加強(qiáng)對標(biāo)管理深度優(yōu)化平圩2#汽輪機(jī)組

1、.加強(qiáng)對標(biāo)管理，深度優(yōu)化平圩2#汽輪機(jī)組噴嘴配汽運(yùn)行方式【摘 要】本文在分析和研究了大量機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化方式的基礎(chǔ)上，提出聯(lián)合考慮負(fù)荷和閥點(diǎn)的運(yùn)行優(yōu)化方式，并考慮噴嘴配汽汽輪機(jī)組在單閥切換多閥運(yùn)行時出現(xiàn)的汽流激振問題，提出相應(yīng)的配汽優(yōu)化方案。將該綜合考慮汽流激振問題的方案應(yīng)用于平圩2#汽輪機(jī)組，通過試驗(yàn)研究得到該機(jī)組的最佳滑壓曲線和最優(yōu)運(yùn)行方式并成功解決過程中出現(xiàn)的汽流激振問題，與以往運(yùn)行優(yōu)化方案相比該方案更準(zhǔn)確、更安全，更適用于實(shí)際運(yùn)行情況?！娟P(guān)鍵詞】600MW 機(jī)組 運(yùn)行優(yōu)化 汽流激振 機(jī)組效率0 引言近年來，為滿足持續(xù)增長的全國電力需求總量，大批600MW 及以上機(jī)組投入運(yùn)行，逐漸在電網(wǎng)中承

2、擔(dān)主力機(jī)組。大多數(shù)已投運(yùn)的600MW 汽輪機(jī)常年運(yùn)行在500MW 負(fù)荷區(qū)間，新建機(jī)組也提出了參與調(diào)峰的要求。機(jī)組長時間偏離設(shè)計工況運(yùn)行，會導(dǎo)致運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低、存在安全隱患等諸多問題，如何保證機(jī)組在調(diào)峰運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性與安全性，是各廠家關(guān)注的重點(diǎn)。尤其是對于600MW 及以上機(jī)組來說，提高運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性對于國家電網(wǎng)安全及節(jié)能減排都有重要影響。針對這個問題，國內(nèi)外不少研究學(xué)者和制造商都進(jìn)行了大量的研究工作，并且提出了眾多運(yùn)行優(yōu)化方案，較為合理地解決了運(yùn)行優(yōu)化問題。但以往的大多數(shù)研究往往只著眼于經(jīng)濟(jì)性而忽略了安全性。對于國內(nèi)采用噴嘴配汽“順閥”運(yùn)行方式的機(jī)組，運(yùn)行優(yōu)化過程中暴露的安全性問題越來越突

3、出。因?yàn)?，順序閥控制方式只有一個高壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，其余的閥門保持全開或全關(guān)，處于非對稱性的部分進(jìn)汽狀態(tài)，調(diào)門的動作又會使部分進(jìn)汽的狀態(tài)發(fā)生變化，往往會引發(fā)汽流激振，造成的危害較大，通常與機(jī)組所帶的負(fù)荷有關(guān)，主要產(chǎn)生于大容量高參數(shù)機(jī)組的高壓和高中壓轉(zhuǎn)子上，有時候?yàn)榱丝紤]安全性而不得不犧牲一定的經(jīng)濟(jì)效益。若能合理解決汽流激振問題，將能提高機(jī)組的安全性，從而進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。1 運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)方案本文針對平圩2#汽輪機(jī)組通流改造后，為進(jìn)一步提高機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行定滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)，并在優(yōu)化過程中成功地解決了汽流激振的問題。通流改造后，原最優(yōu)滑壓曲線將不再適用，為了重新獲得最優(yōu)滑壓

4、曲線，保證機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，需要進(jìn)行定滑壓運(yùn)行優(yōu)化研究。以往大部分運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)認(rèn)為噴嘴部分進(jìn)汽不影響非調(diào)節(jié)級的內(nèi)效率，研究表明部分進(jìn)汽對高壓缸后續(xù)流場也會造成影響，并且部分進(jìn)汽度越小對非調(diào)節(jié)級影響越大，造成非調(diào)節(jié)級相對內(nèi)效率下降，導(dǎo)致裝置效率下降。在實(shí)際操作過程中，考慮可操作性和安全性，使用文獻(xiàn)提出的聯(lián)合使用負(fù)荷與閥位基準(zhǔn)的概念，在2 閥與3 閥之間、3 閥與4 閥之間，提出復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，保持2 閥（或3 閥）全開，1 個閥門處于節(jié)流狀態(tài)進(jìn)行滑壓，定義為復(fù)合滑壓工況。全國火電600MW 級機(jī)組能效對標(biāo)及競賽第十五屆年會論文集 汽機(jī)16參考國內(nèi)同類試驗(yàn)并結(jié)合平圩實(shí)際運(yùn)行情況及機(jī)組在3 閥及2

