汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢與熱力參數(shù)變化的關(guān)系分析

楊 濤 ，胥建群 ，周克毅 ，石永鋒 ，蔣偉莉 ，王 毅

(1.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；3.國(guó)信揚(yáng)州第二發(fā)電廠，江蘇揚(yáng)州225000)

隨著我國(guó)火電機(jī)組向高參數(shù)大容量方向的發(fā)展，尤其是大容量直流鍋爐以及超（超）臨界機(jī)組的投入運(yùn)行，對(duì)鍋爐給水品質(zhì)提出了更高的要求。由于直流鍋爐沒(méi)有汽包，不能夠采用常規(guī)的汽水分離、蒸汽清洗等鍋內(nèi)凈化措施來(lái)控制蒸汽品質(zhì)；同時(shí)，主蒸汽壓力不斷提高，鹽類在蒸汽中的溶解度增大，進(jìn)一步增加了鍋爐除鹽的難度。含鹽蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功后，由于壓力降低，溶解在蒸汽中的鹽類析出，沉積在汽輪機(jī)通流部分中，引起汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢，導(dǎo)致汽輪機(jī)通流部分熱力參數(shù)發(fā)生變化，降低汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此需要對(duì)超臨界機(jī)組的汽水品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)通流部分結(jié)垢進(jìn)行診斷。

近年來(lái)，與熱力參數(shù)相關(guān)的通流部分的故障，如閥桿和葉片的斷裂、汽流通道結(jié)垢及磨損等逐步受到重視[1，2]。而在通流部分發(fā)生故障時(shí)，最直接的反映是溫度、壓力、流量等熱力過(guò)程參數(shù)的變化，進(jìn)而引起汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率的變化。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)通流部分的熱力參數(shù)來(lái)判斷通流部分的運(yùn)行情況，可作為一種檢查設(shè)備故障和缺陷的輔助診斷工具。再綜合以熱力參數(shù)變化值為基礎(chǔ)的定量計(jì)算，就可以分析通流部分的具體故障位置、程度和原因。為此，針對(duì)某電廠運(yùn)行性能的下降，根據(jù)機(jī)組熱力參數(shù)的變化，進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，判斷出通流部分結(jié)垢的具體位置和程度。分析通流部分結(jié)垢的可能原因及預(yù)防方法，并提出在調(diào)節(jié)級(jí)后加裝汽水品質(zhì)測(cè)點(diǎn)為超臨界機(jī)組提供檢測(cè)途徑。

1 對(duì)通流部分流動(dòng)公式的分析

對(duì)汽輪機(jī)通流部分的診斷需要分析級(jí)組汽流通道內(nèi)流動(dòng)情況，因此有必要首先對(duì)常用的蒸汽參數(shù)與流量之間的關(guān)系式進(jìn)行比較分析。

1.1 斯托多拉公式

斯托多拉根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到流量與級(jí)組后壓力呈橢圓曲線關(guān)系[3]，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（1）中：G為通過(guò)級(jí)組的流量；p0和pz分別為級(jí)組前、后蒸汽壓力；v0為級(jí)組前蒸汽比容；A為級(jí)組通流面積；k1為系數(shù)（變工況前后k1值不變）。

在通流面積不變的情況下，對(duì)于臨界工況或者級(jí)組壓比pz/p0小于一定值時(shí)，流量可近似視為與級(jí)組前壓力成比例。

1.2 理論推導(dǎo)公式

根據(jù)流量方程和能量方程，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)[4]可得通過(guò)級(jí)組的流量與蒸汽參數(shù)存在如下關(guān)系：

式（2）中：n 為多變指數(shù)；η 為級(jí)組效率；κ為絕熱指數(shù)；k2為系數(shù)（工況變化不大時(shí)k2值近似不變）。

若根據(jù)實(shí)際情況，取過(guò)熱蒸汽κ=1.3，級(jí)組效率η=0.9，則式（2）中 n≈1.8。

1.3 不可壓縮分析公式

對(duì)于某一級(jí)組，根據(jù)連續(xù)性方程，通過(guò)汽流通道的蒸汽流量可為[4]：

式（3）中：μ為流量系數(shù)。

由于可以將過(guò)熱蒸汽看作理想氣體，根據(jù)其定熵過(guò)程，有：

對(duì)上式進(jìn)行微分，化簡(jiǎn)可得到：

若將蒸汽視為不可壓縮氣體，即dv/v=0，則κ→∞。同時(shí)忽略流量系數(shù)的變化，式（3）即可化為不可壓縮流量公式：

式（6）中：k3為系數(shù)（變工況前后 k3值不變）。

1.4 3個(gè)分析公式的比較

式（1）、式（2）、式（6）均說(shuō)明通過(guò)某一級(jí)組通流部分的流量?jī)H與通流面積和蒸汽參數(shù)有關(guān)；3個(gè)公式均可作為各級(jí)組通流部分的流動(dòng)分析公式，通過(guò)監(jiān)測(cè)蒸汽參數(shù)的變化對(duì)汽輪機(jī)各級(jí)組進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)和通流部分分析診斷。

