萬 杰,唐海峰,邢閣玉,王 勇,劉金福
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;
2.神華河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 滄州 061113)
當(dāng)前,大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能等可再生能源、發(fā)展智能電網(wǎng)等能源戰(zhàn)略舉措,是解決化石能源日益枯竭以及傳統(tǒng)能源開發(fā)利用所帶來的環(huán)境污染等人類共識性難題的一條有效途徑。然而,大規(guī)模消納具有強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)不確定性的風(fēng)電等新能源電力,進(jìn)一步增大了電網(wǎng)的峰谷差,不僅需要依靠多種具備快速響應(yīng)速度的互補(bǔ)性電源,同時(shí)還需保證互補(bǔ)性電源自身大范圍變工況運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性;因而,水電與燃?xì)饣蛘呷加桶l(fā)電是互補(bǔ)性電源的最佳選擇[1]。在日本及部分歐洲發(fā)達(dá)國家中所占比例較高的水電是主要調(diào)峰手段;在美國,占近一半裝機(jī)容量的燃?xì)?油發(fā)電是調(diào)峰首選;而中國的能源結(jié)構(gòu)布局決定了火力發(fā)電在發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成中的主導(dǎo)地位,必然主要依賴于火電機(jī)組的深度大范圍變負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行調(diào)峰[2]。因此,為了提高部分負(fù)荷工況下的機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)一般都采用噴嘴進(jìn)汽規(guī)律。然而,火電機(jī)組雖具備良好的可控性和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力,但在噴嘴調(diào)節(jié)方式下機(jī)組進(jìn)行大范圍深度變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)極易出現(xiàn)導(dǎo)致安全性和經(jīng)濟(jì)性顯著下降的故障[3-4],尤其是電網(wǎng)中占主流的高參數(shù)火電機(jī)組。
汽輪機(jī)通過高壓調(diào)節(jié)閥門(簡稱高調(diào)門)控制進(jìn)汽量來調(diào)整其功率,機(jī)組隨負(fù)荷變化而動(dòng)作頻繁。當(dāng)噴嘴配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不佳時(shí),就會導(dǎo)致汽輪機(jī)在變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)影響機(jī)組安全高效性的問題或故障[5-6],許多機(jī)組為了安全起見甚至不得不采用單閥運(yùn)行方式[7],這極大地降低了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。理論及實(shí)踐證明,噴嘴進(jìn)汽規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠解決機(jī)組的軸系失穩(wěn)故障,而且還能解決高調(diào)門擺動(dòng)等其他局部進(jìn)汽故障問題[8]。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]介紹了兩種不同機(jī)理的閥門擺動(dòng)問題,并給出了基于噴嘴配汽規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)的處理方法,在實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)中取得了較好的改造效果。然而,對于由于閥體本身設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的流動(dòng)失穩(wěn)故障,尤其是高參數(shù)大功率機(jī)組出現(xiàn)的嚴(yán)重故障,目前的研究成果還未給出一種有效的經(jīng)濟(jì)性解決方式。文獻(xiàn)表明:局部進(jìn)汽時(shí)也會出現(xiàn)閥體部件的強(qiáng)迫振動(dòng)故障,甚至直接導(dǎo)致閥桿脫落出現(xiàn)安全事故[11-12]。這除與材質(zhì)、加工、熱處理、表面處理工藝及避免應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)等有關(guān)以外,還和整個(gè)閥腔設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行調(diào)整工況、閥桿型線設(shè)計(jì)、閥的固定方式等有關(guān)。