5、閥全開時所能帶最大負(fù)荷，試驗(yàn)安排90%、80%、70%、60%、50%等負(fù)荷點(diǎn)，見表1。表1 平圩2#機(jī)組定滑壓運(yùn)行試驗(yàn)工況負(fù)荷 工況1 工況2 工況3 工況4580MW 定壓運(yùn)行工況 - - 常規(guī)滑壓工況540MW 定壓運(yùn)行工況 - - 常規(guī)滑壓工況480MW 定壓運(yùn)行工況 3閥點(diǎn)滑壓工況 復(fù)合滑壓工況 常規(guī)滑壓工況420MW 復(fù)合滑壓工況1 3閥點(diǎn)滑壓工況 復(fù)合滑壓工況2 常規(guī)滑壓工況360MW 2閥點(diǎn)滑壓工況 3閥點(diǎn)滑壓工況 復(fù)合滑壓工況 常規(guī)滑壓工況300MW 2閥點(diǎn)滑壓工況 3閥點(diǎn)滑壓工況 復(fù)合滑壓工況 -每個工況采取ASME PTC6簡化試驗(yàn)方法，測量汽輪機(jī)組熱耗率，根據(jù)各試驗(yàn)工況

6、修正后的熱耗率和電力功率繪制熱耗率與負(fù)荷的曲線，如圖1所示。圖中每個點(diǎn)對應(yīng)表1中每一個工況點(diǎn)，從圖中可以看出：在高負(fù)荷段，常規(guī)滑壓運(yùn)行熱耗率高于定壓運(yùn)行熱耗率；確定了幾種基準(zhǔn)負(fù)荷工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組在580MW、540MW、480MW、420MW、360MW、300MW負(fù)荷點(diǎn)時的最低熱耗率分別為：8202.7kJ/(kW.h)、8319.6kJ/(kW.h)、8339.4kJ/(kW.h)、8435.8kJ/(kW.h)、8613.9kJ/(kW.h)、8899.4kJ/(kW.h)；尋找最低熱耗率運(yùn)行方式作為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式：580540MW，定壓運(yùn)行；540480MW，復(fù)合滑壓；480450

7、MW，3閥點(diǎn)滑壓；450370MW，復(fù)合滑壓；在370330MW，3閥點(diǎn)滑壓；330300MW，2閥點(diǎn)滑壓。根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，考慮操作上存在一定難度，并可能存在一定的安全隱患，故在370MW330MW負(fù)荷段，采用2閥點(diǎn)滑壓。最后結(jié)合現(xiàn)場可操作性、安全性及相應(yīng)修正理論得到最佳滑壓曲線見圖2。81008200830084008500860087008800890090009100300 350 400 450 500 550 600機(jī)組負(fù)荷/MW修正后熱耗率/kJ/(kW.h)定壓常規(guī)滑壓3閥點(diǎn)復(fù)合滑壓2閥點(diǎn)圖1 機(jī)組熱耗與負(fù)荷關(guān)系曲線全國火電600MW 級機(jī)組能效對標(biāo)及競賽第十五屆年會論文集

8、 汽機(jī)1791011121314151617300 350 400 450 500 550 600機(jī)組負(fù)荷/MW主蒸汽壓力/MPa定壓常規(guī)滑壓3閥點(diǎn)滑壓復(fù)合滑壓2閥點(diǎn)滑壓最佳滑壓常規(guī)最佳滑壓曲線圖2 機(jī)組定滑壓運(yùn)行曲線圖中曲線在420MW480MW負(fù)荷間的最佳壓力并不是直線上升的而是呈現(xiàn)出近似水平的一段，并且每段斜率也不一樣，這與與常規(guī)滑壓曲線不一樣（見圖中虛線）。相比較而言，該方法得到的滑壓曲線更精細(xì)，能夠準(zhǔn)確地找到機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，并且在實(shí)際操作過程中也完全可以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圖2中的最佳滑壓曲線，可以確定機(jī)組在各負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參考方式，見表2。表2 不同負(fù)荷優(yōu)化運(yùn)行方式及閥門開啟情況序 號

9、負(fù) 荷 主蒸汽壓力（范圍） 最優(yōu)運(yùn)行方式 閥門開啟情況1 580540MW 16.70MPa 定壓運(yùn)行 3 閥全開1 閥節(jié)流2 540480MW 14.97-16.70MPa 復(fù)合滑壓運(yùn)行 3 閥全開1 閥節(jié)流3 480450MW 14.85-14.97MPa 3 閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行 3 閥全開4 450370MW 13.44-14.85MPa 復(fù)合滑壓運(yùn)行 2 閥全開1 閥節(jié)流5 370300MW 11.17-13.44MPa 2 閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行 2 閥全開2 運(yùn)行優(yōu)化過程中汽流激振問題及解決方式在機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化過程中，汽機(jī)單閥切換多閥運(yùn)行時，引起1#、2#瓦溫度急驟升高，短時最高達(dá)105，后下降，穩(wěn)

