探討切除低壓缸運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對策略

魏志新　梁宏印　孟江華

摘要：該文對切除低壓缸運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對策略進(jìn)行了探討，首先提出了切除低壓缸運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，然后提出了應(yīng)對策略：第一，對末級葉片的動應(yīng)力進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制;第二，對葉片鼓風(fēng)中存在的超溫風(fēng)險(xiǎn)采取的控制措施;第三，對葉片水蝕風(fēng)險(xiǎn)采取的有效控制措施;第四，做好葉片的顫震和動靜碰磨的預(yù)防措施。從而為火電廠今后實(shí)施切除低壓缸運(yùn)行提供有力的參考。

關(guān)鍵詞：低壓缸? 火電廠? 切除? 葉片

中圖分類號：TM62文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Discuss the Operation Risk Analysis and Countermeasures of Removing the Low Pressure Cylinder

WEI Zhixin? LIANGHongyin? MENG Jianghua

（Inner Mongolia JingnengKangbashi Thermal Power Co.， Ltd.，Ordos，Inner Mongolia Autonomous Region，017010 China）

Abstract：This article discusses the operation risk analysis and countermeasures of the removal of the low pressure cylinder. First， the risk of removal of the low pressure cylinder operation is proposed， and then the countermeasures are proposed： first， risk control of the dynamic stress of the final blade; second，Take control measures against the risk of over-temperature in the blade blast; third， take effective control measures against the risk of blade water erosion; fourth， take preventive measures for blade chattering and dynamic and static friction， so as to provide thermal power plants In the future， the implementation of cutting off the operation of the low pressure cylinder provides a strong reference.

Key Words： Low pressure cylinder; Thermal power plant; Resection; Blade

對火電廠來說，要積極地挖掘機(jī)組的深負(fù)荷潛力，通過各種措施不斷地增強(qiáng)機(jī)組的靈活性，從而有效地解決在供暖期中出現(xiàn)的熱點(diǎn)矛盾。

1 切除低壓缸運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)

低壓缸地在切除的過程中遇到的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：第一個(gè)方面為葉片顫震;第二個(gè)方面為動靜碰磨;第三個(gè)方面為葉片鼓風(fēng)發(fā)熱;第四個(gè)方面為葉片水蝕。

1.1在葉片顫震的風(fēng)險(xiǎn)

葉片顫震指的是在氣流激振力的主要作用下，通過氣固耦合作用形成的自激振動。這種情況下形成的振動的震感很劇烈，振幅要大大地超出葉片的常規(guī)振動幅度。如果葉片長期處在顫震狀態(tài)中，使得葉片出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象，在這個(gè)狀態(tài)下出現(xiàn)的疲勞斷裂和正常情況下相比提前了很多，使得汽輪機(jī)在正常運(yùn)行中增加了很高的風(fēng)險(xiǎn)。葉片顫振常常出現(xiàn)在小容積流量的情況下，汽輪機(jī)在切除低壓缸的狀態(tài)下缸末級葉片的震動在易顫振區(qū)域中極易出現(xiàn)脫落的情況，再加上低壓缸進(jìn)氣量非常小，常常會出現(xiàn)流場不穩(wěn)定的情況，很容易使得氣流激振力出現(xiàn)波動，加劇了葉片的顫振情況[1-2]。

1.2動靜碰磨的風(fēng)險(xiǎn)

汽輪機(jī)在切缸的狀態(tài)下的運(yùn)行中，它的末級葉片和內(nèi)缸的溫度會出現(xiàn)非常明顯的變化，使得溫度的分布開始呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)，使得葉頂間隙出現(xiàn)了一些改變，導(dǎo)致出現(xiàn)了動靜碰磨的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3葉片鼓風(fēng)發(fā)熱的風(fēng)險(xiǎn)