對(duì)式（1）、式（2）、式（6）的比較可以看出，3 個(gè)公式的區(qū)別在于系數(shù)k和級(jí)組壓比的指數(shù)。其中，式（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，是一個(gè)近似公式，壓比的指數(shù)為2；式（2）通過(guò)理論推導(dǎo)獲得，壓比的指數(shù)為1.8；而式（6）通過(guò)將蒸汽看作不可壓縮氣體簡(jiǎn)化獲得，壓比的指數(shù)為1。相比之下式（6）較為簡(jiǎn)單，但其計(jì)算精度還需要通過(guò)實(shí)例計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

為此，選取了某630 MW機(jī)組大修剛剛結(jié)束時(shí)主汽閥閥位指令同為86%的3個(gè)工況（調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)啟個(gè)數(shù)不變），且分別用式（1）、式（2）和式（6）計(jì)算調(diào)節(jié)級(jí)、高壓缸第一級(jí)組及中壓缸第一級(jí)組在不同工況下與工況1的流量差值百分比ΔG，得出了最大誤差。針對(duì)所選工況，可忽略通流面積的變化。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過(guò)不同工況下不同級(jí)組的流量差值百分比的計(jì)算可以看出，式（1）、式（2）、式（6）的計(jì)算結(jié)果接近，3個(gè)公式間的最大誤差小于2%，這說(shuō)明級(jí)組壓比的指數(shù)項(xiàng)對(duì)公式的分析結(jié)果影響較小。因此，將蒸汽視為不可壓縮對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差較小，在實(shí)際應(yīng)用中采用不可壓縮分析式（6）對(duì)變工況條件下各級(jí)組通流部分進(jìn)行理論計(jì)算是可行的。當(dāng)高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)和第一級(jí)組同時(shí)發(fā)生通流面積變化時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)后壓力受到調(diào)節(jié)級(jí)和第一級(jí)組的一對(duì)相反影響；噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)調(diào)門(mén)開(kāi)度的變化也會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)壓力產(chǎn)生影響。單獨(dú)使用式（1）、式（2）和式（6）通過(guò)壓比變化分析判斷調(diào)節(jié)級(jí)通流結(jié)垢程度比較困難。對(duì)于噴嘴配汽機(jī)組，當(dāng)考慮調(diào)門(mén)開(kāi)度變化，在相同計(jì)算精度的前提下，形式較為簡(jiǎn)單的式（6）更便于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用和定量分析，因此選用不可壓縮公式作為本文分析汽輪機(jī)通流部分流動(dòng)情況的基本關(guān)系式。

2 對(duì)機(jī)組的診斷

2.1 機(jī)組的基本情況

某型號(hào)為N630-24.2/538/566的超臨界機(jī)組在某次大修后的18個(gè)月內(nèi)再次出現(xiàn)出力下降、調(diào)節(jié)級(jí)后壓力逐漸上升等現(xiàn)象。為具體分析各參數(shù)的變化趨勢(shì)，選取主蒸汽流量同為1 500 t/h的工況繪制閥位指令、調(diào)節(jié)級(jí)后壓力的變化曲線，如圖1所示。選取閥位指令同為86%的工況繪制效率變化曲線，用于表現(xiàn)效率的相對(duì)變化趨勢(shì)，如圖2所示。

其中高壓缸效率根據(jù)主蒸汽壓力、溫度和高壓缸排汽壓力、溫度的測(cè)量值求得，第一級(jí)組效率根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力、溫度和一抽壓力、溫度的測(cè)量值求得。根據(jù)圖1和圖2可得到以下結(jié)果：在主蒸汽流量同為1 500 t/h情況下，高壓缸效率下降將近3個(gè)百分點(diǎn)；調(diào)節(jié)級(jí)后壓力逐步上升，上升約5.07%；主汽閥閥位指令上升顯著，在18個(gè)月內(nèi)上升約5.88%，說(shuō)明為保證主蒸汽流量，需不斷開(kāi)大閥門(mén)；而監(jiān)測(cè)時(shí)還發(fā)現(xiàn)主蒸汽壓力隨著閥門(mén)開(kāi)度增大而逐漸下降，這使得對(duì)問(wèn)題的分析更加復(fù)雜。