10、定在91；且振動異常變化，振動最大達(dá)108m，變化非常敏感。分析表明，噴嘴配汽引起的汽流激振是產(chǎn)生軸系振動和軸瓦溫度升高的根本原因，而不平衡汽流力則是引發(fā)汽流激振的主要原因。機(jī)組設(shè)計的閥門配置和開啟順序如圖3，即順序閥為3+412，配汽機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)如表3，機(jī)組軸系如圖4。全國火電600MW 級機(jī)組能效對標(biāo)及競賽第十五屆年會論文集 汽機(jī)18圖3 閥門配置和開啟順序(從機(jī)頭向發(fā)電機(jī)看)其中，1、2、3、4 分別代表1 號、2 號、3 號、4 號閥門。以3+412 為例，該進(jìn)汽方式為：3 號、4 號閥門同時開啟，然后開啟1 號閥門，最后打開2 號閥門。表3 配汽機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)表閥號 閥門公稱內(nèi)徑mm 閥門公稱

11、面mm2 每閥控制噴嘴數(shù)每閥控制面積mm2 累計噴嘴數(shù) 累計噴嘴面積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圖4 600MW 汽輪機(jī)軸系示意簡圖蒸汽進(jìn)入調(diào)節(jié)級動葉柵產(chǎn)生合力Fb，通常Fb 分解為沿圓周速度方向的切向分力Ft 和沿汽輪機(jī)軸線方向的軸向分力Fz，如圖5、6 所示。切向分力Ft 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩做機(jī)械功傳遞給發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能；軸向分力Fz

12、的合力由推力軸承平衡。這兩個方向上的力都會影響軸承的載荷，從而影響軸系的穩(wěn)定。FtFz Fbp1p2 2w11w2圖5 蒸汽在調(diào)節(jié)級動葉柵的流動簡圖全國火電600MW 級機(jī)組能效對標(biāo)及競賽第十五屆年會論文集 汽機(jī)191#軸承2#軸承LD調(diào)節(jié)級L1 L2Fz3Fz4Fz1Fz2xyFxFy Ft調(diào)節(jié)級左視圖FxFy圖6 轉(zhuǎn)子與軸系支承系統(tǒng)（1）切向分力Ft 對軸承的影響分析調(diào)節(jié)級動葉汽流切向力在水平、垂直方向上的分力可以根據(jù)以下公式計算：= 10sin F F d x t ； = 10cos F F d y t (1)式中，0，1 分別為噴嘴弧段對應(yīng)的起、止相位角；Ft 為噴嘴弧段單位長度對應(yīng)的

13、汽流切向力，同一噴嘴組其汽流切向力相等。由公式1 可知，在全周均勻進(jìn)汽時，積分為零，動葉上的汽流力不產(chǎn)生橫向作用力；調(diào)節(jié)級非全周進(jìn)汽時，積分不等于零，汽流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生橫向作用力；調(diào)節(jié)級組不同進(jìn)汽方式下，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不同的橫向作用力，由此對轉(zhuǎn)子振動和軸承載荷產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)子兩端支持軸承上橫向作用力的分力決定于調(diào)節(jié)級葉輪與兩端軸承中心的距離。對如圖6 所示的轉(zhuǎn)子與軸承支承系統(tǒng)，1#、2#軸承上的分力為：x x FLF L21 = ； y y FLF L21 =x x FLF L12 = ； y y FLF L12 = (2)（2）軸向分力Fz 對軸承的影響分析如圖5 所示，調(diào)節(jié)級動葉汽流軸向力可以通過以

14、下公式計算：( sin sin ) ( ) 1 1 2 2 1 2 F G w w A p p z b = + (3)其中，G-單位時間內(nèi)動葉柵所通過的蒸汽質(zhì)量；Ab-動葉軸向面積；p1、p2-動葉前、后壓力；w1-蒸汽流入動葉前相對速度；w2-蒸汽流入動葉后相對速度。由公式3 可知，在高壓調(diào)節(jié)級產(chǎn)生的軸向分力Fz 與G 成正比的。設(shè)： 1 1 2 2 k = w sin w sin ， ( ) 1 2 R A p p z = 則公式4 簡化為：z F = kG + R (4)全國火電600MW 級機(jī)組能效對標(biāo)及競賽第十五屆年會論文集 汽機(jī)20設(shè)GV1、GV2、GV3、GV4 調(diào)節(jié)閥對應(yīng)的噴嘴

