火電機(jī)組供熱改造中的動(dòng)葉安全性考慮

賀偉， 謝蘇燕， 靳亞峰， 江南

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000 )

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 冬季采暖需求不斷增加。 即使在南方, 冬季采暖也成了近年來(lái)的一個(gè)熱議話題。 除居民采暖之外, 許多工業(yè)園區(qū)也存在大量工業(yè)用汽需求。 如化工、 紡織、制糖等行業(yè)都需要大量蒸汽用于生產(chǎn)。

在滿足居民采暖和工業(yè)用汽方面, 利用火電機(jī)組進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)是一種較為經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方式。一方面, 從機(jī)組抽出一定參數(shù)的蒸汽用于供熱,可降低低壓缸排汽量, 減少冷源損失, 提高機(jī)組的循環(huán)熱效率。 國(guó)家發(fā)改委文件指出“熱電聯(lián)產(chǎn)與熱、 電分產(chǎn)相比, 熱效率提高30%, 集中供熱比分散小鍋爐供熱效率高50%”[1]。 另一方面, 利用火電機(jī)組進(jìn)行抽汽供熱, 可以替代分散的燃煤小鍋爐等低效設(shè)備供熱, 能夠減少溫室氣體的排放, 具有非常好的節(jié)能減排效益。

《電力發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》 指出, “十三五” 期間, 取消和推遲煤電建設(shè)項(xiàng)目1.5 億千瓦以上。 到2020 年, 全國(guó)煤電裝機(jī)規(guī)模力爭(zhēng)控制在11億千瓦以內(nèi), 占比降至55%[2]。 基于目前我國(guó)火電裝機(jī)容量基本飽和, 要大量建設(shè)新的火電機(jī)組用于居民和工業(yè)園區(qū)供熱已不現(xiàn)實(shí), 對(duì)城市和工業(yè)園區(qū)周邊的存量機(jī)組進(jìn)行供熱改造是一種較好的解決措施。

由于居民采暖和工業(yè)用汽所需蒸汽參數(shù)差別較大, 通常供熱壓力在0.5～5 MPa。 圖1 給出了某典型600 MW 等級(jí)超臨界機(jī)組不同回?zé)岢槠恢?、進(jìn)排汽位置的蒸汽參數(shù)水平。 對(duì)機(jī)組進(jìn)行供熱改造時(shí), 需要分析不同用戶具體的供熱需求。 根據(jù)供熱蒸汽量、 所需蒸汽參數(shù)確定合理的抽汽方式、抽汽位置。 汽源位置與用戶需求參數(shù)相匹配, 滿足能量的梯級(jí)利用原則。

圖1 600 MW 超臨界機(jī)組通流中不同位置蒸汽參數(shù)水平

與純凝工況相比, 抽汽工況下通流中相關(guān)級(jí)次通過的蒸汽流量、 參數(shù)都會(huì)發(fā)生明顯變化。 這些變化將導(dǎo)致級(jí)焓降、 動(dòng)葉工作環(huán)境的壓力、 溫度, 所承受的輪周功都會(huì)發(fā)生大幅變化。 本文針對(duì)不同供熱抽汽方式的特點(diǎn), 詳細(xì)分析了不同抽汽方式對(duì)動(dòng)葉安全性的影響以及可采取的措施。

1 可采取的抽汽方式及特點(diǎn)

根據(jù)汽機(jī)自身能否對(duì)抽汽參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié), 可將供熱抽汽方式分為可調(diào)整抽汽和非調(diào)整抽汽?？烧{(diào)整抽汽參數(shù)可不受機(jī)組負(fù)荷直接影響, 在一定工況范圍內(nèi)可保持抽汽參數(shù)恒定。 而非調(diào)整抽汽參數(shù)會(huì)隨機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化, 工況適用范圍相對(duì)較窄。

可調(diào)整抽汽常見的方案有中聯(lián)門參調(diào)、 座缸閥調(diào)節(jié)、 旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)、 中低壓聯(lián)通管蝶閥調(diào)節(jié)、壓力匹配器方式等[3]。 其中, 由于座缸閥和旋轉(zhuǎn)隔板方式可調(diào)抽汽壓力范圍分別在2.0～5.0 MPa 和1.0～1.5 MPa, 主要應(yīng)用于中壓缸。 同時(shí), 這2 種方式的結(jié)構(gòu)對(duì)通流長(zhǎng)度影響很大, 一般不適用于改造項(xiàng)目, 否則會(huì)造成通流效率急劇下降。 壓力匹配器方式通過高參數(shù)的工作流體抽吸低參數(shù)的引射流體, 2 股流體混合后滿足供熱需求, 但這種方式一般只用于出口蒸汽流量在100 t/h 以下的場(chǎng)合[4], 不適用于大供熱量需求。 再熱冷段抽汽量要受到鍋爐再熱器安全性的限制, 一般最大為再熱流量的5%。 因此, 在進(jìn)行供熱改造時(shí), 一般只有中聯(lián)門參調(diào)熱段抽汽和聯(lián)通管蝶閥調(diào)整抽汽2 種方式用于供熱量需求比較大的情況。

