加强对标管理，深度优化平圩2#汽轮机组.doc

加强对标管理，深度优化平圩2#汽轮机组喷嘴配汽运行方式【摘 要】本文在分析和研究了大量机组运行优化方式的基础上，提出联合考虑负荷和阀点的运行优化方式，并考虑喷嘴配汽汽轮机组在单阀切换多阀运行时出现的汽流激振问题，提出相应的配汽优化方案。将该综合考虑汽流激振问题的方案应用于平圩2#汽轮机组，通过试验研究得到该机组的最佳滑压曲线和最优运行方式并成功解决过程中出现的汽流激振问题，与以往运行优化方案相比该方案更准确、更安全，更适用于实际运行情况。【关键词】600MW 机组 运行优化 汽流激振 机组效率0 引言近年来，为满足持续增长的全国电力需求总量，大批600MW 及以上机组投入运行，逐渐在电网中承担主力机组。大多数已投运的600MW 汽轮机常年运行在500MW 负荷区间，新建机组也提出了参与调峰的要求。机组长时间偏离设计工况运行，会导致运行经济性降低、存在安全隐患等诸多问题，如何保证机组在调峰运行时的经济性与安全性，是各厂家关注的重点。尤其是对于600MW 及以上机组来说，提高运行安全性与经济性对于国家电网安全及节能减排都有重要影响。针对这个问题，国内外不少研究学者和制造商都进行了大量的研究工作，并且提出了众多运行优化方案，较为合理地解决了运行优化问题。但以往的大多数研究往往只着眼于经济性而忽略了安全性。对于国内采用喷嘴配汽“顺阀”运行方式的机组，运行优化过程中暴露的安全性问题越来越突出。因为，顺序阀控制方式只有一个高压调节阀进行开度调节，其余的阀门保持全开或全关，处于非对称性的部分进汽状态，调门的动作又会使部分进汽的状态发生变化，往往会引发汽流激振，造成的危害较大，通常与机组所带的负荷有关，主要产生于大容量高参数机组的高压和高中压转子上，有时候为了考虑安全性而不得不牺牲一定的经济效益。若能合理解决汽流激振问题，将能提高机组的安全性，从而进一步提高经济效益。1 运行优化试验方案本文针对平圩2#汽轮机组通流改造后，为进一步提高机组在低负荷运行时的经济性，进行定滑压运行优化试验，并在优化过程中成功地解决了汽流激振的问题。通流改造后，原最优滑压曲线将不再适用，为了重新获得最优滑压曲线，保证机组运行经济性，需要进行定滑压运行优化研究。以往大部分运行优化试验认为喷嘴部分进汽不影响非调节级的内效率，研究表明部分进汽对高压缸后续流场也会造成影响，并且部分进汽度越小对非调节级影响越大，造成非调节级相对内效率下降，导致装置效率下降。在实际操作过程中，考虑可操作性和安全性，使用文献提出的联合使用负荷与阀位基准的概念，在2 阀与3 阀之间、3 阀与4 阀之间，提出复合滑压运行方式，保持2 阀（或3 阀）全开，1 个阀门处于节流状态进行滑压，定义为复合滑压工况。全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机16参考国内同类试验并结合平圩实际运行情况及机组在3 阀及2 阀全开时所能带最大负荷，试验安排90%、80%、70%、60%、50%等负荷点，见表1。表1 平圩2#机组定滑压运行试验工况负荷 工况1 工况2 工况3 工况4580MW 定压运行工况 - - 常规滑压工况540MW 定压运行工况 - - 常规滑压工况480MW 定压运行工况 3阀点滑压工况 复合滑压工况 常规滑压工况420MW 复合滑压工况1 3阀点滑压工况 复合滑压工况2 常规滑压工况360MW 2阀点滑压工况 3阀点滑压工况 复合滑压工况 常规滑压工况300MW 2阀点滑压工况 3阀点滑压工况 复合滑压工况 -每个工况采取ASME PTC6简化试验方法，测量汽轮机组热耗率，根据各试验工况修正后的热耗率和电力功率绘制热耗率与负荷的曲线，如图1所示。图中每个点对应表1中每一个工况点，从图中可以看出：在高负荷段，常规滑压运行热耗率高于定压运行热耗率；确定了几种基准负荷工况运行的经济性，机组在580MW、540MW、480MW、420MW、360MW、300MW负荷点时的最低热耗率分别为：8202.7kJ/(kW.h)、8319.6kJ/(kW.h)、8339.4kJ/(kW.h)、8435.8kJ/(kW.h)、8613.9kJ/(kW.h)、8899.4kJ/(kW.h)；寻找最低热耗率运行方式作为经济运行方式：580540MW，定压运行；540480MW，复合滑压；480450MW，3阀点滑压；450370MW，复合滑压；在370330MW，3阀点滑压；330300MW，2阀点滑压。根据上述经济运行方式，考虑操作上存在一定难度，并可能存在一定的安全隐患，故在370MW330MW负荷段，采用2阀点滑压。最后结合现场可操作性、安全性及相应修正理论得到最佳滑压曲线见图2。