15、組控制著蒸汽流量的大小G1、G2、G3、G4，那么，分別作用轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級動葉柵上的軸向分力分別為：Fz1、Fz2、Fz3 和Fz4。若Fz 分別由四組不同開度的調(diào)節(jié)閥控制蒸汽流量大小，對高壓轉(zhuǎn)子就產(chǎn)生一個不對稱的側(cè)向翻轉(zhuǎn)力矩。以1#可傾瓦軸承為例進(jìn)行受力分析，可知1#可傾瓦軸承不僅受到轉(zhuǎn)子重量載荷和轉(zhuǎn)子-軸承旋轉(zhuǎn)摩擦力載荷外，還受到高壓調(diào)節(jié)級的側(cè)向合力F 作用。如圖6 所示，假設(shè)以2#軸承為支點(diǎn)，1#軸承為自由端，根據(jù)力矩平衡方程，結(jié)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 /

16、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 為調(diào)節(jié)級節(jié)徑，L 為#1 軸承和#2 軸承之間的距離。由（公式5、6）得知：調(diào)節(jié)閥開啟過程中，1#可傾瓦軸承受到左、右側(cè)向力Fx；同時受到上、下側(cè)向力Fy。通過配汽優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)汽流量大小的合理配置總而減小Fx 和Fy。根據(jù)上述理論，借鑒國內(nèi)部分600MW汽輪機(jī)組配汽改進(jìn)方案，對平圩2#機(jī)組進(jìn)行順序閥試驗(yàn)與軸承載荷的理論計算后提出改進(jìn)配汽方案：3+2

17、41。針對改進(jìn)前后閥門開啟順序，比較軸承承載的變化情況，針對不同的閥門開啟順序，軸承載荷F（載荷規(guī)定向下），可按下式計算，計算結(jié)果見圖5、6。= sara ka F F1cos (7)式中，F(xiàn)ra為第a瓦所受徑向力，ka為第a瓦支點(diǎn)位置角。5000700090001100013000150001700019000210000 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400進(jìn)汽量(t/h)軸承載荷(kg)1#軸承2#軸承500070009000110001300015000170001900021000600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2

18、000 2200進(jìn)汽量(t/h)軸承載荷(kg)1#軸承2#軸承原設(shè)計軸承載荷與進(jìn)汽量的關(guān)系 改進(jìn)后軸承載荷與進(jìn)汽量的關(guān)系圖5 改進(jìn)前后軸承載荷與進(jìn)汽量的關(guān)系-75-65-55-45-35-25-15-550 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400進(jìn)汽量(t/h)軸承載荷(°)1#軸承2#軸承-75-65-55-45-35-25-15-55600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200進(jìn)汽量(t/h)軸承載荷方向(°)1#軸承2#軸承·原設(shè)計軸承載荷方向與進(jìn)汽量的關(guān)系 改進(jìn)后軸承載荷方向與進(jìn)汽

19、量的關(guān)系圖6 改進(jìn)前后軸承載荷方向與進(jìn)汽量的關(guān)系+ - + -全國火電600MW 級機(jī)組能效對標(biāo)及競賽第十五屆年會論文集 汽機(jī)21通過上圖可知，原設(shè)計的順序閥開啟順序3+412軸承比壓超過設(shè)計允許值，引起機(jī)組產(chǎn)生油溫高或振動大的現(xiàn)象。改進(jìn)方案3+241軸承載荷在設(shè)計允許比壓范圍內(nèi)，對油溫和振動影響較小，可長期安全運(yùn)行。采用順序閥3+241后，在運(yùn)行中對汽輪機(jī)1#4#軸承振動與軸瓦溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：配汽優(yōu)化后，與優(yōu)化前的振動最大值108m及瓦溫最高值105相比，機(jī)組運(yùn)行中軸振和瓦溫等指標(biāo)降低較多，達(dá)到安全值，并避免了1+43+2運(yùn)行方式中2號和3號閥同時參與節(jié)流調(diào)節(jié)

20、，機(jī)組效率低的問題，比較成功地解決了不平衡汽流力引起的汽流激振。結(jié)合前面優(yōu)化所得最優(yōu)滑曲線壓，考慮實(shí)際運(yùn)行中閥門開啟順序由3+412改為3+241，可有效避免汽流激振問題，在保證安全性的同時提高經(jīng)濟(jì)性。表4 600MW汽輪機(jī)配汽優(yōu)化后1#4#軸承振動、軸瓦溫度數(shù)據(jù)功率閥門開度（%） 軸承振動（m，X向/Y向） 軸瓦溫度（，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