660 MW 機(jī)組汽輪機(jī)效率低原因分析與處理

韓光昊，馬悅欣

（華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103）

0 引言

我國(guó)作為資源消耗大國(guó)，擔(dān)負(fù)著節(jié)約資源、減少排放的重任。電力生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，決定著社會(huì)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，穩(wěn)定持續(xù)的電力供應(yīng)不僅是整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，還將直接影響著人們的日常生活、學(xué)習(xí)和工作。

當(dāng)前面臨的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是發(fā)電廠汽輪機(jī)運(yùn)行效率偏低，無(wú)法長(zhǎng)期處于最佳經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)行。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠9 號(hào)機(jī)組為高效超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、九級(jí)回?zé)?，單抽凝汽式汽輪機(jī)，銘牌功率為660 MW，額定主蒸汽量為1 982.4 t／h，額定主蒸汽參數(shù)為28.0 MPa／600 ℃，額定再熱蒸汽為620 ℃。從機(jī)頭到機(jī)尾依次串聯(lián)，一個(gè)單流高壓缸、一個(gè)雙流中壓缸及兩個(gè)雙流低壓缸。高壓缸呈反向布置（頭對(duì)中壓缸），由12 個(gè)壓力級(jí)構(gòu)成；中壓缸有10 個(gè)壓力級(jí)；2 個(gè)低壓缸壓力級(jí)總數(shù)為2×2×5 級(jí)。汽輪機(jī)進(jìn)汽如圖1 所示。

圖1 汽輪機(jī)進(jìn)汽

高壓主汽閥，調(diào)節(jié)閥懸吊在機(jī)頭前運(yùn)行平臺(tái)下面，通過(guò)4 根導(dǎo)汽管與高壓汽缸相接。中壓聯(lián)合閥布置在高中壓缸兩側(cè)，通過(guò)中壓進(jìn)汽管與汽缸焊接，并采用浮動(dòng)式彈簧支架固定在平臺(tái)上。

機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)汽輪機(jī)始終保持平穩(wěn)運(yùn)行，2017 年10 月對(duì)機(jī)組進(jìn)行性能考核性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值如下：設(shè)計(jì)熱耗為7 267.00 kJ／kWh、考核性試驗(yàn)熱耗為7 272.82 kJ／kWh，高壓缸效率考核性試驗(yàn)為84.39%、設(shè)計(jì)值為88.7%，中壓缸效率考核性試驗(yàn)為94.53%，設(shè)計(jì)值為92.98%。

在2018 年7 月進(jìn)行機(jī)組第1 次大修前試驗(yàn)，取機(jī)組處于660 WM 工況下的熱耗，經(jīng)二類修正后，為熱耗7 364.34 kJ／kWh，較設(shè)計(jì)熱耗、考核性試驗(yàn)熱耗分別高97.34 kJ／kWh、91.52 kJ／kWh；高壓缸修正前試驗(yàn)效率為83.73%，較考核性試驗(yàn)、設(shè)計(jì)值分別降低0.66%、4.97%，中壓缸效率為93.33%，較考核性試驗(yàn)降低1.2%，較設(shè)計(jì)值高0.35%，見(jiàn)表1。

表1 修前機(jī)組熱力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù) kJ／kWh

從數(shù)據(jù)中可以得出，機(jī)組運(yùn)行效率較投產(chǎn)時(shí)已明顯降低，需通過(guò)理論分析，制定相應(yīng)對(duì)策，提高汽機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2 汽輪機(jī)運(yùn)行效率降低原因

主蒸汽通過(guò)高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入高壓缸，做功后的蒸汽流向高壓排汽管，經(jīng)過(guò)再熱的蒸汽通過(guò)中壓聯(lián)合汽閥進(jìn)入中壓缸，在中壓缸內(nèi)做完功的乏汽通過(guò)連通管，進(jìn)入低壓缸。

由于汽輪機(jī)始終與蒸汽直接接觸，蒸汽的利用效率就成了影響汽輪機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的直接原因［1］。

2.1 配汽機(jī)構(gòu)安裝工藝標(biāo)準(zhǔn)不高

在整個(gè)汽輪機(jī)系統(tǒng)中，配汽機(jī)構(gòu)是蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的最后一道屏障，承受著汽輪機(jī)部分最高的工作溫度和壓力，其工作條件最為惡劣，是保證機(jī)組安全啟停和運(yùn)行的關(guān)鍵部件。配汽機(jī)構(gòu)缺陷如圖2所示。