與可調(diào)整抽汽方式相對(duì)應(yīng), 非調(diào)整抽汽方案通常包括汽缸打孔抽汽, 再熱冷段、 再熱熱段管道, 回?zé)岢槠艿? 中低壓聯(lián)通管打孔抽汽等方式。 由于受汽缸強(qiáng)度、 抽汽管道流速等限制, 汽缸和回?zé)岢槠艿来蚩壮槠糠浅Ｓ邢? 一般不超過50 t/h。 因此, 要滿足供熱量需求比較大的項(xiàng)目, 通常只有再熱壓力和中壓缸排汽壓力2 個(gè)等級(jí)可供選擇。 同時(shí)非調(diào)整抽汽時(shí), 抽汽壓力隨抽汽量的增大會(huì)逐步下降, 要在部分負(fù)荷下供熱壓力依然滿足用戶需求, 必然對(duì)供熱量帶來(lái)限制。

除此之外, 在中壓缸排汽這個(gè)供熱壓力等級(jí)上, 近年來(lái)新出現(xiàn)了1 種低壓缸切除技術(shù)。 為了消納風(fēng)電、 光伏發(fā)電等新能源, 火電機(jī)組需要具備深度調(diào)峰能力。 而低壓缸切除技術(shù)可以明顯提高機(jī)組的調(diào)峰能力而受到廣泛關(guān)注[5-6]。 此時(shí), 中壓缸排汽除了極少量蒸汽進(jìn)入低壓通流外, 幾乎全部用于供熱。

根據(jù)以上各種抽汽供熱方式的特點(diǎn), 下文將詳細(xì)分析各供熱方式對(duì)相關(guān)動(dòng)葉安全性的影響。

2 對(duì)上游動(dòng)葉的影響及措施

以中聯(lián)門參調(diào)供熱為例, 在機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí), 可通過調(diào)整閥門開度保證對(duì)外供熱參數(shù)維持不變。 當(dāng)進(jìn)汽量保持為THA 工況主汽量, 再熱壓力維持不變, 即使對(duì)外抽汽量發(fā)生變化, 抽汽位置上游各級(jí)仍然與THA 為相似工況變化。 此時(shí), 高壓各級(jí)動(dòng)葉輪周功不會(huì)發(fā)生明顯變化, 不存在安全性問題。 圖2 和圖3 給出了進(jìn)汽量相同,不同供熱壓力時(shí)高壓相關(guān)級(jí)次動(dòng)葉輪周功和級(jí)出口壓力的變化及與VWO 工況下參數(shù)的對(duì)比。 由圖中可見, 當(dāng)供熱壓力降低時(shí), 供熱位置上游各級(jí)出口壓力相應(yīng)降低, 各級(jí)動(dòng)葉輪周功明顯升高。上游距離抽汽位置越遠(yuǎn)的級(jí)次影響程度越小, 高壓末級(jí)（第8 級(jí)） 為輪周功上升幅度最大的級(jí)次。通常在此方案下, 校核抽汽位置上游相鄰的三級(jí)動(dòng)葉蒸汽力作用下的強(qiáng)度即可滿足安全性需求。另一方面, 供熱壓力相對(duì)降低, 抽汽位置上游焓降段加大, 相鄰的動(dòng)葉工作溫度有所降低, 動(dòng)葉材料強(qiáng)度有所上升, 有利于其安全性。 供熱參數(shù)對(duì)上游動(dòng)葉安全性的影響特點(diǎn)同樣適用于蝶閥調(diào)整抽汽等可調(diào)方式。