因此,對于不嚴(yán)重的故障,目前在現(xiàn)場實(shí)際中都是從機(jī)械裝配方面進(jìn)行簡單加固等處理;對于比較嚴(yán)重的故障,則需要閥體廠家對閥體部件進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì),通過更換新的閥體設(shè)備部件從根源上消除故障[13]。此外,由于其主要誘導(dǎo)因素是調(diào)節(jié)閥內(nèi)汽體流動(dòng)的不穩(wěn)定性和作用在閥頭上的不均蒸汽力[14-16],所以,也有學(xué)者提出通過改善流動(dòng)失穩(wěn)高調(diào)門的運(yùn)行方式,盡量避免讓汽輪機(jī)在某一閥較小開度下運(yùn)行的解決方式;但是,也會導(dǎo)致出現(xiàn)影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的問題。然而,對于一些實(shí)際中更加嚴(yán)重的故障,尤其是目前得到廣泛推廣的高參數(shù)超臨界機(jī)組出現(xiàn)的閥門內(nèi)蒸汽流動(dòng)失穩(wěn)故障,單純依靠限制閥門開度和簡單加固閥門本體機(jī)械等方式無法解決。因?yàn)椋邊?shù)機(jī)組的閥門內(nèi)流體流動(dòng)失穩(wěn)故障不同于普通機(jī)組,故障出現(xiàn)的閥門開度由單一點(diǎn)演化為一個(gè)區(qū)間,出現(xiàn)閥體本身強(qiáng)烈振動(dòng)甚至伴隨蒸汽管道的強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象;因此,在某些負(fù)荷區(qū)間只能切換至單閥方式運(yùn)行,而在停機(jī)時(shí)則需要通過更換新的閥門本體部件才能徹底解決此故障。
本文針對高參數(shù)汽輪機(jī)高調(diào)門內(nèi)的汽流流動(dòng)失穩(wěn)故障進(jìn)行了相關(guān)研究,基于故障機(jī)理分析提出了一種新的經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)場處理方法:對汽輪機(jī)高調(diào)門配汽規(guī)律進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后,通過實(shí)際中2 臺超臨界機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)的流動(dòng)失穩(wěn)故障處理,驗(yàn)證了本方法的有效性:高調(diào)門進(jìn)汽規(guī)律優(yōu)化不僅能夠抑制高壓轉(zhuǎn)子由于受不平衡汽流力產(chǎn)生汽流激振問題,而且還能夠改善調(diào)節(jié)閥內(nèi)的氣流不穩(wěn)定流動(dòng)問題;不僅避免了機(jī)組直接切換至單閥方式進(jìn)行節(jié)流運(yùn)行,而且還避免了機(jī)組停機(jī)更換閥體設(shè)備部件給電廠帶來的很大經(jīng)濟(jì)損失。這對提高超(超)臨界等高參數(shù)大功率機(jī)組的設(shè)計(jì)及安全高效地進(jìn)行深度變負(fù)荷運(yùn)行等具有一定的科學(xué)理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值。
某電廠配備2 臺超臨界660 MW 空冷機(jī)組,主蒸汽進(jìn)汽時(shí)為兩個(gè)主汽門帶四個(gè)高調(diào)門,高調(diào)門噴嘴布置如圖1 所示,四個(gè)高調(diào)門GV1 ~GV4 對應(yīng)噴嘴組具有不同噴嘴數(shù)目。為了提高機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性,降低調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失,機(jī)組投產(chǎn)試運(yùn)行后開始切換并投運(yùn)順序閥,噴嘴規(guī)律為GV1 +GV3 →GV4 →GV2,能夠在保證瓦溫和軸振滿足要求的條件下順利投運(yùn)順序閥。然而,機(jī)組投運(yùn)順序閥一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn),兩臺機(jī)組高調(diào)門GV4 都在27%開度附近以及GV2 在20%開度附近(正好位于長期停留運(yùn)行的600 MW 負(fù)荷和660 MW 負(fù)荷工況區(qū)域)都存在強(qiáng)烈的閥體激振現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)還伴隨其前面的主蒸汽管道都強(qiáng)烈振動(dòng)導(dǎo)致閥桿多次脫落,存在極大的安全隱患。為此,機(jī)組只能降參數(shù)運(yùn)行來躲避閥體激振點(diǎn),甚至在某些工況下不得不切換至單閥方式運(yùn)行,但這使得機(jī)組偏離了最優(yōu)運(yùn)行工況對經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了一定影響。此外,與本電廠配備相同類型機(jī)組的另外一個(gè)電廠的兩臺超臨界機(jī)組,在進(jìn)行變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也出現(xiàn)了類似故障。
