汽輪機(jī)性能老化軌跡的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用確定方法

方 超，盧閩南

（1.華能南通電廠(chǎng)，南通 226003；2.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司，北京 100031）

機(jī)組投產(chǎn)或大修后，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，汽輪機(jī)熱耗率將增加，這就是汽輪機(jī)性能老化。汽輪機(jī)性能老化必將引起煤耗率增加，這需要我們對(duì)其老化程度有所了解，并掌握其老化軌跡，以便研判電廠(chǎng)設(shè)備管理水平，進(jìn)行節(jié)能定量分析，指導(dǎo)電廠(chǎng)節(jié)能工作。

汽輪機(jī)性能老化軌跡通常由理論法和試驗(yàn)法兩種方法獲取。理論法借用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出的老化系數(shù)，比較方便，但由此獲得的老化軌跡往往與機(jī)組本身的實(shí)際狀況存在較大差異；試驗(yàn)法需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，干擾因素較多，但由此獲得的老化軌跡較符合機(jī)組本身實(shí)際。目前，國(guó)內(nèi)在汽輪機(jī)性能老化軌跡方面的研究相對(duì)較少，為此，本文從電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，從高壓缸效率變化入手，對(duì)汽輪機(jī)性能老化軌跡的確定方法進(jìn)行了探討，借此拋磚引玉。

1 關(guān)于性能老化

汽輪機(jī)性能老化定義：性能老化是指純粹由于運(yùn)行時(shí)間的積累，汽輪機(jī)運(yùn)行熱力性能逐漸降低的過(guò)程。

所謂老化軌跡，是指老化系數(shù)隨時(shí)間變化的過(guò)程。所預(yù)測(cè)和確定的老化軌跡的周期，通常與大修周期同步。

老化系數(shù)可分為理論老化系數(shù)和實(shí)際老化系數(shù)［1］17。前者是指完全按照性能老化定義確定的老化系數(shù)，是理想狀況下隨著時(shí)間推移的純老化，可反映汽輪機(jī)廠(chǎng)家設(shè)備的固有特性；后者除包含理論老化外，還可反映電廠(chǎng)設(shè)備管理水平。故對(duì)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)而言，研究實(shí)際老化系數(shù)更具現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)［1］17 給出了老化系數(shù)倍率指標(biāo)，用于衡量實(shí)際老化與理論老化的差異，即：

式中：k為老化系數(shù)倍率；f′、f分別為實(shí)際老化系數(shù)和理論老化系數(shù)。

可見(jiàn)，k值可以用來(lái)反映汽輪機(jī)運(yùn)行中實(shí)際損傷、結(jié)垢和其他異常等因素對(duì)老化的影響程度，k越大則表明這幾項(xiàng)因素對(duì)老化的影響越大。

2 現(xiàn)行的老化軌跡確定方法

2.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外確定老化系數(shù)的方法主要有德國(guó)工業(yè)（DIN）標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）標(biāo)準(zhǔn)等等，其中ASME 標(biāo)準(zhǔn)用得較多［2］33。

ASME標(biāo)準(zhǔn)給出的老化系數(shù)估算公式為：

式中：Ne為額定功率，MW；p為初壓力，MPa；A 為系數(shù)，對(duì)火電機(jī)組A＝1；BF為老化基本系數(shù)，與初投運(yùn)或檢修后運(yùn)行的月數(shù)有關(guān)（有相應(yīng)的曲線(xiàn)）。

用式（1）估算老化系數(shù)，有兩個(gè)嚴(yán)格的要求，一是汽輪機(jī)無(wú)任何微小損傷，二是通流部分無(wú)結(jié)垢。此外，要求不發(fā)生進(jìn)水事故和較大超溫，軸承振動(dòng)正常，等等。

式（1）的特點(diǎn)是用“老化基本系數(shù)”的形式給出了老化軌跡，其老化系數(shù)屬理論老化系數(shù)，實(shí)際老化系數(shù)比它大。

2.2 西安熱工研究院推薦的方法［2］37

西安熱工研究院在某電廠(chǎng)2臺(tái)機(jī)組上進(jìn)行了為期2年的汽輪機(jī)焓降試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上給出了每月的實(shí)際老化系數(shù)推薦計(jì)算方法，見(jiàn)表1。

需要指出的是，文獻(xiàn)［2］36 在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，受高中壓缸過(guò)橋汽封漏汽變化影響，中壓缸效率波動(dòng)異常，而低壓缸效率不易測(cè)求，故最終根據(jù)高壓缸效率變化來(lái)計(jì)算對(duì)整機(jī)熱耗率的影響，并取整機(jī)的老化程度為高壓缸的1.75倍（近似認(rèn)為高、中、低三缸的老化程度為1∶0.5∶0.25），通過(guò)理論計(jì)算來(lái)求得老化系數(shù)。

