CCPP汽輪機末級動葉片故障處理及運行影響分析

胡 翰，陶銘鼎，田維漢，蔡震綱，粟偉明

（武漢鋼鐵有限公司，湖北武漢 430080）

1 基本情況

在鋼鐵企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)中，富余煤氣作為二次能源占總能源消耗的30%～40%。對鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的富余煤氣進行高效利用，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（CCPP）發(fā)電技術(shù)能夠高效利用低熱值富余煤氣，通過提高自發(fā)電量降低鋼鐵生產(chǎn)外購電成本[1]。聯(lián)合循環(huán)中汽輪機的作用是利用燃?xì)廨啓C排氣的余熱加熱給水而得到的蒸汽做功，是一種余熱利用型動力設(shè)備。因余熱總量只與燃?xì)廨啓C性能相關(guān)，無法按照汽輪機負(fù)荷需要的變動而主動調(diào)節(jié)，即要求汽輪機的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C相適應(yīng)[2]。本文涉及的汽輪機為抽凝式汽輪機，是150 MW CCPP 配套余熱利用設(shè)施。在常規(guī)檢修揭缸檢查時發(fā)現(xiàn)末級葉片拉金斷裂7處，葉片拉金穿孔擴大超過安全范圍，斷葉片風(fēng)險較大，對運行的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。

2 問題分析

CCPP 系統(tǒng)中，汽輪機跟隨燃?xì)廨啓C負(fù)荷變化，采用滑壓運行方式。通過全周進汽節(jié)流調(diào)節(jié)，以多個壓力級取代常規(guī)汽輪機的調(diào)節(jié)級，從而避免當(dāng)燃?xì)廨啓C負(fù)荷降低時，汽輪機排汽濕度過大。但在實際運行過程中，CCPP 的運行狀態(tài)受上游工序生產(chǎn)狀況制約，燃料系統(tǒng)波動較大，燃?xì)廨啓C負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁，進而導(dǎo)致了作為“終端用戶”的汽輪機工況不穩(wěn)定；此外受CCPP 余熱利用系統(tǒng)汽水能量分配影響，汽輪機系統(tǒng)不設(shè)給水加熱器及補汽，機組排汽量較大。以上兩個因素造成了末級葉片工作條件惡劣。末級葉片受損狀況如圖1 所示，葉片拉金斷裂，末級葉片工作面受到?jīng)_刷。拉金穿孔受損超出安全范圍后，斷葉片風(fēng)險較大。

圖1 CCPP汽輪機末級葉片受損狀況

煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的主要氣體燃料，受鋼鐵冶煉生產(chǎn)工藝制約，需要以發(fā)生量為主導(dǎo)對使用量進行實時調(diào)整，實現(xiàn)動態(tài)平衡。在煤氣系統(tǒng)工藝中設(shè)置了氣柜、加壓站、混合站等設(shè)施，以達(dá)到減小波動幅度、提升穩(wěn)定性的目的，但無法從根本上改變末端用戶需跟蹤發(fā)生量變化動態(tài)調(diào)整的客觀條件。實際運行中CCPP 燃?xì)廨啓C負(fù)荷跟隨煤氣供應(yīng)狀況呈鋸齒狀頻繁波動，如圖2 所示；CCPP 汽輪機負(fù)荷波動卻較平緩，并未完全跟蹤燃?xì)廨啓C負(fù)荷,見圖3。燃機負(fù)荷直接影響余熱總量即汽輪機的進汽參數(shù)，工況調(diào)節(jié)跟蹤滯后影響運行狀況，進而導(dǎo)致了汽輪機末級葉片受損。

圖2 CCPP燃?xì)廨啓C負(fù)荷波動趨勢

圖3 CCPP汽輪機負(fù)荷波動趨勢

3 處理方案

3.1 汽輪機末級葉片更換

汽輪機末級葉片拉金孔受損擴大后，葉片截面強度減弱，無法滿足運行需求。最直接的處理方式是對末級葉片進行更換。鋼鐵企業(yè)配套的富余煤氣利用設(shè)施是與產(chǎn)、供平衡狀況一一對應(yīng)的，設(shè)備無法投入運行將造成煤氣放散損失，因此需最大限度縮減設(shè)備的檢修時間，保證富余煤氣得到有效利用，減少損失。汽輪機廠家加工葉片需30 天，汽輪機返廠更換葉片、動平衡試驗、回裝需50 天。因此采取的方式是葉片加工期間機組維持運行，加工完成后返廠安裝。

汽輪機檢修期間高爐煤氣平均放散損失為8萬m3/h，高爐煤氣單價1 600元/萬m3，檢修50天將造成損失1 550 萬元。葉片加工期間設(shè)備維持運行，存在末級葉片斷裂風(fēng)險，可能造成檢修費用增加300萬元。因此直接安排葉片更換的方式經(jīng)濟性較差、風(fēng)險較大。

3.2 末級葉片切除

采用切除末級葉片的方式可有效避免機組無法運行的煤氣放散損失和運行期間的葉片斷裂風(fēng)險，但是會影響機組運行效率。根據(jù)汽輪機計算書，末級葉片拆除后各工況下功率降低2～3 MW。理論功率對比如圖4所示。