圖1 主汽閥及高調(diào)門的配置圖
調(diào)節(jié)閥的閥體激振問題實(shí)際上就是一種流動(dòng)失穩(wěn)故障,是由內(nèi)部汽流的流動(dòng)引起的,研究證明:調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的復(fù)雜非定常湍流運(yùn)動(dòng)會產(chǎn)生不斷增長并向外擴(kuò)散的擾動(dòng),可能會造成汽流的不穩(wěn)定,進(jìn)而引起閥門工作的不穩(wěn)定,即出現(xiàn)汽流激振現(xiàn)象;并且,其一般的綜合表現(xiàn)為閥桿的橫向或軸向振動(dòng)[12]。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流動(dòng)是復(fù)雜的非定常三維可壓縮湍流流動(dòng),流動(dòng)中產(chǎn)生的擾動(dòng)不斷增長并向外擴(kuò)散,就可能會造成氣體流動(dòng)的不穩(wěn)定,進(jìn)而引起閥門工作的不穩(wěn)定,影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[16]對汽輪機(jī)常用的型線閥和球型閥的不穩(wěn)定工況和振動(dòng)工況進(jìn)行了研究,并給出了流動(dòng)失穩(wěn)的故障機(jī)理:隨著閥門升程的不斷增大,壓差也不斷的增大,此時(shí)閥碟附著流和閥座附著流的反復(fù)交變,氣流對閥碟的作用力也達(dá)到最大;如果閥門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料和運(yùn)行工況對應(yīng)的閥門系統(tǒng)阻尼不能抑制氣流激振力的作用,閥桿/閥碟系統(tǒng)可能發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)。并且,高調(diào)門的汽流流動(dòng)失穩(wěn)是一類普遍存在的故障,尤其是在高參數(shù)機(jī)組上,由于故障嚴(yán)重程度不同,進(jìn)而表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象明顯程度也就不同。
通常,如果要徹底消除這個(gè)問題只能通過對閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來解決[13-14]。并且,實(shí)際中機(jī)組一旦出現(xiàn)此問題運(yùn)行人員一般采取降低運(yùn)行參數(shù)躲避閥體振動(dòng)區(qū)間,或者直接切換至單閥方式運(yùn)行。然而,這對于實(shí)際運(yùn)行中的汽輪機(jī)來講都是非常不經(jīng)濟(jì)的。因?yàn)?,非?jì)劃性停機(jī)檢修更換閥門本體設(shè)備,會給電廠帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失;而降參數(shù)或者直接切換至單閥方式運(yùn)行也會影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。此外,根據(jù)故障機(jī)理可知:更換新的閥門本體設(shè)備也不能完全保證其他負(fù)荷點(diǎn)不存在嚴(yán)重的流動(dòng)失穩(wěn)故障;因此,即便是計(jì)劃停機(jī)更換閥體設(shè)備部件,不僅會給電廠帶來造價(jià)很大的工程,而且也可能還會存在問題不能根除的風(fēng)險(xiǎn)。
目前,理論分析和實(shí)踐改造都已證明:通過改變進(jìn)汽規(guī)律可以改變調(diào)節(jié)級后汽流流場,對解決高壓缸內(nèi)的汽流力產(chǎn)生的軸系激振問題具有很好的實(shí)踐效果[4,8]。同時(shí),由于機(jī)組調(diào)門對應(yīng)的噴嘴組數(shù)目是不同的,因此調(diào)門內(nèi)的流場穩(wěn)定性自然也會存在不同。并且,流動(dòng)穩(wěn)定性還受到運(yùn)行條件的影響,壓力、調(diào)門開度等。所以,本文提出一種基于高壓調(diào)節(jié)閥門的進(jìn)汽規(guī)律優(yōu)化的改進(jìn)方案來解決閥體內(nèi)的流動(dòng)失穩(wěn);由于可以通過直接在線修改噴嘴進(jìn)汽規(guī)律來解決此故障,因此是一種經(jīng)濟(jì)性解決方法。
由于超臨界機(jī)組初參數(shù)高,因此,在進(jìn)行順序閥運(yùn)行前,還需要進(jìn)行詳細(xì)校核噴嘴配汽規(guī)律對機(jī)組軸系穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響,以保證機(jī)組能夠順利、安全的投入順序閥運(yùn)行。因此,基于對角進(jìn)汽策略的安全性保證前提,可供選擇的改進(jìn)方案有以下三種:
