600 MW超臨界汽輪機軸封汽溫對轉(zhuǎn)子壽命影響的研究

張高輝

(華電國際奉節(jié)發(fā)電廠，重慶 404600)

600 MW超臨界汽輪機軸封汽溫對轉(zhuǎn)子壽命影響的研究

張高輝

(華電國際奉節(jié)發(fā)電廠，重慶 404600)

大型火電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰過程中，其汽輪機軸封系統(tǒng)參數(shù)變化致使軸封處轉(zhuǎn)子經(jīng)常承受交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子壽命損耗。以華電某電廠試運行中出現(xiàn)的問題為依據(jù)，說明火電廠現(xiàn)有系統(tǒng)在變負荷運行時，軸封汽溫的變化對轉(zhuǎn)子壽命的影響，并在運行和技術(shù)管理方面提出針對性的改進措施，對該類型機組開展壽命管理具有一定的借鑒意義。

調(diào)峰；轉(zhuǎn)子；軸封汽溫；壽命損耗

0 引言

目前，國民經(jīng)濟的發(fā)展已邁上一個新臺階，作為經(jīng)濟發(fā)展動力源泉的電網(wǎng)，其容量和峰谷差也日漸增大。由于國家提倡增大水電、風(fēng)電等新能源的占比，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，火電機組必然會深度參與調(diào)峰，在調(diào)峰過程中會出現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)子壽命損耗問題[1]。針對該問題，大多研究集中于轉(zhuǎn)子整體的溫度場、應(yīng)力場分布及梯度的變化方面，而對高中壓軸封處轉(zhuǎn)子表面溫度變化而影響轉(zhuǎn)子使用壽命的分析較少。

本文對華電某電廠超臨界機組調(diào)試期間軸封供汽溫度在不同負荷段的溫度變化情況，以及軸封汽溫與對應(yīng)處轉(zhuǎn)子表面之間的溫差對轉(zhuǎn)子壽命的損耗情況進行比較研究，同時針對該機組的系統(tǒng)特性提出相應(yīng)的改進措施。

1 軸封及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的概況

華電某電廠2 600 MW汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的超臨界、中間一次再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、8級回?zé)帷⒎磩邮狡啓C，型號為N600-24.2/566/566。該機軸封系統(tǒng)汽源分別由冷段再熱蒸汽和輔助蒸汽聯(lián)箱供給，通過冷段再熱蒸汽汽源控制站、輔助蒸汽汽源控制站、溢流控制站控制軸封母管壓力。輔助蒸汽分為高溫輔助蒸汽和減溫后低溫輔助蒸汽兩路汽源。機組正常運行時，高、中壓缸軸端汽封的漏汽經(jīng)噴水減溫后，作為低壓軸端汽封和小機軸封供汽，多余漏汽經(jīng)溢流站溢流到A凝汽器。在機組啟動、停機或低負荷運行階段，軸封系統(tǒng)啟動汽源來自輔助蒸汽系統(tǒng)。軸封主系統(tǒng)如圖1所示。高、中壓缸軸封段轉(zhuǎn)子表面金屬溫度可利用高中壓缸排汽溫度表征檢測，各負荷工況下高、中壓缸排汽溫度，見表1。

圖1 軸封主系統(tǒng)

負荷/MW600450300240高壓缸/℃298283291291中壓缸/℃360363368358

該廠每臺機組設(shè)置1臺輔助蒸汽聯(lián)箱，每臺機組輔助蒸汽系統(tǒng)的汽源共有4路。汽源1為啟動鍋爐來汽，用于系統(tǒng)初次啟動或鄰機停機時本機啟停用；汽源2為鄰機輔助蒸汽聯(lián)箱供汽，當鄰機運行時，該機啟停用；汽源3為本機四段抽汽供汽，機組正常運行時用；汽源4為本機冷段再熱蒸汽供汽，機組低負荷時冷再壓力大于1.2 MPa時，向輔助蒸汽供汽。

