超臨界汽輪機單順閥切換問(wèn)題的一些探討
一、引言
我廠(chǎng)汽輪機是由是哈爾濱汽輪機廠(chǎng)自主開(kāi)發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式660MW汽輪機組，采用積木式的設計，保留了濕冷機組的技術(shù)特點(diǎn)如反動(dòng)式葉片、整鍛轉子、多層汽缸、數字電液調節等。其結構緊湊，經(jīng)濟性好，適合中國國情，具有很高的運行效率和安全可靠性。
二、單閥/順序閥(SIN/SEQ)
單閥/順序閥切換的目的是為了提高機組的經(jīng)濟性和快速性，實(shí)質(zhì)是通過(guò)噴嘴的節流配汽(單閥控制)和噴嘴配汽(順序閥控制)的無(wú)擾切換，解決變負荷過(guò)程中均勻加熱與部分負荷經(jīng)濟性的矛盾。單閥方式下，蒸汽通過(guò)高壓調節閥和噴嘴室，在360°全周進(jìn)入調節級動(dòng)葉，調節級葉片加熱均勻，有效地改善了調節級葉片的應力分配，使機組可以較快改變負荷;但由于所有調節閥均部分開(kāi)啟，節流損失較大。順序閥方式則是讓調節閥按照預先設定的次序逐個(gè)開(kāi)啟和關(guān)閉，在一個(gè)調節閥完全開(kāi)啟之前，另外的調節閥保持關(guān)閉狀態(tài)，蒸汽以部分進(jìn)汽的形式通過(guò)調節閥和噴嘴室，節流損失大大減小，機組運行的熱經(jīng)濟性得以明顯改善，但同時(shí)對葉片存在產(chǎn)生沖擊，容易形成部分應力區，機組負荷改變速度受到限制。因此，冷態(tài)啟動(dòng)或低參數下變負荷運行期間，采用單閥方式能夠加快機組的熱膨脹，減小熱應力，延長(cháng)機組壽命;額定參數下變負荷運行時(shí)，機組的熱經(jīng)濟性是電廠(chǎng)運行水平的考核目標，采用順序閥方式能有效地減小節流損失，提高汽機熱效率。
對于定壓運行帶基本負荷的工況，調節閥接近全開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)節流調節和噴嘴調節的差別很小，單閥/順序閥切換的意義不大。對于滑壓運行調峰的變負荷工況，部分負荷對應于部分壓力，調節閥也近似于全開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)閥門(mén)切換的意義也不大。對于定壓運行變負荷工況，在變負荷過(guò)程中希望用節流調節改善均熱過(guò)程，而當均熱完成后，又希望用噴嘴調節來(lái)改善機組效率，因此這種工況下要求運行方式采用單閥/順序閥切換來(lái)實(shí)現兩種調節方式的無(wú)擾切換。以求得最好的運行工況。
我廠(chǎng)#1、#2機組投產(chǎn)以來(lái)，運行方式一直采用全周進(jìn)汽的單閥運行方式，這樣轉子和定子的溫差較小，在變負荷運行時(shí)溫差影響較小，有利于機組初期的磨合。由于單閥運行，4個(gè)高壓調節閥(GV)都參與開(kāi)度調節，且一般高壓調門(mén)開(kāi)度不大(20%-50%)，蒸汽通過(guò)調節閥門(mén)時(shí)有較大的節流損失，而機組運行要求盡量減少調節閥門(mén)的節流損失，提高汽輪機的效率，提高經(jīng)濟性。而且閥門(mén)的節流損失在閥門(mén)接近全關(guān)或接近最大流量時(shí)達到最小。采用順序閥門(mén)控制方式下，一般只有一個(gè)高壓調節閥進(jìn)行開(kāi)度調節，其余的閥門(mén)保持全開(kāi)或全關(guān)，這樣減少了節流損失，提高機組熱效率。
哈汽大部分現役機組其順序閥設計次序基本全部為：GV1/GV2→GV3→GV4;關(guān)閉順序閥的次序：GV4→GV3→GV1/GV2。汽機控制汽門(mén)示意圖如下：
三、出現的問(wèn)題及分析
我廠(chǎng)1號機組單順閥切換過(guò)程中，從DCS監控畫(huà)面取得的機組轉速、負荷、1瓦x向、y向振動(dòng)數值曲線(xiàn)分析，單閥切至順閥運行后，1瓦軸振明顯增大，增大幅度達40～50μm，同時(shí)伴隨著(zhù)1、2瓦回油溫度上升約5～10度之間。比對分析，造成這些問(wèn)題的原因以及國內其它機組普遍出現的問(wèn)題有以下三點(diǎn)，并有針對性的理論結合試驗提出解決方案。
1、采用順閥運行噴嘴配汽時(shí)，調節級分為若干個(gè)噴嘴組，它們處于非對稱(chēng)性的部分進(jìn)汽狀態(tài)。汽流力合力不能相互完全抵消，及蒸汽除了在轉子調節級葉輪上產(chǎn)生力矩而使轉子旋轉外，還有一個(gè)通過(guò)轉子中心的合力，進(jìn)汽的不平衡造成壓力徑向分布不均和轉子轉矩徑向不平衡，軸承的穩定性降低及轉子在汽缸中的位置不對中，因此，存在配汽剩余汽流力，這是產(chǎn)生汽流激振的根本原因。根據上述對力的分析，轉子將受到不同方向的蒸汽激振和切向分力的影響，引起軸承受力變化，使軸系中各軸承載荷及轉子撓度發(fā)生變化，嚴重時(shí)將使轉子軸系產(chǎn)生不穩定運行，使轉子失穩引起較大的振動(dòng)，調門(mén)的動(dòng)作又會(huì )使調節級的配汽剩余汽流力發(fā)生變化，往往會(huì )因軸系、通流結構設計及配汽特性調整不良等原因，使運行存在如軸瓦溫度高、軸振不穩定、低頻渦動(dòng)、汽流激振動(dòng)等一系列問(wèn)題，影響機組的安全穩定運行，實(shí)際運行也證實(shí)了這一系列問(wèn)題的存在。