圖2 配汽機(jī)構(gòu)缺陷圖

2.1.1 閥桿和汽封套氧化皮堆積

汽輪機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)高壓主汽門、調(diào)節(jié)汽門的蒸汽參數(shù)為28.0 MPa、600 ℃，中壓主汽門、調(diào)節(jié)汽門的蒸汽參數(shù)為620 ℃，而高溫水蒸氣具有氧化性，400 ℃以上具有較強(qiáng)的氧化性，500～700 ℃之間氧化性最強(qiáng)，在600～620 ℃之間，金屬的氧化速度有一個(gè)突變點(diǎn)［2-3］，氧化層迅速增厚，運(yùn)行條件變化時(shí)，容易導(dǎo)致氧化層脫落，成為氧化皮，氧化皮達(dá)到一定厚度，將會(huì)直接影響閥桿、汽封套的徑向間隙，造成閥碟和預(yù)啟閥在開(kāi)啟過(guò)程中出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，引起汽封套在運(yùn)行中發(fā)生拉毛，變形等現(xiàn)象，直接影響汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。

2.1.2 臨時(shí)細(xì)目濾網(wǎng)阻礙進(jìn)汽量

主汽門內(nèi)有一蒸汽濾網(wǎng)防止異物進(jìn)入汽輪機(jī)，在新機(jī)試運(yùn)行階段，在永久性濾網(wǎng)外面，還臨時(shí)增加一個(gè)細(xì)目濾網(wǎng)，以達(dá)到更好的過(guò)濾效果，從而阻止外界雜質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)部，損壞轉(zhuǎn)子葉片及隔板汽封［4］。但是基建期間難免會(huì)造成焊渣等異物進(jìn)入蒸汽管道，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，最終堆積在臨時(shí)的細(xì)目濾網(wǎng)上，阻礙機(jī)組進(jìn)汽量，造成配汽機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，機(jī)組效率降低。

2.2 汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度和壓力低于設(shè)計(jì)值

汽輪機(jī)的效率與進(jìn)汽溫度壓力有著密切的聯(lián)系，從國(guó)內(nèi)已有的多臺(tái)600 WM 和1 000 WM 等級(jí)的汽輪機(jī)投運(yùn)情況來(lái)看，設(shè)計(jì)再熱溫度620 ℃超（超）臨界機(jī)組，很少有機(jī)組能夠長(zhǎng)期保持620 ℃穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，主要原因在于，當(dāng)再熱汽溫度達(dá)到620 ℃時(shí)，多數(shù)機(jī)組高溫再熱器管道壁溫已超過(guò)報(bào)警值，設(shè)置接近材料極限溫度。實(shí)施改造前再熱器管壁溫度統(tǒng)計(jì)如圖3 所示。

圖3 實(shí)施改造前再熱器管壁溫度統(tǒng)計(jì)

對(duì)于超超臨界機(jī)組，設(shè)備長(zhǎng)期維持額定進(jìn)汽溫度壓力運(yùn)行對(duì)保證機(jī)組的運(yùn)行效率尤為重要。

2.3 高壓導(dǎo)汽管法蘭漏汽嚴(yán)重

高壓導(dǎo)汽管的進(jìn)汽端與出汽端均以焊接形式，將調(diào)節(jié)閥出汽口與高壓缸進(jìn)汽口相連接，彎頭處采用法蘭螺栓的結(jié)構(gòu)形式將高壓導(dǎo)汽管兩部分緊密相連。通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，高壓導(dǎo)汽管法蘭漏汽現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。造成泄漏的原因多數(shù)為以下3 種：導(dǎo)汽管法蘭墊片不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求；安裝工藝標(biāo)準(zhǔn)、施工時(shí)焊接、緊法蘭時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力；管道補(bǔ)償器的熱補(bǔ)償能力不足。

2.4 高壓缸結(jié)合面變形

汽輪機(jī)的缸體為鑄件，鑄件成型后，必須在室溫環(huán)境下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期放置，確保鑄件的尺寸穩(wěn)定后，再進(jìn)行機(jī)械加工，是防止汽缸變形的有效措施，但近些年我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展迅速，汽輪機(jī)組供不應(yīng)求，廠家對(duì)鑄件的時(shí)效處理時(shí)間較短，因鑄件在鑄造過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力未完全消除，鑄件加工成型后將繼續(xù)變形，造成汽缸結(jié)合面凹凸不平，導(dǎo)致汽缸漏汽。除了制造廠設(shè)計(jì)、加工處理因素之外，汽缸法蘭螺栓預(yù)緊力不夠，高溫密封涂料不佳等因素也會(huì)導(dǎo)致汽缸漏汽。

