(diào)門設(shè)計數(shù)據(jù)

圖1閥門配置和開啟順序(原設(shè)計)

1.2、調(diào)門運行方式切換過程中的問題

制造廠設(shè)計的順序閥運行方式為GV3+GV4→GV1→GV2調(diào)門依次開啟，但在開展機組投產(chǎn)后性能試驗時，在調(diào)節(jié)閥運行方式切換的過程中，出現(xiàn)瓦溫異常升高的問題。

在540MW負荷下，機組開展從單閥到順序閥的自動切換，切換后，軸向位移由0升至0.22mm、1號軸承瓦溫度由71.65℃升至112.57℃(跳機時的瓦溫度為113℃)、2號軸承瓦溫度由82.13℃升至110.83℃。機組調(diào)門的運行方式切換回單閥運行，1、2號瓦溫恢復(fù)正常。2、配汽不平衡汽流力的產(chǎn)生機理

蒸汽在調(diào)節(jié)級中流動時，對調(diào)節(jié)級動葉片產(chǎn)生汽流力的作用，這個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)，同時產(chǎn)生一個通過轉(zhuǎn)軸中心的力;軸向汽流力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向位移，并且對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)調(diào)節(jié)級均勻進汽時，切向汽流力所產(chǎn)生的通過轉(zhuǎn)軸中心的力和軸向汽流力對轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)力矩均勻地分布于整個圓周，能夠自平衡，不對外表現(xiàn)力的作用。但當(dāng)調(diào)節(jié)級部分進汽時，各種力不能夠自平衡，表現(xiàn)出調(diào)節(jié)級配汽不平衡汽流力的作用，在機組的各軸承處產(chǎn)生附加載荷。

作用在一個動葉片上的切向汽流力Fui和軸向汽流力Fzi分別為：

式中：C為通過動葉片的蒸汽流量，kg/h;Ab為動葉片的軸向面積，m2;C1u為在動葉片進口蒸汽的絕對切向流速，m/s;C2u為動葉片出口蒸汽的絕對切向流速，m/s;C1z為在動葉片進口蒸汽的絕對軸向流速，m/s;C2z為在動葉片出口蒸汽的絕對軸向流速，m/s。

可以看出，要計算Fui和Fzi，需要開展調(diào)節(jié)級變工況的熱力計算，求得相關(guān)參數(shù)。計算得到Fui和Fzi后，切向汽流力Fui所產(chǎn)生的通過轉(zhuǎn)軸中心的力就是Fui，軸向汽流力Fzi對轉(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，對高壓轉(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以上容量的機組，閥門運行方式切換過程中的軸系故障，多發(fā)生在1、2號軸承上。

由于水平不平衡汽流力的作用，使軸心位置發(fā)生移動，軸在軸承中的側(cè)隙發(fā)生了很大變化，軸心偏移使軸瓦進口油楔面積大大減小，如圖2所示，軸承供油量缺陷，軸承工作所產(chǎn)生的熱量不能及時被帶走，必然致使軸瓦溫度升高。嚴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，軸承進出口油楔大小發(fā)生變化，必然引起軸承靜動特性發(fā)生明顯變化，從而進一步引發(fā)振動、穩(wěn)定性等一系列軸系故障的發(fā)生。隨著機組參數(shù)的升高，配汽不平衡汽流力的增長幅度大大超過轉(zhuǎn)子自重的增長幅度，由于配汽不平衡汽流力的急劇增長，在高參數(shù)機組上，瓦溫和振動會明顯增加，配汽導(dǎo)致的軸系故障更加嚴重。

圖2不平衡汽流力作用下軸承的工作狀態(tài)3、調(diào)門配汽方式優(yōu)化試驗

按照制造廠原設(shè)計的順序閥運行方式，在閥門運行方式自動切換過程中，出現(xiàn)瓦溫快速升高的現(xiàn)象已嚴重影響機組的安全運行，因此在調(diào)門單閥方式運行的根底上，開展模擬試驗，即逐個閥門關(guān)閉試驗。

3.1、閥門關(guān)閉試驗

閥門關(guān)閉試驗就是有選擇地緩慢關(guān)閉處于單閥方式運行下的汽輪機的一兩個汽門，通過觀察這一過程中汽輪機軸承金屬溫度的變化來確定軸承受力的變化;通過觀察汽輪機轉(zhuǎn)子振動的變化來估算激振力與不平衡力給轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性帶來的影響;通過觀察每個汽門關(guān)閉時負荷的變化來檢驗4個高壓調(diào)門的特性是否一致，最后綜合以上監(jiān)測數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，合理判斷，確定出能夠滿足汽輪機安全運行的順序閥方式的閥序。