對此，消除配汽剩余汽流力便是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。從理論上分析力的矢量和以及對國內同類(lèi)型機組的調查，我們提出解決方案：更改順序閥開(kāi)啟順序，將原GV1/GV2→GV3→GV4變?yōu)镚V1/GV3→GV2→GV4。
2、汽輪機在順閥運行時(shí)，先后開(kāi)啟的高壓調門(mén)之間存在明顯的重疊度，重疊度最小時(shí)為零，此時(shí)它的調節級效率最高，但流量特性最差，會(huì )引起機組在某些負荷不穩定。重疊度最大的曲線(xiàn)流量特性的線(xiàn)性度最好，但調節級效率最低。在順序閥開(kāi)啟時(shí)，可能會(huì )存在某段流量范圍內流量指令與實(shí)際蒸汽流量不成線(xiàn)性，這時(shí)需要開(kāi)啟下一個(gè)調門(mén)來(lái)修正，這就是閥門(mén)重疊度的設置。如下圖所示：
實(shí)線(xiàn)所示為無(wú)重合度的情況，這不負荷調節系統的設計要求(調節系統的靜態(tài)特性線(xiàn)要求兩端速度變動(dòng)率大，中間平滑過(guò)渡)，虛線(xiàn)所示為合理重合度的情況。
為了使配汽機構特性曲線(xiàn)比較平滑，一般在前閥尚未開(kāi)完，其閥門(mén)壓力重疊度為0.85～0.9時(shí)便提前開(kāi)啟后閥。調門(mén)重疊度的大小直接影響著(zhù)配汽機構的靜態(tài)特性。重疊度有兩種：
1、行程重疊度
2、壓力重疊度
一般情況下，當汽門(mén)開(kāi)度達到60%時(shí)，汽門(mén)的通流能力達到總通流能力的90%以上，在“閥點(diǎn)”附近，先開(kāi)啟的調節汽門(mén)不可避免的存在40%左右的空行程，此時(shí)，高壓調節閥極可能頻繁出現大幅度晃動(dòng)，嚴重影響機組的安全運行。
試驗處理辦法：順閥運行方式下，進(jìn)行負荷變動(dòng)試驗，升負荷、降負荷兩個(gè)階段，試驗是機組協(xié)調控制投入，主蒸汽壓力按滑壓曲線(xiàn)確定，按正常變負荷速度，連續同向改變負荷，判斷“閥點(diǎn)”處閥門(mén)的晃動(dòng)情況，如果存在明顯晃動(dòng)，要對配汽特性曲線(xiàn)進(jìn)行調整，通過(guò)修改配汽特性曲線(xiàn)找到機組運行的最佳配汽工況點(diǎn)，從根本上解決改問(wèn)題。
2、配汽特性流量曲線(xiàn)改變，理想的配汽特性曲線(xiàn)在不同的配汽方式下表現出來(lái)的各個(gè)高壓調節汽門(mén)雖然開(kāi)度不同，但通過(guò)的總蒸汽流量是相同的，而在實(shí)際應用中，由于種種原因，切換前后總蒸汽流量將產(chǎn)生偏差，這種偏差直接反映到機組功率與主蒸汽參數的變化上。下圖是通過(guò)運行過(guò)程中，機組行程、閥后流量實(shí)際測量值的單閥、順閥的流量特性曲線(xiàn)圖。
通過(guò)上圖我們可以看出單、順閥流量特性曲線(xiàn)的差別，以及各個(gè)高壓調節閥的“閥點(diǎn)”在圖中所對應的位置，并據此，在運行當中密切觀(guān)察“閥點(diǎn)”處調閥晃動(dòng)和機組振動(dòng)、瓦溫等情況，對曲線(xiàn)進(jìn)行修正，以達到最佳流量曲線(xiàn)。
四、結論
將原順序閥次序：GV1/GV2→GV3→GV4，改變?yōu)椋篏V1/GV3→GV2→GV4，對稱(chēng)進(jìn)汽，消除配汽剩余汽流力，避免產(chǎn)生汽流激振，對機組滑壓運行兩種配汽模式的比較分析。試驗設計單閥模式運行，維持負荷在額定之50%即300MW左右穩定運-~5-o.5h以上。全面記錄汽輪機運行各參數，如主、再熱蒸汽溫度、壓力、軸向位移、高壓缸脹差、汽缸溫度、調節級壓力等，在單閥模式滑參數將機組負荷逐漸升至額定600MW，主蒸汽滑壓范圍11.40MPa～16.59MPa，溫度保持533~C不變。過(guò)程中每50MW停留0.5h，全面記錄運行各參數，期間回熱系統全部投入、輔機系統及附屬設備、汽機凝汽器終參數、軸承潤滑狀況等維持不變。在順序閥方式下，按同樣的主蒸汽滑參數曲線(xiàn)、運行方式進(jìn)行比較試驗，以得出適應該機組的流量特性曲線(xiàn)，并保證運行中不偏離該曲線(xiàn)，達到安全運行的需要。
