超临界机组配汽不平衡汽流力对机组的影响分析及优化实践

超临界机组配汽不平衡汽流力对机组的影响分析及优化实践

0调节控制阀开启顺序近年来，一些中国的200m、300m和600mw汽轮车组在峰变压过程中出现了多通道故障，导致轴系错误。故障的特点是轴向位移、瓦温上升、轴向振动不稳定、低频涡旋。有时，超过100的瓦温可以导致燃烧瓦压事故，严重影响了机组的安全运行。配汽设计不当而引发机组故障是一个比较普遍的问题,文献中作者分析了因调节阀门开启顺序的原因,调节级部分进汽产生垂直方向的不平衡汽流力,从而引发若干台东方300MW机组高中压转子的低频振动故障。文献讨论了改变调节阀开启次序和开度差时,调节级叶顶围带上汽封漏汽对转轴垂直作用力、调节级前漏汽对叶轮凸肩上垂直作用力和调节级动叶片前后压差及蒸汽在动叶片中朝轴向方向流动速度产生轴向推力的变化,对高压转子转轴挠度、轴端转角和轴承支反力的综合影响,从而引发#1轴承温度高的故障。文献分析了变负荷过程中,调节级横向不平衡汽流力对机组轴心位置、轴振和瓦温等的影响。对于亚临界机组,许多研究单位已经开展了相关研究,并进行了顺序阀优化改造实践,取得了良好的应用效果[6,7,8,9,10,11,12,13,14],然而,目前很少有针对超临界机组的配汽优化改造实践。为此,本文开展了超临界机组的配汽不平衡汽流力对机组的影响及配汽优化改造研究,并且在某超临界机组上进行了配汽优化改造实践,证明了在超临界机组上进行配汽优化改造的可行性。1调节级不平衡汽流力的作用蒸汽在调节级中流动时,对调节级动叶片产生汽流力的作用,这个汽流力可分解为沿圆周方向的切向力、沿半径方向的径向力和沿转轴方向的轴向力。当调节级均匀进汽时,切向汽流力所产生的通过转轴中心的力和轴向汽流力对转轴的翻转力矩均匀的分布于整个圆周,能够自平衡,不对外表现力的作用。但当调节级部分进汽时,它们不能够自平衡,表现出调节级配汽不平衡汽流力的作用,在机组的各轴承处产生附加载荷。图1为某超临界660MW汽轮机组的调节级喷嘴室布置示意图,阀门开启顺序为:高调门GV1→GV2→GV3→GV4顺序开启。计算得到额定主蒸汽参数下调节级不平衡汽流力在整个负荷变化过程中对#1、#2瓦轴承产生的水平和垂直方向上的附加载荷如图2所示。可以看出,在负荷变化过程中,调节级配汽不平衡汽流力在#1、#2瓦轴承处所产生的附加载荷有很大变化,当机组负荷在400MW左右,即高调门GV1、GV2基本全开,GV3、GV4基本不开或开度很小的负荷段内,调节级不平衡汽流力最大可对#1瓦轴承产生近11t左右的水平附加载荷,对#2瓦轴承产生近16t左右的水平附加载荷,而高压转子的自重约为34t左右,如此大的水平附加载荷必然会对机组轴系产生明显的影响。2顺序阀运行时瓦温最高某超临界600MW机组在原配汽规律下由顺序阀切换为单阀时(图3),相应时刻的瓦温的变化如图4所示。从图4中可以看出,原顺序阀运行的瓦温最高达到92℃,而单阀运行时瓦温最高仅为82℃,由此可见,机组在原配汽规律下,顺序阀运行时#1瓦瓦温升高15℃,#2瓦瓦温升高10℃,对机组的安全运行产生了极为不利的影响。目前,国内许多亚临界、超临界600MW机组由于喷嘴配汽方式设计不合理,机组在变负荷过程中存在较大的配汽不平衡汽流力,致使机组出现明显的轴心偏移、瓦温升高、振动异常等故障,从而无法投入顺序阀运行,只能采用单阀运行,调节阀节流损失大,70%负荷时调节级效率仅为20%～30%左右,严重影响机组变负荷的经济性。3配置方法的综合优化和改造方法的转变3.1半总式处理单元gv2从配汽不平衡汽流力产生的机理分析可知,非对称进汽导致了调节级配汽不平衡汽流力的产生,因此为了消除配汽不平衡汽流力应采用完全对称进汽的方式。节流调节采用全周进汽的方式,变负荷时同步开启各调节阀,能彻底消除不平衡汽流力,但是所有的调节阀都存在节流,节流损失太大,经济性很差。