文獻(xiàn)［2］35－37 方法的特點(diǎn)是將老化軌跡與高壓缸效率變化結(jié)合起來(lái)，變化趨勢(shì)基本接近實(shí)際，但實(shí)際整機(jī)的老化程度不一定為高壓缸的1.75倍，由此會(huì)產(chǎn)生誤差。

2.3 文獻(xiàn)［1］17－18給出的方法

文獻(xiàn)［1］17－18 基于本機(jī)組上一周期試驗(yàn)得出的老化系數(shù)倍率，給出了老化系數(shù)的估算方法：

式（2）的特點(diǎn)是大致能反映本機(jī)實(shí)際老化情況，但實(shí)際老化軌跡不一定與ASME 給出的“老化基本系數(shù)”曲線(xiàn)相符，由此會(huì)產(chǎn)生偏差。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用確定方法

3.1 公式推導(dǎo)

如上分析，由現(xiàn)行方法得到的性能老化系數(shù)往往與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出入較大?，F(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)實(shí)際性能老化，除了與各缸效率降低有關(guān)外，還與高中壓缸過(guò)橋汽封漏汽增大等因素有關(guān)［3］。理論上講，實(shí)際老化系數(shù)可通過(guò)這些變化來(lái)確定，但其中只有高壓缸效率較易測(cè)準(zhǔn)，其他則不然，故實(shí)際老化系數(shù)通常只能估算。本文借鑒文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］的優(yōu)點(diǎn)，試圖將老化系數(shù)表示為高壓缸效率相對(duì)變化率的函數(shù)，實(shí)際相關(guān)系數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)求得。推導(dǎo)如下：

式中：Php、Pip、Plp分別為高、中、低壓缸功率，MW；Δqhp、Δqip、Δqlp、Δql分別為高、中、低壓缸效率變化和軸封漏汽變化等因素引起熱耗率的變化量，kJ／kW·h；δηhp為高壓缸效率相對(duì)變化率；β為整機(jī)相對(duì)于高壓缸的老化折算系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)正規(guī)試驗(yàn)求得。

假設(shè)在被研究的周期中，中壓缸、低壓缸、軸封等老化與高壓缸同步，即基本不變，則可視β為一常數(shù)。

式（5）即為汽輪機(jī)性能老化與高壓缸效率相對(duì)變化率之間的關(guān)系。

3.2 β值的求取

β值由本機(jī)正規(guī)試驗(yàn)求取，故與本機(jī)更貼切。方法如下：

1）機(jī)組投產(chǎn)初期或大修后進(jìn)行汽輪機(jī)性能試驗(yàn)，得額定負(fù)荷附近某一閥位（如3VWO）下的熱耗率（用一、二類(lèi)修正后的熱耗率，這樣可排除系統(tǒng)和參數(shù)對(duì)熱耗率的影響，下同）、高壓缸效率初值q、ηhp。

2）機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，根據(jù)需要（如下次大修前）進(jìn)行汽輪機(jī)性能試驗(yàn)，得在與上述同一閥位下的熱耗率、高壓缸效率終值q′、η′hp。

3）由式（5）得β＝將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)代入即求得β值。

3.3 老化軌跡求取

3.3.1 老化軌跡預(yù)測(cè)

有了上一周期β值后，即可進(jìn)行本周期內(nèi)的老化系數(shù)預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)方法如下：

1）在機(jī)組大修后，即進(jìn)行汽輪機(jī)性能試驗(yàn)，得額定負(fù)荷附近某一閥位（如3VWO）下的熱耗率、高壓缸效率初值q、ηhp。

2）每隔一段時(shí)間測(cè)量一次同一閥位下（要用高壓缸效率初值ηhp相同的閥位，因高壓缸效率與調(diào)門(mén)閥位有關(guān)）的高壓缸效率，并由式（5）求得此時(shí)的老化系數(shù)作為老化系數(shù)的預(yù)測(cè)值，同時(shí)可由q′＝q（1＋βδηhp／100）求得此時(shí)的熱耗率作為熱耗率的預(yù)測(cè)值，畫(huà)出老化系數(shù)、熱耗率隨時(shí)間變化的軌跡，作為熱耗率監(jiān)督依據(jù)。在運(yùn)行表計(jì)準(zhǔn)確的情況下，為方便起見(jiàn)，也可用SIS采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算δηhp。

3）多次測(cè)量高壓缸效率后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)高壓缸效率基本不變時(shí)（通常2年左右），可停止測(cè)量。

3.3.2 老化軌跡最終確定

老化軌跡預(yù)測(cè)時(shí)，用的是上一周期的β值，本周期實(shí)際β值可能與之不同，需要重新求取，方法與3.2相同。有了本周期的β值后，可替代上一周期的β值進(jìn)行老化系數(shù)的重新計(jì)算，作為本周期老化系數(shù)的最終估算值。