81008200830084008500860087008800890090009100300 350 400 450 500 550 600机组负荷/MW修正后热耗率/kJ/(kW.h)定压常规滑压3阀点复合滑压2阀点图1 机组热耗与负荷关系曲线全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机1791011121314151617300 350 400 450 500 550 600机组负荷/MW主蒸汽压力/MPa定压常规滑压3阀点滑压复合滑压2阀点滑压最佳滑压常规最佳滑压曲线图2 机组定滑压运行曲线图中曲线在420MW480MW负荷间的最佳压力并不是直线上升的而是呈现出近似水平的一段，并且每段斜率也不一样，这与与常规滑压曲线不一样（见图中虚线）。相比较而言，该方法得到的滑压曲线更精细，能够准确地找到机组经济运行方式，并且在实际操作过程中也完全可以实现。根据图2中的最佳滑压曲线，可以确定机组在各负荷下的经济运行参考方式，见表2。表2 不同负荷优化运行方式及阀门开启情况序 号 负 荷 主蒸汽压力（范围） 最优运行方式 阀门开启情况1 580540MW 16.70MPa 定压运行 3 阀全开1 阀节流2 540480MW 14.97-16.70MPa 复合滑压运行 3 阀全开1 阀节流3 480450MW 14.85-14.97MPa 3 阀点滑压运行 3 阀全开4 450370MW 13.44-14.85MPa 复合滑压运行 2 阀全开1 阀节流5 370300MW 11.17-13.44MPa 2 阀点滑压运行 2 阀全开2 运行优化过程中汽流激振问题及解决方式在机组运行优化过程中，汽机单阀切换多阀运行时，引起1#、2#瓦温度急骤升高，短时最高达105，后下降，稳定在91；且振动异常变化，振动最大达108m，变化非常敏感。分析表明，喷嘴配汽引起的汽流激振是产生轴系振动和轴瓦温度升高的根本原因，而不平衡汽流力则是引发汽流激振的主要原因。机组设计的阀门配置和开启顺序如图3，即顺序阀为3+412，配汽机构数据如表3，机组轴系如图4。全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机18图3 阀门配置和开启顺序(从机头向发电机看)其中，1、2、3、4 分别代表1 号、2 号、3 号、4 号阀门。以3+412 为例，该进汽方式为：3 号、4 号阀门同时开启，然后开启1 号阀门，最后打开2 号阀门。表3 配汽机构数据表阀号 阀门公称内径mm 阀门公称面mm2 每阀控制喷嘴数每阀控制面积mm2 累计喷嘴数 累计喷嘴面积mm21 196.85 30434 34 11105.7 34 11105.72 196.85 30434 34 11105.7 68 22211.43 196.85 30434 34 11105.7 102 11117.14 196.85 30434 34 11105.7 136 44411.8图4 600MW 汽轮机轴系示意简图蒸汽进入调节级动叶栅产生合力Fb，通常Fb 分解为沿圆周速度方向的切向分力Ft 和沿汽轮机轴线方向的轴向分力Fz，如图5、6 所示。切向分力Ft 产生转矩做机械功传递给发电机产生电能；轴向分力Fz 的合力由推力轴承平衡。这两个方向上的力都会影响轴承的载荷，从而影响轴系的稳定。FtFz Fbp1p2 2w11w2图5 蒸汽在调节级动叶栅的流动简图全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机191#轴承2#轴承LD调节级L1 L2Fz3Fz4Fz1Fz2xyFxFy Ft调节级左视图FxFy图6 转子与轴系支承系统（1）切向分力Ft 对轴承的影响分析调节级动叶汽流切向力在水平、垂直方向上的分力可以根据以下公式计算：= 10sin F F d x t ； = 10cos F F d y t (1)式中，0，1 分别为喷嘴弧段对应的起、止相位角；Ft 为喷嘴弧段单位长度对应的汽流切向力，同一喷嘴组其汽流切向力相等。由公式1 可知，在全周均匀进汽时，积分为零，动叶上的汽流力不产生横向作用力；调节级非全周进汽时，积分不等于零，汽流对转子产生横向作用力；调节级组不同进汽方式下，对转子产生不同的横向作用力，由此对转子振动和轴承载荷产生影响。转子两端支持轴承上横向作用力的分力决定于调节级叶轮与两端轴承中心的距离。对如图6 所示的转子与轴承支承系统，1#、2#轴承上的分力为：x x FLF L21 = ； y y FLF L21 =x x FLF L12 = ； y y FLF L12 = (2)（2）轴向分力Fz 对轴承的影响分析如图5 所示，调节级动叶汽流轴向力可以通过以下公式计算：( sin sin ) ( ) 1 1 2 2 1 2 F G w w A p p z b = + (3)其中，G-单位时间内动叶栅所通过的蒸汽质量；Ab-动叶轴向面积；p1、p2-动叶前、后压力；w1-蒸汽流入动叶前相对速度；w2-蒸汽流入动叶后相对速度。由公式3 可知，在高压调节级产生的轴向分力Fz 与G 成正比的。