長期低頻運(yùn)行的汽輪機(jī)選型

唐 磊， 張賽敏， 張志軍， 王小艷

(湖南省電力設(shè)計院有限公司， 長沙 410007)

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長期低頻運(yùn)行的汽輪機(jī)選型

唐 磊， 張賽敏， 張志軍， 王小艷

(湖南省電力設(shè)計院有限公司， 長沙 410007)

國外某電廠擬擴(kuò)建100MW級機(jī)組，鑒于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)脆弱，機(jī)組將長期低于額定頻率運(yùn)行。通過分析汽輪機(jī)長期低頻穩(wěn)定運(yùn)行需關(guān)注的問題，結(jié)合國內(nèi)汽輪機(jī)產(chǎn)品特性和結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)，提出采用135MW不調(diào)頻葉片反動式汽輪機(jī)選型方案。結(jié)果表明：機(jī)組長期低頻運(yùn)行時該方案在機(jī)組熱效率、占地面積、建造成本等方面有一定優(yōu)勢，可供類似工程參考。

汽輪機(jī)； 低頻運(yùn)行； 共振； 不調(diào)頻葉片； 整鍛轉(zhuǎn)子

國外某火電廠始建于20世紀(jì)60年代，目前共有9臺汽輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為500MW(1臺100MW+8臺50MW)，機(jī)組已超設(shè)計壽命運(yùn)行。該火電廠所在地區(qū)電網(wǎng)脆弱，額定頻率為60Hz，而實(shí)際運(yùn)行頻率經(jīng)常低于50Hz，全網(wǎng)電力頻率和電壓質(zhì)量難以滿足該火電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。這不僅極大地限制了電廠所在地區(qū)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展進(jìn)程，且隨時可能發(fā)生故障停機(jī)引起更嚴(yán)重后果。

如何解決長期低頻運(yùn)行帶來的汽輪機(jī)軸系共振、葉片諧振、功率波動等問題[1-2]，目前還未見有相應(yīng)的探討和研究成果。鑒于此，筆者通過分析電網(wǎng)長期低頻運(yùn)行給汽輪機(jī)連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的不利影響，結(jié)合我國各汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品特點(diǎn)和技術(shù)特點(diǎn)，提出了長期低頻工況下汽輪機(jī)選型推薦方案，以供項(xiàng)目設(shè)計參考。

1 汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行需關(guān)注的問題

電網(wǎng)長期低頻運(yùn)行且頻率波動過大，將對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、動葉片和功率帶來不利影響，最終影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。

1.1低頻運(yùn)行對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的影響

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生特別大振動時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。若汽輪機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行，將導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件非正常振動過大，引起機(jī)組故障或發(fā)生事故。為保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開各階臨界轉(zhuǎn)速[1]。國內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定固定式汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)與工作轉(zhuǎn)速避開±15%；IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定軸系的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)與工作轉(zhuǎn)速避開-6%～+10%。

正常情況下，電網(wǎng)頻率與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速成一一對應(yīng)關(guān)系，即

n=60×f

(1)

式中：n為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為電網(wǎng)頻率，Hz。

長期低頻運(yùn)行容易使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速處于臨界轉(zhuǎn)速附近，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)共振，使得汽輪機(jī)振動超標(biāo)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行和使用壽命。

影響臨界轉(zhuǎn)速的因素很多，一般臨界轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)子剛性的增加而增大，隨質(zhì)量的增加而減??；當(dāng)汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵磁轉(zhuǎn)子等連結(jié)成軸系后，其臨界轉(zhuǎn)速將更為復(fù)雜。為使汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速，可以采用兩種方法：(1)采用單缸汽輪機(jī)，縮短轉(zhuǎn)子長度，增加軸系剛度，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速避開電網(wǎng)頻率波動值一定范圍；(2)高、中、低壓轉(zhuǎn)子采用整鍛剛性轉(zhuǎn)子并采用剛性連接，低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子剛性連接，減少轉(zhuǎn)子的應(yīng)力，以適應(yīng)電網(wǎng)頻率波動時汽輪機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況。