運(yùn)行中汽缸漏汽多數(shù)發(fā)生在上下缸水平結(jié)合面高壓軸汽封兩側(cè)，因?yàn)樵撎庪x汽缸結(jié)合面螺栓較遠(yuǎn)，溫度變化較大，溫度應(yīng)力也較大，往往會(huì)使汽缸產(chǎn)生塑性變形而造成較大的結(jié)合面間隙，使這些部位發(fā)生泄漏。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)與解體檢查

3.1 配汽機(jī)構(gòu)解體和檢修優(yōu)化

在對(duì)配汽機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體檢查前，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)了機(jī)組配汽機(jī)構(gòu)的故障情況，如圖4 所示?？梢钥闯?，配汽機(jī)構(gòu)故障時(shí)間占調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí)間的76.29%，配汽機(jī)構(gòu)故障是造成配汽系統(tǒng)故障的主要問(wèn)題。

圖4 配汽系統(tǒng)故障排列趨勢(shì)

利用機(jī)組首次檢查性大修時(shí)間，對(duì)汽輪機(jī)主機(jī)配汽機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體檢查，解體后宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：即使在涂鍍具有良好防氧化性的司太立合金涂層的情況下，閥桿、閥碟和襯套表面依然有少量氧化皮生成。經(jīng)實(shí)際測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)4 處異常：1 號(hào)、2 號(hào)高壓主汽門閥桿與閥桿襯套的徑向間隙分別為0.50 mm、0.56 mm（標(biāo)準(zhǔn)值為0.62～0.67 mm），較標(biāo)準(zhǔn)值偏小；中壓主汽門閥桿與預(yù)啟閥間隙偏小造成預(yù)啟閥卡澀。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

1 號(hào)、2 號(hào)高壓主汽門自密封系統(tǒng)密封環(huán)外徑均為D584.85 mm，較設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值D586（-0.022～-0.066）mm 小約1.2 mm，導(dǎo)致主汽門上部軸、孔間隙超標(biāo)；主汽門內(nèi)臨時(shí)細(xì)目蒸汽濾網(wǎng)雖完整無(wú)破損，但存在少量焊渣堆積，如表3 所示。

表2 高壓主汽門間隙實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì) mm

表3 高壓主汽門密封環(huán)間隙測(cè)量 mm

3.2 汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度和壓力分析

通過(guò)調(diào)取汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度、壓力趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)利用“非均衡燃燒調(diào)整”技術(shù)：根據(jù)每根單管壁溫高低分布情況，通過(guò)人為制造煙氣溫度的偏差，使之與蒸汽溫度偏差形成互補(bǔ)，有效減少受熱面管屏檢的璧溫?zé)崞?，如圖5 所示，提升高溫再熱汽溫至額定溫度，有效預(yù)防壁問(wèn)超溫，最終使再熱器壁溫分布均衡，保證機(jī)組始終能保持額定主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖5 實(shí)施后再熱器管壁溫度統(tǒng)計(jì)

3.3 高壓導(dǎo)汽管解體檢查和數(shù)據(jù)分析

在機(jī)組進(jìn)行檢查性時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓導(dǎo)汽管法蘭四周間隙不均勻，張口較大，高溫螺栓存在緊力不足，且石墨墊片在安裝過(guò)程中，存在安裝不規(guī)范，導(dǎo)致石墨墊片出現(xiàn)壓偏。

3.4 高壓缸結(jié)合面漏汽檢查和測(cè)試

對(duì)機(jī)組高壓缸解體后檢查測(cè)量發(fā)現(xiàn)高壓外缸中分面間隙超標(biāo)，根據(jù)分析，高壓外缸出現(xiàn)后軸封部位張口，汽缸內(nèi)部存在局部?jī)?nèi)張口現(xiàn)象，分析主要原因?yàn)槠准庸r(shí)時(shí)效處理不足，經(jīng)過(guò)一年運(yùn)行后，出現(xiàn)輕微變形。

4 處理措施

4.1 配汽機(jī)構(gòu)檢修

對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)高壓主汽門表面氧化皮進(jìn)行清理打磨，經(jīng)過(guò)處理后，閥桿與閥桿襯套的徑向間隙分別為0.64 mm、0.62 mm，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)值為0.62～0.67 mm）。

對(duì)中壓主汽門進(jìn)行解體檢修，重點(diǎn)對(duì)閥桿與預(yù)啟閥間隙進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在少量氧化皮，導(dǎo)致其間隙變小造成動(dòng)作卡澀，經(jīng)清理打磨后，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)上限值調(diào)整間隙，在安裝過(guò)程中嚴(yán)格按照安裝工藝執(zhí)行，避免閥芯及閥桿發(fā)生偏斜現(xiàn)象，以保證在閥桿生成少量氧化皮時(shí)，預(yù)啟閥仍然動(dòng)作自如。