在切除低壓缸狀態(tài)下進(jìn)行的運(yùn)行中，低壓缸的末級、次末級和次次末級的葉片都處在與運(yùn)動方向角度大于90°的負(fù)功狀態(tài)中，鼓風(fēng)出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的發(fā)熱狀態(tài)，葉片局部溫度極易超出許用溫度。若出現(xiàn)葉片溫度過高后，葉片在正常工作狀態(tài)才會容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。若葉片共振區(qū)能夠接近工作的轉(zhuǎn)速，則會出現(xiàn)共振風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，如果排氣的溫度超過了排氣裝置設(shè)置的溫度，或者是超過了凝汽器的許用值，會造成比較大的破壞性。

1.4出現(xiàn)葉片水蝕的風(fēng)險(xiǎn)

低壓缸在排氣容積的流量比較小的時(shí)候，很容易在排氣區(qū)形成回流。在切除低壓缸運(yùn)行狀態(tài)下，需要利用噴水來抑制住汽輪機(jī)的排氣溫度，在這個(gè)條件下，會使得噴水被回流卷吸，噴水產(chǎn)生的水珠會通過回流夾帶后擊打在末級葉片的出汽邊上，長期下來會形成比較嚴(yán)重的水蝕。這個(gè)區(qū)域的離心應(yīng)力水平相對比較高，葉片出現(xiàn)水蝕后裂紋出現(xiàn)快速的擴(kuò)展，隨著運(yùn)行的時(shí)間的流逝會降低葉片的安全性，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)水蝕達(dá)到某個(gè)程度后會使葉片出現(xiàn)斷裂，從而引發(fā)事故，給汽輪機(jī)的正常運(yùn)行帶來很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 切除低壓缸運(yùn)行的應(yīng)對策略

2.1對末級葉片的動應(yīng)力進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制

汽輪機(jī)低壓缸在切除后，低壓末級的葉片在動應(yīng)力方面會出現(xiàn)明顯的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在同等高度的葉片或者是同一個(gè)葉片，各個(gè)電廠在運(yùn)行參數(shù)方面具有一定程度的差異性，葉片的動應(yīng)力在大小方面和分布區(qū)域方面也出現(xiàn)很大的不同。因此，為了有效地防止葉片動應(yīng)力面對較高的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，末級片必須要完成動應(yīng)力測試，同時(shí)會有比較完整的容積流量和動應(yīng)力曲線葉片。如果沒有進(jìn)行動應(yīng)力測試的末級葉片，必須要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化的過程中增加阻尼結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵部分。當(dāng)首臺機(jī)組結(jié)束動應(yīng)力測試后，能夠明確容積流量和動應(yīng)力曲線，才能在切除低壓缸的機(jī)組中進(jìn)行運(yùn)營。與此同時(shí)，要根據(jù)次末級葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有限元強(qiáng)度、振動安全性的評估結(jié)果來判斷葉片是否能夠符合當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)具有安全風(fēng)險(xiǎn)的葉片，必須要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過增加阻尼結(jié)構(gòu)后才能夠應(yīng)用到切除低壓缸的機(jī)組中。針對葉片在低壓缸的切除后會在長期的低負(fù)荷工況下進(jìn)行運(yùn)行工作，該單位會對汽輪機(jī)葉片的振動樁體和振動情況進(jìn)行在線監(jiān)測，并對葉片振動過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、儲存和分析，通過長期的檢測從而對葉片的振動狀態(tài)進(jìn)行評估，避免出現(xiàn)葉片出現(xiàn)顫震的情況后造成葉片疲勞出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。為了能夠在供暖期中對葉片的振動趨勢進(jìn)行長期的、實(shí)時(shí)的監(jiān)控，該單位為末級葉片安裝了葉片振動的在線檢測系統(tǒng)，能夠有效地控制末級葉片出現(xiàn)的動應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。通過一個(gè)長時(shí)間段的試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，末級葉片在振動幅值方面一直保持在振動許用的范圍內(nèi)，同時(shí)振動的幅值沒有出現(xiàn)明顯的變化，從而實(shí)現(xiàn)了長期有效的監(jiān)控葉片振動趨勢，為機(jī)組的安全正常運(yùn)行帶來了良好的保障[3-4]。