為進(jìn)一步分析造成高壓缸效率下降、調(diào)節(jié)級(jí)壓力上升的原因，又對(duì)高壓缸第一級(jí)組的效率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖2所示?？梢钥闯觯笮藓蟮?8個(gè)月時(shí)間內(nèi)，第一級(jí)組效率下降約6個(gè)百分點(diǎn)。此外，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)第一級(jí)組通流面積下降3.33%，而其他級(jí)組當(dāng)量通流面積的計(jì)算結(jié)果平穩(wěn)波動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)較為明顯的變化。

表1 3個(gè)分析公式計(jì)算流量差值百分比的對(duì)比

圖1 大修后18個(gè)月內(nèi)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力和閥位指令變化

圖2 大修后18個(gè)月內(nèi)效率變化

2.2 定性分析

過(guò)監(jiān)測(cè)段溫度壓力對(duì)相對(duì)內(nèi)效率 （包括各汽缸及各級(jí)組）和通流面積進(jìn)行計(jì)算，并以此作為診斷依據(jù)，反映機(jī)組在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀況。相對(duì)內(nèi)效率是汽輪機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它反映了汽輪機(jī)通流部分的完善程度，通過(guò)級(jí)組進(jìn)出口壓力、溫度計(jì)算它的變化，能及時(shí)了解通流部分工作情況。而通流面積可以通過(guò)對(duì)監(jiān)視段壓力、溫度的測(cè)量來(lái)監(jiān)視汽輪機(jī)內(nèi)部的通流情況，并以此為依據(jù)，判斷汽輪機(jī)內(nèi)出現(xiàn)的一些不正常現(xiàn)象，如葉片的斷裂、通流部分的結(jié)垢等。對(duì)于該機(jī)組，大修后約18個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，第一級(jí)組效率和通流面積均明顯下降，由此可以初步判斷，高壓缸第一級(jí)組可能存在結(jié)垢。

此外，對(duì)中低壓缸各參數(shù)變化趨勢(shì)的分析排除了中低壓缸故障的可能性。高壓缸第一級(jí)組結(jié)垢會(huì)造成調(diào)節(jié)級(jí)后壓力升高（圖1），流量減小。為保證一定的流量，需要不斷開(kāi)大主汽閥（圖1）；而閥門(mén)可能會(huì)在開(kāi)啟過(guò)程中造成主汽流量過(guò)大，引起調(diào)節(jié)級(jí)壓力升高更多。這樣就要通過(guò)降低主汽壓力維持主汽流量并緩解調(diào)節(jié)級(jí)壓力過(guò)大，這也解釋了監(jiān)測(cè)參數(shù)時(shí)主汽壓力隨著主汽閥開(kāi)度增加反而下降的現(xiàn)象。

這種依靠熱力參數(shù)的定性分析具有分析簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)容易等優(yōu)點(diǎn)，可用于初步判斷，但僅從相對(duì)內(nèi)效率和監(jiān)視段壓力來(lái)判斷通流部分故障是不全面的，具體故障類型及原因還需結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 定量計(jì)算

通流部分的故障最終會(huì)引起通流面積的增大或減小，因此，應(yīng)該選擇能夠反映汽輪機(jī)各級(jí)通流面積變化的物理量作為診斷的指標(biāo)，即當(dāng)量通流面積。由于前文已驗(yàn)證將蒸汽視為不可壓縮對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在工程應(yīng)用允許范圍以內(nèi)，因此，為量化結(jié)垢、腐蝕等對(duì)蒸汽流道造成的影響，由式（6）導(dǎo)出一個(gè)含當(dāng)量通流面積項(xiàng)的不可壓縮分析公式[5，6]：

和順縣地域遼闊，人口少而居住分散，受地理?xiàng)l件、水資源狀況、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、群眾認(rèn)識(shí)、管理水平等因素的影響，水源工程建設(shè)方案確定比較復(fù)雜。根據(jù)和順縣的實(shí)際，主要采取的水源工程建設(shè)方案有：自然泉水水源、河道型地表水水源、滲透型地表水水源、輻射井水源、深井水源。

式（7）中：G為主蒸汽流量；pT，TT分別為主蒸汽壓力和溫度；A1st為調(diào)節(jié)級(jí)當(dāng)量通流面積；p1st為第一級(jí) （這里指調(diào)節(jié)級(jí)）級(jí)后壓力；pv為主汽門(mén)后（調(diào)節(jié)級(jí)前）壓力。

根據(jù)上述公式可對(duì)本文中調(diào)節(jié)級(jí)通流部分進(jìn)行分析，已知在主蒸汽流量同為1 500 t/h工況下調(diào)節(jié)級(jí)后壓力升高約5.07%（圖1），主蒸汽壓力下降，造成調(diào)節(jié)級(jí)前壓力下降4.18%?？傻镁唧w計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各參數(shù)計(jì)算對(duì)比表