采用对角进汽(如对于图1的调节级喷嘴室布置阀门开启顺序:高调门GV2、GV4→高调门GV1、高调门GV3),虽然不是全周进汽,但进汽是对称的,同样可以完全消除配汽不平衡汽流力,由于任意时刻只有部分调节阀存在节流损失,对角进汽的调节级效率会明显高于节流调节,因此兼顾机组安全性和经济性,采用对称对角进汽方式,是理想的喷嘴配汽方案。对称对角进汽能完全消除配汽不平衡汽流力,为了进一步降低节流损失,提高机组在高负荷区域的调节级效率,保持顺序阀方案调节级效率高的优势,可以采用对称对角进汽与顺序进汽相结合的配汽方案,如高调门GV1、GV3→高调门GV4→高调门GV2,即最先开的两阀对称对角进汽,在高负荷区域剩下阀门顺序开启。显然在高负荷区域,此方案不能将调节级配汽不平衡汽流力完全抵消,但由于最先开启的两阀能够提供机组总汽流量70%左右,当高调门GV4、高调门GV2阀顺序开启时,配汽不平衡汽流力已不大,能满足机组运行安全性的需要,而高负荷区的调节阀顺序开启会明显降低调节阀节流损失,提高调节级效率。3.2调节级效率曲线配汽阀点是指阀门进汽不存在节流损失的功率点,汽轮机运行在这些功率点效率达到最高。节流调节只有当满负荷时,各调节阀全部开启时才没有节流损失,只存在一个阀点,其它负荷点存在较大的节流损失,因此效率较低。喷嘴调节是将喷嘴分成若干组,各喷嘴组相互独立,由不同的调节阀门单独供汽,按照负荷的需要依次开启各阀门,这样就会存在几个阀门全开的功率点,即存在几个阀点,在这些点上几乎不存在节流损失,效率明显高于节流调节。阀点越多,汽轮机在整个负荷区的总体效率就越高,理论上,当汽轮机调节阀门为无穷多个时,负荷变化后完全开启相应个数的阀门,这样配汽阀点为无穷多个,汽轮机在任何负荷点都不存在节流损失,效率达到最高。图5给出了采用先开高调门GV1、GV3和先开高调门GV2、GV4的调节级效率曲线(其中高调门GV1为23只喷嘴,GV2为23只喷嘴,GV3为19只喷嘴,GV4为27只喷嘴),可以看出先开高调门GV1、GV3阀的配汽规律,机组在低负荷区的效率较高,而先开高调门GV2、GV4阀的配汽规律,机组在偏高负荷区效率较高。借助于DEH控制系统中的阀门管理可实现任意配汽规律的无扰切换的功能,可以将两套配汽规律的结合起来,效率曲线如图中实线所示,在“*”功率点以下的低负荷区采用先开高调门GV1、GV3阀的配汽规律,在“*”功率点以上的偏高负荷区采用先开高调门GV2、GV4阀的配汽规律,可以看出除“*”点附近的很小的负荷段,机组的效率在整个负荷区段都具有较高的效率。3.3阀门的重叠度由于每个调节阀门的流量要受到其它阀门的影响,为了保证总的流量特性具有良好的线性度,使汽轮机具有合适的不等率,以确保动态调节品质,满足电网一次调频的稳定性的需要,阀门的开启要有一定的重叠度。为保证流量特性的线性度较好,阀门重叠度一般较大,节流损失大,效率偏低。减小阀门开启重叠度,重叠点附近流量特性的线性度变差,局部不等率增加,但节流损失减小,效率提高。因此,在不影响机组甩负荷等关键特性的前提下,适当减小阀门的重叠度,可提高机组在重叠点附近的效率。3.4调节级不平衡汽流力的方向轴承额定工作外载荷是轴承正常工作的根本保证,大量实践证明配汽不平衡汽流力的方向对机组的影响是不同的。对于垂直方向的不平衡汽流力,向下的方向有利于增加轴系的稳定性,对机组的影响较小,而对于水平方向的不平衡汽流力,使进油油楔面积增大的不平衡汽流力,对机组的影响较小。因此,在进行高负荷区的顺序阀配汽设计中,应使先开启的的调节阀所产生的配汽不平衡汽流力的方向对机组的影响最小。另外,在某些情况下,由于机组安装上的问题,比如轴系标高上的差错,可能导致轴承的分配载荷不合理,致使轴承外载荷与额定载荷偏高或偏低,从而影响机组正常工作。