(1)改進(jìn)方案一:GV2 +GV4 →GV3 →GV1;(2)改進(jìn)方案二:GV1 +GV3 →GV2 →GV4;(3)改進(jìn)方案三:GV2 +GV4 →GV1 →GV3。
為了獲取最優(yōu)改進(jìn)方案,需要進(jìn)行閥門開關(guān)試驗(yàn)。依次進(jìn)行上述3 種方案和考核試驗(yàn),特別注意的是在調(diào)整高壓調(diào)節(jié)閥門開度時(shí),每一步高壓調(diào)節(jié)閥門開度的調(diào)整量要盡可能小,以保證試驗(yàn)過程的平穩(wěn)。首先,為了驗(yàn)證每一套方案對機(jī)組軸系穩(wěn)定性的影響,試驗(yàn)時(shí)需要大范圍變化4 個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門的開度,觀察機(jī)組的軸振和瓦溫等變化狀況。因此,主汽壓和4 個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門的控制都需改為手動(dòng)模式;并且,為了測試方案對抑制氣流流動(dòng)失穩(wěn)的有效性,機(jī)組還需要在幾個(gè)關(guān)鍵閥位上進(jìn)行大范圍不同主汽壓力下的變負(fù)荷考核試驗(yàn),確保機(jī)組能夠進(jìn)行正?;瑝哼\(yùn)行調(diào)節(jié)。此外,在試驗(yàn)過程中,如果某種閥門順序開啟試驗(yàn)的振動(dòng)、瓦溫、瓦振發(fā)生異常,出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象,以致危害機(jī)組安全,則迅速停止該種試驗(yàn),然后,進(jìn)行下一種方案考核試驗(yàn)。其中,2 臺機(jī)組的最優(yōu)方案考核試驗(yàn)過程如圖2 和圖3所示,由于第一臺機(jī)組的第二套方案存在嚴(yán)重的流動(dòng)失穩(wěn)故障,因此,在第二機(jī)組上只對方案一和三進(jìn)行了考核論證。
圖2 機(jī)組一的方案考核試驗(yàn)過程
圖3 機(jī)組二的方案考核試驗(yàn)過程
表1 機(jī)組一在不同噴嘴規(guī)律下的高調(diào)門內(nèi)流動(dòng)狀況
試驗(yàn)過程中主要考核不同噴嘴進(jìn)汽方案下是否存在流動(dòng)失穩(wěn)故障及軸系穩(wěn)定性情況,主要考核指標(biāo)如表1 和表2 中所示。由于目前2 臺機(jī)組的流動(dòng)失穩(wěn)故障點(diǎn)出現(xiàn)在一個(gè)典型的調(diào)門節(jié)流區(qū)間,即第三個(gè)和第四個(gè)開啟高調(diào)門的常運(yùn)行閥位區(qū)間20% ~30%,因此,需在幾個(gè)關(guān)鍵閥位點(diǎn)和負(fù)荷點(diǎn)做較為細(xì)致的考核。以第一臺機(jī)組的考核結(jié)果為例,是否存在流動(dòng)失穩(wěn)故障作為最重要的考核評價(jià)指標(biāo),因此,在試驗(yàn)過程中機(jī)組一旦發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重流動(dòng)失穩(wěn),可直接終止此試驗(yàn)而進(jìn)行下一方案考核試驗(yàn);所以,表1 中需要對負(fù)荷點(diǎn)和閥位點(diǎn)等做好記錄,而表2 中的則無須做記錄。表中,試驗(yàn)工況點(diǎn)“1”為全周進(jìn)汽進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的閥門流動(dòng)狀況、軸振及瓦溫,以便作為衡量軸系穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn);試驗(yàn)工況點(diǎn)“2 ~8”對應(yīng)方案一的三閥全開以及兩閥全開的幾個(gè)典型工況點(diǎn);試驗(yàn)工況點(diǎn)“9 ~12”對應(yīng)方案二的三閥全開的幾個(gè)典型工況點(diǎn);試驗(yàn)工況點(diǎn)“13 ~18”對應(yīng)方案三的三閥全開以及兩閥全開的幾個(gè)典型工況點(diǎn)。
通過表1 和表2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,可以看出對于第一臺機(jī)組方案一即可以避免機(jī)組出現(xiàn)調(diào)門流動(dòng)失穩(wěn)故障,又可以保證機(jī)組的軸系穩(wěn)定達(dá)到基本與單閥相當(dāng)?shù)乃?。對第二臺機(jī)組的考核試驗(yàn)結(jié)果也得到了同樣的結(jié)果。此外,通過論證分析發(fā)現(xiàn):方案一和方案三下的調(diào)門流動(dòng)比較穩(wěn)定的主要原因在于,GV2 和GV4 的噴嘴總數(shù)目遠(yuǎn)多于GV1 和GV3的噴嘴總數(shù)目,因此,先開啟GV2 和GV4 時(shí)機(jī)組的流量已經(jīng)達(dá)到額定流量60%以上,因此,第三閥和第四閥所承擔(dān)的流量較少,流體對閥門的作用力就