2 軸封汽溫和轉(zhuǎn)子表面溫差

該電廠自2016年9月首次并網(wǎng)發(fā)電以來，軸封供汽汽溫控制不穩(wěn)定且在部分負荷段偏低。在機組啟動初期，該廠輔助蒸汽聯(lián)箱的汽源由啟動爐供給，管線長度大約600 m，造成輔助蒸汽聯(lián)箱溫度只能達到260 ℃左右；在低負荷階段，輔助蒸汽由冷段再熱蒸汽供汽。由于冷段再熱蒸汽至輔助蒸汽聯(lián)箱供汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失大，造成輔助蒸汽聯(lián)箱溫度最大只有268 ℃；經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后，供到高壓軸封汽溫在180～230 ℃之間。機組在冷態(tài)啟動時，是對轉(zhuǎn)子加熱的過程，其溫差逐漸減小，轉(zhuǎn)子壽命損耗也小。隨著機組負荷的不斷增大，高、中壓缸的排汽溫度不斷增加。調(diào)試過程中，在額定負荷(600 MW)時，該機組軸封系統(tǒng)未形成自密封狀態(tài)，機組高、中壓缸軸端汽封漏汽量較小，輔助蒸汽仍有較大供汽量。以上情況造成高壓軸封汽溫在189～260 ℃之間波動，軸封汽溫與高、中壓缸軸封處轉(zhuǎn)子金屬表面溫度存在較大溫差，并隨著工況的改變而變化。各負荷段軸封汽溫與高、中壓缸軸封處轉(zhuǎn)子表面的溫差統(tǒng)計見表2。

表2 不同負荷段軸封汽溫與對應(yīng)軸封處轉(zhuǎn)子表面溫差統(tǒng)計

3 高、中壓缸軸封處轉(zhuǎn)子壽命損耗計算

機組運行時，軸封汽溫和轉(zhuǎn)子表面之間的溫差應(yīng)保持最小，在各種軸封汽溫和轉(zhuǎn)子表面之間溫差之下，由于熱應(yīng)力產(chǎn)生轉(zhuǎn)子裂紋的估算循環(huán)次數(shù)可由圖2中曲線確定。軸封汽溫和轉(zhuǎn)子表面之間的溫差隨不同的運行工況變化而變化，在一定的溫差Δt之下，運行一段時間所消耗的轉(zhuǎn)子使用壽命百分比計算公式如下

圖2 軸封汽溫與轉(zhuǎn)子溫差消耗轉(zhuǎn)子壽命曲線

從圖2中可以看出：當Δt<72 ℃時，轉(zhuǎn)子由于溫差熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無窮大，此時由于溫差交變熱應(yīng)力引起的轉(zhuǎn)子壽命損耗可以忽略不計；當Δt>72 ℃時，由于溫差交變熱應(yīng)力引起的轉(zhuǎn)子壽命損耗很大，隨溫差的變大及運行時間的推移，很容易造成轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗而減少使用壽命[2]。

機組在調(diào)峰運行時，負荷從300 MW升至600 MW再降至300 MW一個循環(huán)周期內(nèi)，高壓缸排汽軸封段處最大溫差在111 ℃，汽輪機轉(zhuǎn)子變負荷一次的損耗壽命百分比K=0.010%，與汽輪機廠家設(shè)計值相同，影響可忽略；而對應(yīng)中壓缸軸封段處溫差最大達到161 ℃，根據(jù)圖2可知,裂紋發(fā)生前估算的循環(huán)次數(shù)為2 700，則調(diào)峰一次對應(yīng)的中壓缸排氣處轉(zhuǎn)子損耗壽命百分比K=0.037%。

從以上分析可知，該電廠調(diào)峰運行時，對中壓缸排汽軸封段轉(zhuǎn)子的使用壽命損耗影響較大，接近汽輪機正常變負荷運行時轉(zhuǎn)子損耗的4倍。因此，必須重視軸封汽溫的調(diào)整，使軸封汽溫與轉(zhuǎn)子表面的溫差小于111 ℃，甚至小于72 ℃，方能最大限度地發(fā)揮汽輪機轉(zhuǎn)子的使用價值，保證汽輪機的安全穩(wěn)定運行。

4 改進措施

根據(jù)汽輪機側(cè)各系統(tǒng)的運行特性和機組調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，合理優(yōu)化軸封供汽汽源參數(shù)，以保證軸封汽溫在不同運行工況下與高、中壓缸轉(zhuǎn)子之間的溫差控制在合理范圍內(nèi)。機組運行應(yīng)滿足以下要求：機組在并網(wǎng)前且冷態(tài)啟動時，汽輪機轉(zhuǎn)子處于暖機升溫過程，高壓軸封汽溫應(yīng)控制在170～220 ℃范圍內(nèi)；熱態(tài)、極熱態(tài)啟動時，應(yīng)根據(jù)高壓缸和中壓缸排汽金屬壁溫情況，控制軸封汽溫與高、中壓缸排汽處壁溫差小于110 ℃；機組并網(wǎng)后且負荷在240 MW范圍之內(nèi)，控制軸封汽溫在220～300 ℃范圍內(nèi)；在負荷>240 MW時，應(yīng)控制軸封母管溫度在270～360 ℃范圍內(nèi)。