通过改变调门开启顺序及开启程度,可以控制调节级不平衡汽流力的大小和方向,以达到调整轴承外载荷的目的。因此,在进行阀门开启顺序和开启程度设计时,须综合考虑机组当前轴承承载情况,进行优化设计,保证机组安全。4配汽改造后机组各参数的运行情况由上述分析可知,配汽规律设计不合理将引发机组的轴心位置偏移、瓦温升高等故障,危害机组的安全。为了使机组能够顺利投入顺序阀运行,保证机组运行的安全性,必须对机组的配汽规律进行优化改造。图6～图11给出了某超临界660MW机组进行配汽优化改造后,机组各参数的变化情况。从图中可以看出,配汽改造后:(1)机组瓦温相对于单阀运行有所降低,#1瓦瓦温降低9℃左右,#2瓦瓦温降低7℃左右;(2)调节级效率最大提高35%,同样流量情况下机组最大多发功率近50MW,机组的运行经济性明显提高;(3)机组的设计阀门流量特性与机组的实际流量特性能够较好地吻合,从而在单顺序阀切换过程中负荷波动很小,在-5～15MW之间。由此可见,机组进行配汽优化改造,机组能够顺利投入顺序阀运行,在保证机组安全的基础上,机组的运行经济性得到了明显的提高。5不适当的换能器对机组的影响5.1调节阀门振荡故障汽轮机配汽规律是调节系统的重要组成部分,直接关系到调节系统的稳定性和汽轮机的安全运行。在进行配汽改造时,一旦配汽规律设计不合理,将会引发调节阀门的震荡,危害机组的安全。据不完全统计,目前已经多家电厂在配汽改造过程中出现调节阀门震荡故障,图12给出了某机组在配汽改造后进行单阀与顺序阀切换时存在的调节阀门震荡现象,可以看出图中高调门GV2和高调门GV3在阀门切换过程中存在明显的阀门震荡现象。因此,在进行配汽改造时,必须对配汽方案以及阀门切换逻辑进行合理设计。5.2配汽改造的影响改变进汽方式前,机组或者采用全周进汽或者采用沿圆周的顺序进汽;而配汽改造后,机组采用对角进汽,该进汽方式在圆周上是非连续进汽,因此,配汽改造将引起调节级动叶片所受的激振力频率发生变化,从而调节级动叶片所受到的动应力将会发生变化。为了保证配汽改造的安全,配汽改造后必须对调节级动叶片所受到的动应力进行校核,使其满足要求。5.3复配方案的确定原则不同机组由于机组安装、现场工作条件等因素,各轴承的载荷分配通常存在较大差异,相对于轴承的设计载荷,轴承的实际载荷可能偏高或偏低,这就要求我们在进行配汽改造方案制定时必须充分考虑机组的实际运行情况,通过对轴承的工作温度、承载能力、稳定性等指标进行校核,使得设计的配汽方案尽量改善各轴承的工作条件,避免恶化轴承的实际工作条件,以致对机组造成严重影响,危害机组安全。5.4喷嘴配汽技术随着机组容量和参数的升高,在大容量亚临界、超临界、超超临界机组上,一方面,调节级焓降更大,配汽不平衡汽流力更加明显,轴系稳定性变差;另一方面,随着机组参数的升高,流过调节级的蒸汽密度明显升高,蒸汽携带杂质颗粒的能力增强,对调节级动叶片的冲刷作用明显增强,调节级的工作条件会变得更加恶劣。对于高参数、大容量机组,通过进行配汽改造采用喷嘴调节将具有更大的节能潜力,也是配汽技术应用推广的重点。在这些机组上进行配汽改造时,除了需要对调节级动应力和轴承工作条件进行严密校核外,还需要对部分进汽时调节级动叶片强度等进行考核,另外为了保证配汽改造不影响机组安全,有时还必须同时结合滑压运行,以便设计最优的滑压运行曲线和喷嘴调节规律,因此,对于高参数机组的配汽改造,必须在保证机组安全的前提下,最大限度地提高机组的效率。6超临界机组配汽不平衡汽流力的影响分析在机组变负荷过程中,由于喷嘴配汽方案设计不当引发机组发生轴心偏移、瓦温升高、轴振不稳定等轴系故障是当前电力行业存在的一个普遍问题。对于亚临界机组,许多研究单位已经开展了配汽优化改造的理论和实验研究,并进行了顺序阀优化改造实践,取得了良好的应用效果。