表2 機(jī)組一在不同噴嘴規(guī)律下的軸系穩(wěn)定性
進(jìn)行實(shí)際故障處理時(shí),將優(yōu)化后的調(diào)門開啟規(guī)律改到機(jī)組的DEH 閥門管理程序中,通過一段時(shí)間較長的實(shí)際運(yùn)行效果來驗(yàn)證方法的有效性。同時(shí),為了避免由于閥門管理優(yōu)化改造影響機(jī)組正常運(yùn)行所帶來的經(jīng)濟(jì)損失,本次優(yōu)化通過采用閥門管理的在線修改技術(shù),機(jī)組運(yùn)行期間即可完成配汽優(yōu)化改造。首先,機(jī)組在單閥方式下運(yùn)行,將機(jī)組原來的配汽規(guī)律函數(shù)備份后,再將機(jī)組新的配汽規(guī)律修改至DEH 閥門管理中。然后,在單閥狀態(tài)下,調(diào)整機(jī)組的主蒸汽壓力和負(fù)荷,由單閥切換成順序閥方式運(yùn)行;在順序閥狀態(tài)下,按正常方式進(jìn)行變負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間,并且記錄在改變機(jī)組負(fù)荷過程中機(jī)組的振動(dòng)、瓦溫以及閥體是否振動(dòng)等情況。在線改造完畢后,機(jī)組切換至順序閥正常運(yùn)行時(shí),在300 ~660 MW 負(fù)荷區(qū)間正常運(yùn)行時(shí),已經(jīng)不存在高調(diào)門的振動(dòng)問題,危及機(jī)組安全高效運(yùn)行的隱患得到了妥善處理。而且,機(jī)組的軸系穩(wěn)定性基本與優(yōu)化前的水平相當(dāng),故障得到妥善處理。
此外,利用高調(diào)門內(nèi)流動(dòng)失穩(wěn)的這種經(jīng)濟(jì)性解決方法,對另外一個(gè)電廠的其他兩臺存在類似問題的超臨界空冷機(jī)組也進(jìn)行了實(shí)際故障處理,同樣也取得了較好的優(yōu)化改造效果。因此,本方法具有一定的工程實(shí)用性。
本文針對火電機(jī)組進(jìn)行深度變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的由于閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等缺陷導(dǎo)致的閥體內(nèi)流動(dòng)失穩(wěn)而出現(xiàn)強(qiáng)烈激振的問題進(jìn)了相關(guān)研究,得到了如下結(jié)論:
(1)提出了一種基于高調(diào)門噴嘴配汽規(guī)律優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性解決方法:通過在線優(yōu)化改造噴嘴配汽規(guī)律,不僅避免了機(jī)組降參數(shù)運(yùn)行甚至直接切換至單閥方式運(yùn)行所帶來的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降問題,而且還避免了非計(jì)劃性停機(jī)檢修以及直接更換閥體設(shè)備等給電廠帶來的額外運(yùn)營成本,保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定性和高效經(jīng)濟(jì)性;
(2)通過對幾臺實(shí)際機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造試驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性:高調(diào)門進(jìn)汽規(guī)律優(yōu)化不僅能夠改變局部進(jìn)汽時(shí)的高壓轉(zhuǎn)子受力狀態(tài),抑制高壓轉(zhuǎn)子由于受不平衡汽流力產(chǎn)生汽流激振問題,改善機(jī)組深度變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的軸系穩(wěn)定性;而且,還能夠改善高調(diào)門內(nèi)的氣流流動(dòng)失穩(wěn)問題,解會相對減小,與閥門產(chǎn)生共振的機(jī)率就會減小。試驗(yàn)工況點(diǎn)“9 ~12”的結(jié)果也揭示了這一問題根源,GV4 對應(yīng)噴嘴數(shù)目最多,因此,同樣閥門開度時(shí)流過的蒸汽量就會偏多,作用在閥門本體上的汽流力就會最大,極易發(fā)生共振問題;所以,當(dāng)GV4 的閥門開度減小時(shí),流動(dòng)也逐漸趨于穩(wěn)定。決由此產(chǎn)生的高壓調(diào)節(jié)汽門閥體強(qiáng)烈振動(dòng)問題。
本文不僅對提高大功率火電機(jī)組深度變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全高效性具有極大的工程實(shí)踐價(jià)值,而且對國內(nèi)外今后將會得到大規(guī)模發(fā)展的超(超)臨界機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。
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