根據(jù)以上要求，對應(yīng)的調(diào)整措施如下。

(1)在機組并網(wǎng)前且冷態(tài)啟動時，軸封供汽由該機輔助蒸汽聯(lián)箱供汽，利用軸封的高、低溫輔助蒸汽汽源，軸封汽溫應(yīng)控制在170～220 ℃范圍內(nèi)，高壓軸封母管壓力在25～45 kPa范圍內(nèi)。

(2)熱態(tài)、極熱態(tài)啟動時，應(yīng)及早投入高、低壓旁路閥，鍋爐未點火前,低壓旁路閥開度<5%，控制冷段再熱蒸汽壓力在1.0 MPa左右，高壓旁路閥后溫度在310～350 ℃，利用冷段再熱蒸汽向軸封供汽，控制軸封汽溫在300 ℃左右，鍋爐應(yīng)盡快點火。

(3)機組并網(wǎng)在240 MW范圍內(nèi)時，優(yōu)先用冷段再熱蒸汽對軸封供汽；當冷段再熱蒸汽供軸封調(diào)節(jié)閥故障時，機組負荷<120 MW,應(yīng)由輔助蒸汽高溫汽源對軸封供汽；輔助蒸汽聯(lián)箱優(yōu)先采用相鄰機組接帶，若相鄰機組未運行時，輔助蒸汽由冷段再熱蒸汽接帶，盡可能控制輔助蒸汽壓力在0.8 MPa左右，保證冷段再熱蒸汽供輔助蒸汽調(diào)節(jié)閥開度>75%，從而提高軸封汽溫。

(4)機組負荷>240 MW時，針對機組四段抽汽管道逆止閥壓力損失大，帶不動小汽輪機的問題，對四段抽汽管道逆止閥進行檢修或更換。在此問題解決前，應(yīng)優(yōu)化小機汽源，保證四抽能夠接帶輔助蒸汽聯(lián)箱，保證軸封汽溫在270～360 ℃范圍內(nèi)，或者采用冷段再熱蒸汽供軸封。

(5)投入軸封系統(tǒng)正常運行后，每隔2 h開啟高、低壓軸封供汽濾網(wǎng)無壓疏水門各1次，以防軸封蒸汽帶水。

(6)增加主蒸汽管至軸封母管供汽汽源，提高該機組軸封汽源的可靠性。

(7)在軸封汽源切換過程中應(yīng)平穩(wěn)操作，防止高壓軸封汽溫參數(shù)大幅波動。

(8)建立軸封汽溫與高、中壓缸排汽溫度的臺賬，定期分析溫差所帶來的轉(zhuǎn)子損耗數(shù)據(jù)并提交技術(shù)部門進行專題分析，制定出有針對性的檢修計劃。

5 結(jié)束語

軸封段轉(zhuǎn)子的交變溫差熱應(yīng)力會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生疲勞裂紋而損耗。本文針對某電廠定量分析研究軸封汽溫與軸封段處轉(zhuǎn)子表面溫度之間的溫差對轉(zhuǎn)子的壽命影響，根據(jù)計算結(jié)果制訂了相應(yīng)措施，并在技術(shù)管理上建立此方面的臺賬，不斷分析汽輪機轉(zhuǎn)子壽命損耗的累積時間和次數(shù)，制定出有針對性的檢修計劃，確保汽輪機在壽命管理上不留死角，為汽輪機長期、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行保駕護航。

[1]張志明.汽輪機啟動過程中安全經(jīng)濟優(yōu)化的研究[D].北京：華北電力大學(xué),2006: 7-9.

[2]鄔文睿.超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子高溫強度的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009：25-26.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2016-12-28；

2017-02-26

TK 262

B

1674-1951(2017)03-0033-03

張高輝(1983—)，男，河南平頂山人，助理工程師，從事火電廠全能運行工作(E-mail:zhang_gaoh111@163.com)。