2.2對葉片鼓風(fēng)中存在的超溫風(fēng)險(xiǎn)采取的控制措施

當(dāng)機(jī)組的葉片在低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，鼓風(fēng)后常常會出現(xiàn)溫度升高的情況。為了有效地防止低壓末2級葉片出現(xiàn)超溫的情況，該單位采取了以下控制措施：第一，要對末2級葉片的強(qiáng)度和振動的溫度進(jìn)行上限設(shè)置，在末級和次末級葉片上設(shè)置溫度測試點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際測量的溫度按照不同的使用標(biāo)準(zhǔn)做出相應(yīng)的噴水降溫保護(hù);第二，當(dāng)葉片正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)葉片動應(yīng)力的危險(xiǎn)流量區(qū)域范圍將低壓冷卻蒸汽引入葉片運(yùn)行范圍中，使得冷卻氣源能夠得到引出，通過減溫減壓的系統(tǒng)后進(jìn)入低壓缸進(jìn)行冷卻;第三，實(shí)施噴水減溫系統(tǒng)，并利用電動閥門來調(diào)控水的容量，避免噴水出現(xiàn)過量的情況，在噴頭方面要采用不銹鋼霧化噴頭，不斷地優(yōu)化噴水的角度，從而減少減溫水回流的情況，減少和避免出現(xiàn)葉片水蝕的狀況。通過上述的措施，能夠有效地遏制了由于鼓風(fēng)溫度引發(fā)的各種風(fēng)險(xiǎn)，提升了機(jī)組的運(yùn)營狀況[5-6]。

2.3對葉片水蝕風(fēng)險(xiǎn)采取的有效控制措施

機(jī)組在切除低壓缸后會在一個(gè)長期中呈現(xiàn)出低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，那么鼓風(fēng)引起的渦流導(dǎo)致葉片的水蝕情況加重，所以，該單位利用超聲速火焰噴涂設(shè)備對葉片的汽邊進(jìn)行噴涂，使得葉片能夠形成較高硬度的涂層。這個(gè)涂層一方面能夠耐磨和耐腐蝕，一方面能夠幫助設(shè)備減緩葉片水蝕的問題。通過調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的葉片防水蝕措施都能對葉片的強(qiáng)度造成不同程度的影響，超聲速火焰噴涂技術(shù)也不例外。這種噴涂技術(shù)在實(shí)施的過程中可能會產(chǎn)生高溫的作用，從而使得葉片出現(xiàn)變形，同時(shí)噴涂的防水蝕效果與葉片的氧化物含量等因素有直接的關(guān)系。即便如此，在切除低壓缸后在供暖期間對這個(gè)機(jī)組進(jìn)行開缸檢查，通過檢查的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)低壓末2級噴涂涂層的措施能夠大幅度減少葉片的水蝕情況，為葉片的安全運(yùn)行提供了有力的保障[7]。

2.4做好葉片的顫震和動靜碰磨的預(yù)防措施

2.4.1 要應(yīng)用理論來指導(dǎo)實(shí)踐，有效地避開顫震危險(xiǎn)的區(qū)域

通過對國內(nèi)和國外的研究理論和研究成果，分析了葉片之間的角度和組成葉片邊緣的汽彈對整齊輪機(jī)葉片顫震問題產(chǎn)生的影響，并將流固耦合分析法應(yīng)用到葉片顫震問題中，從而對相關(guān)的數(shù)值模型進(jìn)行分析和研究。與此同時(shí)，通過對國內(nèi)外在汽輪機(jī)葉片顫震方面的研究理論成果對該單位的顫震溶劑流量區(qū)域進(jìn)行推測，在機(jī)組的正常運(yùn)行中要避開這個(gè)區(qū)域。然而，這個(gè)做法也存在一定的不足：第一，葉片顫震是葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械中一個(gè)比較大的難題，它會導(dǎo)致在精確的條件下和特點(diǎn)邊界條件下出現(xiàn)很大的不確定性。第二，在考慮不確定性的時(shí)候，設(shè)置的禁止運(yùn)行區(qū)域比較寬泛，這就明顯地影響了汽輪機(jī)切除低壓缸后在運(yùn)行過程中的靈活性，給電廠的運(yùn)行產(chǎn)生了很大的阻礙作用。第三，末級葉片具有很多的形式，比如說自由葉片、拉筋成組葉片以及整圈自鎖葉片等，不同的葉片形式出現(xiàn)顫震方面需要不同的條件，并且顫震的程度也有很大的差異性。