设： 1 1 2 2 k = w sin w sin ， ( ) 1 2 R A p p z = 则公式4 简化为：z F = kG + R (4)全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机20设GV1、GV2、GV3、GV4 调节阀对应的喷嘴组控制着蒸汽流量的大小G1、G2、G3、G4，那么，分别作用转子调节级动叶栅上的轴向分力分别为：Fz1、Fz2、Fz3 和Fz4。若Fz 分别由四组不同开度的调节阀控制蒸汽流量大小，对高压转子就产生一个不对称的侧向翻转力矩。以1#可倾瓦轴承为例进行受力分析，可知1#可倾瓦轴承不仅受到转子重量载荷和转子-轴承旋转摩擦力载荷外，还受到高压调节级的侧向合力F 作用。如图6 所示，假设以2#轴承为支点，1#轴承为自由端，根据力矩平衡方程，结合公式4 可得：k G G G G D LF F F F F D L x z z z z( 3 4 1 2) cos 45 / 2( ) ( ) cos 45 / 2 3 4 1 2oo= + = + +(5)k G G G G D LF F F F F D L y z z z z( 4 2 3 1) sin 45 / 2( ) ( ) sin 45 / 2 4 2 3 1oo= + = + +(6)式中，D 为调节级节径，L 为#1 轴承和#2 轴承之间的距离。由（公式5、6）得知：调节阀开启过程中，1#可倾瓦轴承受到左、右侧向力Fx；同时受到上、下侧向力Fy。通过配汽优化可以实现汽流量大小的合理配置总而减小Fx 和Fy。根据上述理论，借鉴国内部分600MW汽轮机组配汽改进方案，对平圩2#机组进行顺序阀试验与轴承载荷的理论计算后提出改进配汽方案：3+241。针对改进前后阀门开启顺序，比较轴承承载的变化情况，针对不同的阀门开启顺序，轴承载荷F（载荷规定向下），可按下式计算，计算结果见图5、6。= sara ka F F1cos (7)式中，Fra为第a瓦所受径向力，ka为第a瓦支点位置角。5000700090001100013000150001700019000210000 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400进汽量(t/h)轴承载荷(kg)1#轴承2#轴承500070009000110001300015000170001900021000600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200进汽量(t/h)轴承载荷(kg)1#轴承2#轴承原设计轴承载荷与进汽量的关系 改进后轴承载荷与进汽量的关系图5 改进前后轴承载荷与进汽量的关系-75-65-55-45-35-25-15-550 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400进汽量(t/h)轴承载荷()1#轴承2#轴承-75-65-55-45-35-25-15-55600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200进汽量(t/h)轴承载荷方向()1#轴承2#轴承原设计轴承载荷方向与进汽量的关系 改进后轴承载荷方向与进汽量的关系图6 改进前后轴承载荷方向与进汽量的关系+ - + -全国火电600MW 级机组能效对标及竞赛第十五届年会论文集 汽机21通过上图可知，原设计的顺序阀开启顺序3+412轴承比压超过设计允许值，引起机组产生油温高或振动大的现象。改进方案3+241轴承载荷在设计允许比压范围内，对油温和振动影响较小，可长期安全运行。采用顺序阀3+241后，在运行中对汽轮机1#4#轴承振动与轴瓦温度数据进行监测，试验数据见表3。监测数据表明：配汽优化后，与优化前的振动最大值108m及瓦温最高值105相比，机组运行中轴振和瓦温等指标降低较多，达到安全值，并避免了1+43+2运行方式中2号和3号阀同时参与节流调节，机组效率低的问题，比较成功地解决了不平衡汽流力引起的汽流激振。结合前面优化所得最优滑曲线压，考虑实际运行中阀门开启顺序由3+412改为3+241，可有效避免汽流激振问题，在保证安全性的同时提高经济性。表4 600MW汽轮机配汽优化后1#4#轴承振动、轴瓦温度数据功率阀门开度（%） 轴承振动（m，X向/Y向） 轴瓦温度（，1#瓦/2#瓦）（MW） GV1 GV2 GV3 GV4 1# 2# 3# 4# 1# 2# 3# 4#300 1 97 97 17 39/36 74/57 73/61 81/61 75/78 82/74 52/58 81/76360 1 91 90 18 42/36 81/58 73/59 82/61 75/78 82/74 52/58 81/76420 0 99 100 23 46/38 82/57 77/58 84/62 74/74 77/70 52/58 81/77480 1 99 99 23 43/40 77/57 76/61 84/61 74/76 78/71 52/58 82/77540 1 99 99 33 50/42 81/61 80/52 82/61 75/