從表2中可以看出大修后的與投運(yùn)初期相比下降9.07%，將該結(jié)果帶入式（7）可得：

通過(guò)上述計(jì)算可得，理論上調(diào)節(jié)級(jí)當(dāng)量通流面積應(yīng)增加13.25%。但是通過(guò)閥位指令上升曲線和對(duì)通流面積的監(jiān)測(cè)可以得到的實(shí)際情況是：閥位指令上升5.88%對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)級(jí)當(dāng)量通流面積上升5.92%。說(shuō)明實(shí)際當(dāng)量通流面積比理論計(jì)算要小7.33%，證明調(diào)節(jié)級(jí)也存在結(jié)垢。調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)垢造成調(diào)節(jié)級(jí)后壓力下降，通過(guò)上述分析可知調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)垢將造成通流面積下降7.33%，帶入式（7）可得：

式（10）中：G2nd，T2nd分別為調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽流量和溫度；A2nd為第一級(jí)組當(dāng)量通流面積。

即第一級(jí)組當(dāng)量通流面積下降3.33%，造成p1st上升3.33%，而調(diào)節(jié)級(jí)后壓力升高，會(huì)減小調(diào)節(jié)級(jí)前后壓差，造成流量減小。為保證一定流量，需繼續(xù)增大閥門(mén)開(kāi)度，減小調(diào)節(jié)級(jí)后壓力，通常調(diào)節(jié)級(jí)后壓力會(huì)比原值高，所以最終調(diào)節(jié)級(jí)后壓力是不斷升高的。

通過(guò)以上分析可以看出，對(duì)該機(jī)組的診斷結(jié)果為調(diào)節(jié)級(jí)和第一級(jí)組結(jié)垢；它們會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力形成相反的影響，給故障診斷帶來(lái)一定難度。

通過(guò)對(duì)級(jí)組進(jìn)出口壓力溫度的監(jiān)測(cè)計(jì)算各級(jí)組效率和通流面積，定性分析機(jī)組通流部分的完善程度；通過(guò)對(duì)主蒸汽流量保持不變時(shí)主蒸汽壓力、溫度、調(diào)節(jié)級(jí)壓力及高壓缸排汽壓力的監(jiān)測(cè)，采用不可壓縮分析公式來(lái)定量計(jì)算當(dāng)量通流面積的變化，并與調(diào)門(mén)開(kāi)度變化時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)通流面積理論計(jì)算值比較，能夠較為快速準(zhǔn)確地分析調(diào)節(jié)級(jí)通流部分的運(yùn)行狀況，便于現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

3 對(duì)診斷結(jié)果的分析

通過(guò)定性分析熱力參數(shù)的變化可以初步判斷出第一級(jí)組存在結(jié)垢，但是未能有效地診斷出調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉的結(jié)垢問(wèn)題。這是因?yàn)榈谝患?jí)組結(jié)垢會(huì)抬高調(diào)節(jié)級(jí)后壓力，而調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉結(jié)垢會(huì)造成調(diào)節(jié)級(jí)后壓力下降、流量減小，為保證流量一定就必須增大閥門(mén)開(kāi)度，但同時(shí)又會(huì)使調(diào)節(jié)級(jí)后壓力有所升高，這就形成了一對(duì)相互抵消的作用力。

而結(jié)合當(dāng)量通流面積模型進(jìn)一步進(jìn)行定量診斷，則可分析出調(diào)節(jié)級(jí)亦存在結(jié)垢。機(jī)組大修后18個(gè)月再次揭缸，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)級(jí)和高壓缸第一級(jí)組則存在嚴(yán)重的“珊瑚礁”狀結(jié)垢。這與診斷結(jié)果相吻合，證明了上述基于熱力參數(shù)變化進(jìn)行通流部分結(jié)垢診斷的方法是可行有效的，為機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行和通流部分狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）汽輪機(jī)組熱力參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)通流部分故障的反應(yīng)十分敏感，它們能反映通流部分的內(nèi)部狀況，與各種故障的類型和程度存在著確定的關(guān)系。

（2）通過(guò)實(shí)例對(duì)比3個(gè)通流部分流動(dòng)分析公式，計(jì)算結(jié)果接近，驗(yàn)證了在對(duì)汽流通道內(nèi)流動(dòng)情況的分析中，將蒸汽視為不可壓縮而得到的分析公式不僅形式簡(jiǎn)單，應(yīng)用限制條件較少，且誤差在允許范圍，可應(yīng)用于工程實(shí)際。

（3）調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)垢和第一級(jí)組結(jié)垢會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力形成相反影響，給診斷帶來(lái)一定難度。采用基于熱力參數(shù)變化的理論計(jì)算可以定量診斷出通流部分結(jié)垢的具體位置及原因。說(shuō)明可通過(guò)多個(gè)熱力參數(shù)的變化規(guī)律來(lái)明確汽輪機(jī)通流部分的運(yùn)行狀況。

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