1.2低頻運(yùn)行對汽輪機(jī)動葉片的影響

汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，動葉片經(jīng)由隔板噴嘴出來的蒸汽流沖擊下形成轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩，這種沖擊力對葉片是一種高頻率的激振力[1-2]。當(dāng)激振頻率與葉片固有頻率重合即發(fā)生葉片共振，容易造成葉片尤其是末幾級葉片斷裂，危害汽輪機(jī)安全運(yùn)行。電網(wǎng)頻率變化容易導(dǎo)致激振頻率偏離設(shè)計工況，使葉片落入諧振，致使汽輪機(jī)激振頻率與葉片固有頻率重合造成氣流激振，造成汽輪機(jī)葉片的斷裂，嚴(yán)重影響汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，甚至引起汽輪機(jī)的毀損。因此，我國《汽輪機(jī)葉片振動強(qiáng)度安全準(zhǔn)則》規(guī)定調(diào)頻葉片應(yīng)在48.5～50.5Hz情況下長期運(yùn)行[2]。而目前國內(nèi)三大主機(jī)制造廠給出的汽輪機(jī)長期運(yùn)行允許頻率波動范圍為-5%～3%。對應(yīng)60Hz工頻，汽輪機(jī)長期運(yùn)行頻率應(yīng)控制在57～61.8Hz。因此，為了在電網(wǎng)頻率波動較大、低頻運(yùn)行工況下保證汽輪機(jī)葉片安全，需要汽輪機(jī)制造廠家對汽輪機(jī)通流部件尤其是通流葉片設(shè)計方案重新進(jìn)行研究和優(yōu)化。

不調(diào)頻葉片強(qiáng)度足夠在共振條件下仍能正常工作，無需將葉片的共振頻率與激振頻率調(diào)開以避免共振[1]，其不受運(yùn)行頻率變化的限制[2]，故汽輪機(jī)通流葉片全部采用不調(diào)頻葉片是一個有效降低電網(wǎng)頻率波動對葉片影響的方法。

1.3低頻運(yùn)行對汽輪機(jī)功率的影響

汽輪機(jī)的一個重要特征參數(shù)是速度比x1[1]：

(2)

式中：u為汽輪機(jī)動葉片進(jìn)出口平均直徑處的圓周速度，m/s；c1為汽輪機(jī)級噴嘴處氣流速度，m/s；汽輪機(jī)級效率η與速度比x1密切相關(guān)，且受噴嘴損失、動葉損失、余速損失、葉高損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失、漏氣損失、濕汽損失、進(jìn)出口壓力損失、機(jī)械損失等各項(xiàng)能量損失影響。其中，余速利用使速度比在較大范圍內(nèi)對輪周效率的影響顯著減弱[1]：對于沖動式汽輪機(jī)來說，因汽輪機(jī)內(nèi)各級余速未完全利用，使得汽輪機(jī)效率-速度比呈非線性平方關(guān)系，導(dǎo)致汽輪機(jī)效率受轉(zhuǎn)速影響較大(見圖1)；對于反動式汽輪機(jī)，基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，余速基本上可全部被利用，使得汽輪機(jī)效率-速度比呈非線性指數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化時，其效率變化幅度很小(見圖2)。

由圖1、圖2可見：當(dāng)?shù)皖l運(yùn)行引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而導(dǎo)致汽輪機(jī)各級速度比變化后，由于余速損失的影響，沖動式汽輪機(jī)效率變化較大，導(dǎo)致汽輪機(jī)功率波動較大；而反動式汽輪機(jī)當(dāng)速比在一定范圍內(nèi)偏離最佳值時不會引起效率的明顯下降，汽輪機(jī)功率波動較小，故其適宜于工況變化較頻繁的地區(qū)使用[3-4]。

因此，若在長期低頻工況條件下選用沖動式汽輪機(jī)，需考慮其功率受轉(zhuǎn)速變化影響帶來的巨大波動，機(jī)組選取容量應(yīng)比額定容量大；若選用反動式汽輪機(jī)，由于轉(zhuǎn)速變化對其功率影響不大，可選取額定容量與電廠要求容量大致相當(dāng)?shù)臋C(jī)組。

2 國內(nèi)典型100MW級汽輪機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)

目前國內(nèi)主要100MW級汽輪機(jī)廠家能生產(chǎn)沖動式汽輪機(jī)(雙缸)、沖動式汽輪機(jī)(單缸)和反動式汽輪機(jī)。各型汽輪機(jī)剖面示意圖見圖3～圖5。結(jié)合國內(nèi)制造廠對其汽輪機(jī)產(chǎn)品介紹情況，各型100MW級典型汽輪機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)見表1。

表1 100MW級汽輪機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)表

3 長期低頻運(yùn)行汽輪機(jī)選擇方案

3.1產(chǎn)品特點(diǎn)分析

綜合分析表1中各類100MW級汽輪機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)可知：

(1) 典型100MW級沖動式雙缸汽輪機(jī)軸系為多轉(zhuǎn)子剛性或半撓性聯(lián)接，臨界轉(zhuǎn)速影響因素復(fù)雜；且受末級動葉片影響，其轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍較窄。另外，該機(jī)組出力受電網(wǎng)頻率波動影響大，導(dǎo)致單臺機(jī)組難以滿足本工程電廠容量需求。

(2) 典型100MW級沖動式單缸汽輪機(jī)盡管其軸系短且為剛性聯(lián)接，能較好地適應(yīng)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，但受汽輪機(jī)動葉片限制，其轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍較窄。另外，該機(jī)組出力受電網(wǎng)頻率波動影響大，導(dǎo)致單臺機(jī)組難以滿足本工程電廠容量需求。