3.1.1、單個調(diào)門關(guān)閉的試驗

采用單個調(diào)門關(guān)閉，其他調(diào)門單閥運行的試驗方式，將機組高壓調(diào)門逐個關(guān)閉，開展調(diào)門組合方式試驗，摸清調(diào)門進汽方式對軸系的影響。試驗步驟如下：機組單閥方式運行，維持負荷在480MW左右，每次試驗1只高壓調(diào)門，試驗時嚴格控制主蒸汽壓力為額定壓力24.2MPa，保持凝汽器真空、軸承潤滑油進油溫度及機組運行方式不變。通過手動改變試驗高壓調(diào)門閥位，使其閥位從0至100%變化，每個試驗閥位點穩(wěn)定運行0.5h以上，全面記錄機組運行參數(shù)，嚴密觀察在不同的閥序下，各軸承振動、瓦溫、高壓缸上下缸溫差、推力瓦溫、脹差等參數(shù)變化情況。試驗結(jié)果說明，隨著每只高壓調(diào)門閥位的變化，負荷在480MW上下變化不大，機組運行正常，所有安全參數(shù)均未超標(biāo)。

表2單個調(diào)門關(guān)閉的試驗數(shù)據(jù)

表2為單閥關(guān)閉試驗數(shù)據(jù)，從表2可知：(1)關(guān)閉任一調(diào)門，軸系振動變化不明顯;(2)由于對稱布置的原因，GV1與GV4、GV2與GV3閥開度對軸瓦溫度的影響呈現(xiàn)相反的作用。單獨關(guān)閉GV1閥、GV3閥，汽輪機1、2號軸承左側(cè)溫度有所上升，但并不超限;單獨關(guān)閉GV2閥、GV4閥，汽輪機1號、2號軸承右側(cè)溫度有所上升，但并不超限，這與汽輪機進汽方式對軸系作用力是吻合的;(3)試驗過程中3~9號軸承溫度變化不明顯。

3.1.2、調(diào)門順序閥運行方式試驗

表3模擬原設(shè)計的調(diào)門順序閥運行的試驗數(shù)據(jù)

基于以上試驗工況，關(guān)閉GV2閥后，繼續(xù)關(guān)閉GV1閥，GV3、GV4閥單閥運行，模擬制造廠原設(shè)計的順序閥運行方式開展試驗，試驗數(shù)據(jù)如下表3所示。此試驗工況模擬了機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，1、2號軸承右側(cè)溫度升高很快，原因是高壓缸上部進汽時，下部進汽量減少，配汽不平衡汽流力對轉(zhuǎn)子向下的作用力增加，推動轉(zhuǎn)子向右下方移動，導(dǎo)致右側(cè)軸承油膜變薄，冷卻、潤滑效果下降，右側(cè)軸承溫度急劇上升。

隨著GV1閥逐漸開大，下部進汽量增加，會使轉(zhuǎn)子向上的推動力增加，右側(cè)軸承溫度逐漸降低，但由于GV2閥不進汽，轉(zhuǎn)子仍然偏向右側(cè)，右側(cè)軸承溫度偏高，隨著GV2閥的逐漸開啟，機組恢復(fù)單閥運行，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)門運行方式優(yōu)化試驗

將閥門開啟方式改變，先開GV1、GV2閥，后開GV3、GV4閥以調(diào)節(jié)機組負荷，始終保證轉(zhuǎn)子向上的作用力充足，即調(diào)節(jié)閥的運行方式改為：GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟，按這種方式切換后，機組瓦溫不再異常升高，機組能夠正常運行。

更改熱工控制程序，將調(diào)門的開啟順序改為GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟，機組實現(xiàn)了單閥向順序閥的自動切換。順序閥運行方式下，機組各工況下的運行數(shù)據(jù)如下表4所示。

表4調(diào)門順序閥運行方式下的試驗數(shù)據(jù)

從表4可以看出，機組調(diào)節(jié)閥的運行方式由單閥改為GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟的順序閥運行方式后，機組1、2號瓦溫和振動、機組的軸向位移正常，機組能夠安全運行。

在其他機組配汽方式優(yōu)化改造結(jié)果中，存在對角進汽的方式。機組采用對角進汽方式，在圓周上非連續(xù)進汽，此配汽將引起調(diào)節(jié)級動葉片所受的激振力頻率發(fā)生變化，動葉片受到的動應(yīng)力也會發(fā)生變化，從葉片安全角度考慮，GV1+GV2→GV3→GV4的進汽方式優(yōu)于對角進汽，因此目前**電網(wǎng)投產(chǎn)的6臺超臨界660MW機組都采用此種進汽方式。4、不同調(diào)門運行方式下的機組經(jīng)濟指標(biāo)比較

由于在制造廠設(shè)計的順序閥運行方式下，軸系存在故障，機組投產(chǎn)后一直單閥運行，熱耗率高、經(jīng)濟性差。調(diào)門運行方式優(yōu)化后，成功地實現(xiàn)了從單閥到順序閥的改變，機組能夠安全、經(jīng)濟運行。由熱力性能試驗數(shù)據(jù)，比較了機組單閥運行和順序閥運行的經(jīng)濟性，如下表5所示。

表5不同調(diào)門運行方式下的機組經(jīng)濟指標(biāo)

由表5可以看出，機組順序閥運行方式下的經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)于單閥運行的指標(biāo)，尤其是400MW、500MW低負荷工況，經(jīng)濟指標(biāo)差異較大。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%。順序閥運行方式，機組熱耗率低，高壓缸效率高?？紤]機組目前的平均負荷率，白天負荷為500～550MW，晚上負荷為350～400MW，都處于調(diào)門單閥與順序閥運行經(jīng)濟指標(biāo)差異比較大的區(qū)域