4 應(yīng)用實(shí)例

某電廠(chǎng)一亞臨界350MW 進(jìn)口機(jī)組（額定主汽壓力為16.559MPa），經(jīng)試驗(yàn)得第一次大修后至第二次大修前這一周期的β＝－0.63。

第二次大修后，性能試驗(yàn)350MW 工況對(duì)應(yīng)的調(diào)門(mén)綜合閥位為81.6%，一、二類(lèi)修正后的熱耗率為7 886.8kJ／kW·h，之后不定期利用SIS對(duì)高壓缸效率數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集統(tǒng)計(jì)，對(duì)應(yīng)于調(diào)門(mén)綜合閥位81.6%左右的高壓缸效率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在測(cè)量高壓缸效率的同時(shí)，用β＝－0.63對(duì)該機(jī)老化系數(shù)、熱耗率進(jìn)行預(yù)測(cè)；利用第二次大修后和接下來(lái)的中修試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得本周期的實(shí)際β值為－0.50，據(jù)此對(duì)該機(jī)老化系數(shù)、熱耗率最終估算值進(jìn)行了計(jì)算，同樣置于表2，由此可繪制出該機(jī)隨時(shí)間的老化系數(shù)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

表2 某汽輪機(jī)老化跟蹤及其對(duì)比

圖1 某汽輪機(jī)性能老化軌跡

β值從－0.63變?yōu)椋?.50，表明本周期其他部件（中壓缸、低壓缸、軸封等）對(duì)性能老化的影響在削弱，說(shuō)明設(shè)備管理水平有所提高。

從表2可以看出，該機(jī)實(shí)際老化系數(shù)介于熱工院法和ASME 法之間；與ASME 法計(jì)算值相比，經(jīng)計(jì)算該機(jī)老化系數(shù)倍率k在1.1和1.9之間，表明與理論老化系數(shù)相對(duì)比較接近，據(jù)此可判定該機(jī)通流部分結(jié)垢、損傷相對(duì)較輕，老化正常。

筆者曾對(duì)某電廠(chǎng)汽輪機(jī)老化進(jìn)行過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)有的機(jī)組在某一大修周期的老化系數(shù)倍率k高達(dá)4.08。大修時(shí)揭缸檢查發(fā)現(xiàn)，其高中壓缸動(dòng)、靜葉片結(jié)垢比較明顯，結(jié)垢最嚴(yán)重的是T3至T9動(dòng)、靜葉背弧處，厚度達(dá)1mm；G10、G13隔板靜葉葉頂出汽邊多數(shù)被機(jī)械雜物吹損，有凹陷、破裂、缺口等現(xiàn)象。

從圖1可以看出，該機(jī)在大修后初期老化較快，運(yùn)行2年后老化系數(shù)基本不變，這與文獻(xiàn)［2］36相吻合。

5 結(jié)論

1）經(jīng)推導(dǎo)，可將汽輪機(jī)老化系數(shù)轉(zhuǎn)化為高壓缸效率相對(duì)變化率的函數(shù)，其整機(jī)相對(duì)于高壓缸的老化折算系數(shù)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)正規(guī)試驗(yàn)求得。

2）可用上一周期試驗(yàn)得出的老化折算系數(shù)和當(dāng)前的高壓缸效率變化率進(jìn)行本周期汽輪機(jī)老化系數(shù)預(yù)測(cè)分析，待本周期的老化折算系數(shù)試驗(yàn)求出后，再對(duì)本周期汽輪機(jī)老化系數(shù)進(jìn)行最終確定，方法簡(jiǎn)單實(shí)用（通常只需借用大修前后正常的汽輪機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，平時(shí)只要測(cè)量高壓缸效率即可，如運(yùn)行表計(jì)準(zhǔn)確的話(huà)，采集SIS 中的數(shù)據(jù)也行），且貼近本機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

3）在新機(jī)組剛投產(chǎn)、沒(méi)有數(shù)據(jù)積累的情況下，可先用西安熱工研究院推薦的方法或ASME 標(biāo)準(zhǔn)給出的公式進(jìn)行老化系數(shù)預(yù)測(cè)。機(jī)組運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，建議按本文推出的方法進(jìn)行老化系數(shù)預(yù)測(cè)和確定，以便反映本機(jī)的實(shí)際老化狀況；同時(shí)可與ASME公式計(jì)算值進(jìn)行比較，用老化系數(shù)倍率來(lái)衡量電廠(chǎng)設(shè)備管理水平。

［1］方超.亞臨界汽輪機(jī)性能老化研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2007，40（6）：16－19.

［2］周良茂，楊建宏，趙新源.大型汽輪機(jī)性能老化的試驗(yàn)研究［J］.熱力發(fā)電，1997，26（2）：29－37.

［3］方超.大型汽輪機(jī)老化對(duì)出力影響的研究［J］.熱力透平，2011，40（2）：82－84.