(3) 典型100MW級反動式汽輪機(jī)軸系各轉(zhuǎn)子間均采用剛性聯(lián)接，能適應(yīng)大范圍變轉(zhuǎn)速運(yùn)行。其汽輪機(jī)動葉片為不調(diào)頻葉片，能適應(yīng)大范圍轉(zhuǎn)速變化。另外，該機(jī)組出力受電網(wǎng)頻率波動影響少，可選擇合適容量的單臺機(jī)組以滿足電廠容量需求。

從各典型100MW級汽輪機(jī)軸系、動葉片、功率等方面分析，反動式汽輪機(jī)更能適應(yīng)本工程汽輪發(fā)電機(jī)組長期低頻運(yùn)行且頻率波動很大的需求，故筆者提出適應(yīng)長期低頻運(yùn)行的135MW反動式汽輪機(jī)選擇方案。

3.2長期低頻運(yùn)行下反動式汽輪機(jī)方案

該技術(shù)方案采用135MW一次中間再熱抽汽凝汽式反動式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)高、中、低壓轉(zhuǎn)子采用整鍛轉(zhuǎn)子，能很好地適應(yīng)汽輪機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行；調(diào)節(jié)級采用新葉型及子午面型線通道，通流部分采用新型的反動式葉型，全部為不調(diào)頻葉片，使得汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時，仍能保證葉片強(qiáng)度安全要求，避免出現(xiàn)葉片事故，滿足當(dāng)?shù)卮蠓秶娋W(wǎng)頻率波動。另外，該135MW反動式汽輪機(jī)能在低頻運(yùn)行工況下保證功率不會產(chǎn)生明顯的下降。根據(jù)項(xiàng)目裝機(jī)容量要求，可選用一臺135MW反動式汽輪機(jī)。

該方案在滿足電網(wǎng)長期低頻時機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，汽輪機(jī)無需重新設(shè)計研發(fā)；汽輪發(fā)電機(jī)組低頻運(yùn)行工況下熱效率較高；在滿足總出力條件下，一臺汽輪發(fā)電機(jī)組占地較少，適應(yīng)改擴(kuò)建項(xiàng)目場地控制要求；在滿足項(xiàng)目規(guī)劃容量的要求上，項(xiàng)目總體投資較少；工程安裝工程量較少，有利于縮短工期，降低建造成本。

4 結(jié)語

通過對某火電廠建設(shè)條件和國內(nèi)汽輪機(jī)產(chǎn)品及可能方案的研究，經(jīng)整體比較，初步提出采用汽輪機(jī)動葉片全部采用不調(diào)頻葉片的135MW反動式汽輪機(jī)的選型方案。后續(xù)設(shè)計中還將進(jìn)一步對低頻、低壓運(yùn)行工況下發(fā)電機(jī)、電氣設(shè)備和電廠輔助設(shè)備及附件選型進(jìn)行研究，使得整個電廠能長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 黃樹紅, 孫奉仲, 盛德仁, 等. 汽輪機(jī)原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 袁季修, 陳榮德, 白亞民. 對大型汽輪發(fā)電機(jī)頻率異常運(yùn)行能力的要求[J]. 中國電力, 2001, 34(12): 32-36.

[3] 秦赟, 王海名. 沖動式與反動式汽輪機(jī)的優(yōu)劣比較[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2011(8): 1-6.

[4] 馬群. 淺談反動式汽輪機(jī)[J]. 貴州電力技術(shù), 2003(10): 43-45.

[5] 隋永楓, 孫義岡, 丁旭東, 等. 不調(diào)頻葉片設(shè)計改型研究[J]. 熱力透平, 2010, 39(1): 19-21, 50.

Type Selection of Steam Turbines to Be Operated Under Long-term Low-frequency Conditions

Tang Lei, Zhang Saimin, Zhang Zhijun, Wang Xiaoyan

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

For a certain overseas power plant to be expanded to the capacity of 100MW class and operated under long-term low-frequency conditions due to the weak local power grid, an analysis was carried to the steam turbine for stable operation under above conditions. The 135MW reaction steam turbine with untuned blade was then proposed for the retrofit of unit considering the technical and structural features of domestic steam turbines. Results show that for steam turbines to be operated under long-term low-frequency conditions, the scheme proposed has certain advantages in the aspect of unit thermal efficiency, floor area and construction cost, etc., which may serve as a reference for similar projects.

steam turbine; low-frequency operation; resonance; untuned blade; integral rotor

2016-04-05

唐 磊(1983—)，男，工程師，研究方向?yàn)殡姀S熱能工程設(shè)計研究。

E-mail: tanglei323@126.com

TK262

A

1671-086X(2016)06-0399-04