圖4 末級葉片拆除理論功率對比

采用此方式維持運行，可將檢修時間延后至冬季，在煤氣狀況緊張的條件下開展檢修工作，降低長時間檢修期間的煤氣放散損失。發(fā)電負(fù)荷降低3 MW，電價0.6 元/kWh，檢修延期90 天，減少自發(fā)電損失為380萬元。檢修期間煤氣放散損失降低至200 萬元。該方案明顯優(yōu)于直接更換葉片的方案，直接損失減少970 萬元。為保護葉根避免沖刷變形，從根部切除末級葉片，如圖5所示。

圖5 末級葉片從根部切除

4 運行影響分析

4.1 運行功率分析

末級葉片切除、汽輪機轉(zhuǎn)子回裝后投入運行，與正常運行的CCPP 汽輪機運行狀況進行了對比。在燃?xì)廨啓C負(fù)荷相同的條件下，汽輪機末級葉片拆除導(dǎo)致發(fā)電負(fù)荷降低的比例趨勢如圖6所示。汽輪機末級葉片拆除后，高負(fù)荷條件下功率降低6.18%；低負(fù)荷條件下功率降低4.48%。

圖6 汽輪機末級葉片對功率的影響

CCPP 汽輪機根據(jù)汽水系統(tǒng)能量分配特性，取消給水加熱器、增設(shè)補汽，使得機組排汽量增大，末級葉片的做功能力也相對較大。實際數(shù)據(jù)與理論均值5.62%基本吻合。對于燃?xì)廨啓C，高負(fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂递^低；低負(fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂蹈?。該特性平衡了燃機負(fù)荷波動對余熱總量的影響，因此燃機負(fù)荷對汽機負(fù)荷影響的相關(guān)性不明顯。

4.2 機組熱效率分析

CCPP 熱效率由兩部分組成，其中燃?xì)廨啓C熱效率的計算方式為：燃機熱效率=燃機發(fā)電功率/（燃?xì)鉄嶂?排氣熱值）；汽輪機熱效率為：汽輪機效率=汽輪機發(fā)電功率/（煙氣熱值-排汽熱值）。根據(jù)運行數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C實際熱效率為51.2%，汽輪機熱效率為26.5%，聯(lián)合循環(huán)熱效率40.7%。受燃料供給壓力波動影響，聯(lián)合循環(huán)熱效率較設(shè)計值低4.3%。末級葉片對汽輪機熱效率的影響如圖7所示。汽輪機末級葉片拆除后，低負(fù)荷條件下熱效率降低0.59%，高負(fù)荷條件下熱效率降低1.45%。受補汽工藝的影響，汽輪機末端排汽面積和冷凝面積較大，末級葉片的拆除未對凝汽器真空造成明顯的影響，與正常機組相同維持在-92 Pa。凝汽器真空對末級焓降變化的不敏感也進一步說明了CCPP 配套余熱利用汽輪機末級葉片的工作狀況較惡劣。

圖7 汽輪機末級葉片對熱效率的影響

4.3 軸向推力影響分析

多級汽輪機的軸向推力是在蒸汽流動方向上各級迭加的，單級軸向推力包括蒸汽作用在動葉珊、葉輪輪面、汽封凸肩上的三部分軸向推力。文中汽輪機末級切除動葉片，保留葉根，對軸向推力的影響為減去末級葉片的動葉珊推力。根據(jù)推力計算公式[4]：

其中：F——動葉珊軸向推力；

lb——動葉珊長度；

δP——動葉珊前后壓力差。

末級動葉片的軸向推力為156.2 kN，總推力減少4.6%，影響較明顯。軸向推力減小對主、副推力平衡盤的工作狀態(tài)有益，主要是影響推力間隙的匹配性。推力減小后，可能會影響油膜的形成。從實際運行狀況看，并無明顯影響。

5 結(jié)論

（1）CCPP系統(tǒng)汽輪機補汽工藝使得末級蒸汽流量偏大，滑壓節(jié)流控制的運行工況與燃?xì)廨啓C負(fù)荷跟蹤過程滯后，導(dǎo)致末級葉片運行工況惡劣，故障率較高。

（2）采用切除末級葉片的方式，將葉片更換的長周期檢修延遲至冬季，可有效減少煤氣放散損失，避免葉片制造期間的葉片斷裂風(fēng)險。末級動葉片切除后機組發(fā)電負(fù)荷降低，但總體經(jīng)濟性較好。

（3）末級動葉片切除后汽輪機運行功率降低，高負(fù)荷條件下減少6.18%，低負(fù)荷條件下減少4.48%。燃?xì)廨啓C高負(fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂档汀⒌拓?fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂蹈叩奶匦允沟糜酂峥偭肯鄬Ψ€(wěn)定，末級葉片對汽機負(fù)荷的影響與燃機負(fù)荷的相關(guān)性不明顯。

（4）末級動葉片切除后汽輪機熱效率降低，高負(fù)荷條件下減少1.45%，低負(fù)荷條件下減少0.59%。凝汽器真空對末級焓降變化不敏感。

（5）末級動葉片產(chǎn)生的軸向推力占總推力的4.6%，切除后對實際運行狀況無明顯影響。