將1 號(hào)、2 號(hào)高壓主汽門自密封系統(tǒng)分別更換外徑為D585.99 mm 和D585.98 mm 的密封環(huán)，使軸孔間隙維持在0.022～0.136 mm 的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

拆除臨時(shí)細(xì)目濾網(wǎng)，檢查清理永久性濾網(wǎng)后，進(jìn)行滲透探傷，探傷檢查確認(rèn)主體無(wú)裂紋，在原鉚釘部位安裝正式鉚釘（鉚釘材質(zhì)為10Cr9Mo1VNb），焊接過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)定措施，焊前對(duì)焊部位預(yù)熱150～200 ℃，TIG 焊接，焊材AWSERNiCr-3，適當(dāng)錘擊，焊后硅酸鋁纖維棉覆蓋緩冷即可，注意收弧和起弧處裂紋控制，熄弧后的氬氣保護(hù)應(yīng)停留5 s 以上。

4.2 高壓導(dǎo)汽管解體檢修

由于高壓導(dǎo)汽管螺栓材質(zhì)（10Cr11Co3WNi-MoVNbNB）暫無(wú)成熟材料所取代，因此，決定保留原材質(zhì)，通過(guò)增加螺栓規(guī)格，提高預(yù)緊力；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，將螺栓的規(guī)格由2 1／2-8UN 增大至3 1／2-8UN。

將法蘭重新對(duì)口消除應(yīng)力，更換為膨脹性能好、密封性能優(yōu)的高強(qiáng)石墨纏繞墊片，此墊片具有以下優(yōu)點(diǎn)：自密封和自緊功能強(qiáng)，對(duì)于法蘭壓緊面的表面缺陷不太敏感，不粘結(jié)法蘭密封表面；容易對(duì)中，拆裝便捷，可部分消除壓力、溫度變化和機(jī)械振動(dòng)的影響。

4.3 高壓缸結(jié)合面漏汽檢修

清理高壓外缸上半中分面并打磨掉氧化皮，露出金屬本色，使用平尺檢查上半缸中分面是否有高低點(diǎn)，對(duì)高點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)打磨。

對(duì)高壓外缸中分面進(jìn)行修復(fù)操作，既上下汽缸對(duì)稱研磨，以上缸為基準(zhǔn)面，修磨下缸，修磨工作結(jié)束后，在外缸左右兩側(cè)中間部位，有兩條較深位置區(qū)域，由于需要對(duì)整個(gè)汽缸結(jié)合面進(jìn)行大面積修磨，一是工程量巨大，二是大量修磨也容易造成汽缸結(jié)合面偏斜，運(yùn)行中容易漏汽。因此，采用焊接方法，對(duì)2 處較深區(qū)域部位進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)，補(bǔ)齊高度后與汽缸整體進(jìn)行研磨，以達(dá)到徹底消除汽缸結(jié)合面變形問(wèn)題。

焊補(bǔ)修復(fù)后的結(jié)合面與原研磨后的結(jié)合面形成一體，自由狀態(tài)下，高壓外缸中分面間隙≤0.15 mm。把緊1／3 螺栓狀態(tài)下，高壓外缸中分面間隙0.05 mm塞尺不入。

4.4 運(yùn)行中注意事項(xiàng)

為了防止大型汽輪機(jī)汽門因氧化物過(guò)多而造成卡澀問(wèn)題，要定期進(jìn)行全開(kāi)全關(guān)的全行程汽門活動(dòng)實(shí)驗(yàn)，具體的做法是：先關(guān)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)汽門后關(guān)主汽門；在開(kāi)啟時(shí)，先開(kāi)主汽門，后開(kāi)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)汽門。高壓主汽門及高壓調(diào)節(jié)汽門試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)允許最大負(fù)荷小于75%額定負(fù)荷，中壓主汽門及中壓調(diào)節(jié)汽門試驗(yàn)允許在額定負(fù)荷下進(jìn)行。

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視各軸承振動(dòng)，軸向位移，脹差，推力瓦溫度和軸承回油溫度等參數(shù)，保證各項(xiàng)參數(shù)都在允許范圍內(nèi)，且變化幅度不大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取所提措施，機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行后一年效率降低的問(wèn)題得到徹底解決，軸封加熱器未出現(xiàn)滿水現(xiàn)象，汽封系統(tǒng)漏汽量明顯降低，配汽機(jī)構(gòu)活動(dòng)靈活，未出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，汽輪機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行良好，達(dá)到修前制定的相關(guān)指標(biāo)，提高了機(jī)組汽輪機(jī)效率，保證了機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行。