2.4.2 要避開顫震的危險(xiǎn)區(qū)域

傳統(tǒng)的測量葉片動應(yīng)力方面，很多企業(yè)會采用無線電遙測技術(shù)，這個(gè)技術(shù)能夠利用貼應(yīng)變片的方式來測量葉片的動應(yīng)力，并對其進(jìn)行深入的分析。在缸內(nèi)的電池會為機(jī)組提供電力支持，因此在這個(gè)系統(tǒng)工作的時(shí)間是有限的，當(dāng)機(jī)組切除低壓缸后通過各種運(yùn)行測試可以得出危險(xiǎn)的工況，從而能夠在切除低壓缸運(yùn)行過程中有效地避開。然而，這種方法也存在一定的不足，由于應(yīng)變片的粘貼牢固性不能承受住3000r/min的旋轉(zhuǎn)沖擊，在實(shí)驗(yàn)的過程中很可能會出現(xiàn)脫落的情況，影響了預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.4.3 要對葉片振動的情況進(jìn)行在線檢測

葉片振動的在線檢測是由采集端口和監(jiān)控端口兩個(gè)部分組成的。如圖1所示。采集端是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：第一為轉(zhuǎn)速傳感器;第二為電渦流傳感器;第三為前置采集模塊;第四為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊;第五為服務(wù)器。其中電渦流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器通過互相配合后對葉片的振幅、振動的頻率和葉頂動靜間隙進(jìn)行有效的檢測，溫度傳感器能夠?qū)θ~片的金屬溫度進(jìn)行輔助測量。監(jiān)控端主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：第一為振動信號;第二為轉(zhuǎn)速信號;第三為溫度信號。這三個(gè)部分通過DEH控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，也可以利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)浇粨Q機(jī)中，然后再連接到電廠中，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。除此之外，還能夠?qū)⒕W(wǎng)閘或者是虛擬私人網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和電信調(diào)制解調(diào)器連接到系統(tǒng)提供商，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷服務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)不僅僅能夠有效地解決葉頂間隙的實(shí)時(shí)監(jiān)控問題，還能對葉片的振幅和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

3結(jié)語

切除低壓缸技術(shù)具有很大的優(yōu)勢：第一，能夠大幅度節(jié)省啟動的時(shí)間;第二，能夠提升機(jī)組運(yùn)行的安全性;第三，能夠提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)切除低壓缸技術(shù)也有明顯的不足：第一，對操作人員的技術(shù)有一定的要求;第二，若出現(xiàn)操作失誤或者配合不當(dāng)?shù)那闆r下極易造成汽輪機(jī)超速，或者是氣缸中進(jìn)入了冷水和冷氣，導(dǎo)致大軸彎曲或動靜摩擦事故。因此，要針對不同型號的機(jī)組制定不同的措施，才能達(dá)到徹底治理的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭曉偉，馮偉忠.大型火電機(jī)組熱電聯(lián)供下低壓缸運(yùn)行效率優(yōu)化研究[J].上海電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，36（3）：234-239.

[2] 楊陽.切除低壓缸運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對策略探索[J].熱力透平，2020，49（2）：93-98.

[3] 張俊鋒.淺析335MW機(jī)組低壓缸切缸改造[J].電力安全技術(shù)，2021，23（8）：46-48.

[4] 張猛，劉鑫屏.350MW供熱機(jī)組低壓缸切除改造靈活性提升分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，46（3）：73-79.

[5] 趙佳詣.汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)氣結(jié)構(gòu)氣動性能及流動特性的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2020.

[6] 鄧博夫.考慮熱慣性和價(jià)格約束的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2021.

[7] 王洪昊.華能東山電廠成本效益分析優(yōu)化研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2021.

作者簡介：魏志新（1989—），男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榧剡\(yùn)行。