圖2 不同抽汽參數(shù)下各級(jí)輪周功

圖3 不同抽汽參數(shù)下各級(jí)出口壓力

根據(jù)極限供熱工況條件, 對(duì)相關(guān)動(dòng)葉進(jìn)行強(qiáng)度校核。 如果強(qiáng)度不合格, 需要對(duì)動(dòng)葉葉型進(jìn)行改造, 增大截面抗彎特性。 使葉型更寬、 更厚,動(dòng)葉只數(shù)有所減少。 此種改造方式適用于T 型、菌型葉根, 但不適用于樅樹型、 叉型葉根。 叉型葉根輪緣上的銷孔位置和樅樹型葉根的輪槽數(shù)量都是不可調(diào)整的。 當(dāng)動(dòng)葉只數(shù)無(wú)法調(diào)整時(shí), 可以考慮通過對(duì)動(dòng)葉材料進(jìn)行升檔、 調(diào)整動(dòng)葉連接型式進(jìn)行加強(qiáng)。 在溫度相當(dāng)?shù)臈l件下, 可以明顯增大應(yīng)力許用值, 滿足安全系數(shù)。 如果改造前動(dòng)葉為單只結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)為成圈結(jié)構(gòu)可以大幅降低其共振狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力, 僅有單只結(jié)構(gòu)時(shí)的20%； 在相同激振力作用下, 成圈結(jié)構(gòu)葉片位移響應(yīng)僅為單只結(jié)構(gòu)的8%[7]。 這幾種方式都是供熱改造時(shí)對(duì)動(dòng)葉進(jìn)行加強(qiáng)的有效措施。 對(duì)動(dòng)葉進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)后, 其振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生明顯變化, 需要重新評(píng)估,滿足頻率避開率要求。 由于調(diào)頻的需要, 可能調(diào)整動(dòng)葉所在級(jí)的導(dǎo)葉只數(shù)。 導(dǎo)葉只數(shù)和其強(qiáng)度直接相關(guān), 需要結(jié)合導(dǎo)葉強(qiáng)度和調(diào)頻需要綜合考慮,以確定最終合理的調(diào)頻方案。

3 對(duì)末級(jí)動(dòng)葉片的影響及措施

供熱工況下, 特別是供熱量較大時(shí), 由于抽取了一定數(shù)量的蒸汽對(duì)外供熱, 會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入低壓缸的蒸汽量減少。 當(dāng)通過末級(jí)動(dòng)葉片的流量過小時(shí), 會(huì)使其進(jìn)入小容積流量工況。 此問題在部分負(fù)荷供熱工況下尤為突出。

為了滿足末葉的安全性, 在進(jìn)行供熱改造時(shí),必須對(duì)進(jìn)入低壓缸的流量進(jìn)行控制, 保證通過末葉的相對(duì)容積流量不落在圖4 中的高動(dòng)應(yīng)力區(qū)域。通常將最小冷卻流量作為進(jìn)入低壓缸流量的下限值, 其對(duì)應(yīng)的相對(duì)容積流量約為0.3。 由于低壓缸入口壓力與進(jìn)汽量成正比關(guān)系, 一般將低壓缸進(jìn)入最小冷卻流量的入口壓力作為報(bào)警壓力, 以保護(hù)末葉片。 冷卻流量為質(zhì)量流量, 即使對(duì)同一只末葉片, 當(dāng)運(yùn)行背壓差異較大時(shí), 冷卻流量的數(shù)值應(yīng)有所區(qū)別。

值得一提的是, 供熱工況下最小冷卻流量的限制近年來(lái)遇到了突破。 在上文提到的低壓缸切除工況下, 低壓通流中仍然保持不超過單側(cè)10 t/h的少量蒸汽, 但整體輸出功率為零。 此時(shí)相對(duì)容積流量小于0.1, 處于動(dòng)應(yīng)力較低的區(qū)域。 由圖4可見, 雖然此時(shí)低壓通流中蒸汽量大幅低于傳統(tǒng)的最小冷卻流量, 但避開高動(dòng)應(yīng)力區(qū)間的原則沒有變。 在工況過渡時(shí), 不宜在高動(dòng)應(yīng)力區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留。

在低壓缸切除工況下, 由于蒸汽流量極小,低壓末兩級(jí)動(dòng)葉必然處于鼓風(fēng)工況, 級(jí)排汽溫度升高100 ℃以上。 排汽溫度大幅上升不僅導(dǎo)致末葉片及相應(yīng)輪緣的材料強(qiáng)度性能明顯下降, 而且將帶來(lái)葉片材料彈性模量明顯變化, 其振動(dòng)特性發(fā)生改變。 因此, 在改造方案設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)末兩級(jí)動(dòng)葉在切缸狀態(tài)下的工作溫度進(jìn)行具體分析。根據(jù)此溫度條件, 詳細(xì)分析其強(qiáng)度能否滿足安全性需要, 振動(dòng)特性是否仍然滿足避開“三重點(diǎn)”共振。 如果校核結(jié)果無(wú)法滿足, 則需要對(duì)相應(yīng)葉片進(jìn)行加強(qiáng)新設(shè)。 同時(shí), 針對(duì)末葉根部在切缸狀態(tài)下的回流沖刷問題, 需要對(duì)動(dòng)葉出汽邊進(jìn)行相應(yīng)的表面處理措施。 除了設(shè)計(jì)上的措施, 在運(yùn)行時(shí)要盡可能維持低背壓運(yùn)行, 同時(shí)密切監(jiān)測(cè)末兩級(jí)長(zhǎng)葉片的工作溫度, 收集運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)切缸運(yùn)行方案進(jìn)行完善。 盡管采取了一系列保障措施,低壓缸切除技術(shù)在國(guó)內(nèi)的運(yùn)行業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)積累較少,安全性有待驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文針對(duì)火電機(jī)組, 分析了各種供熱改造方案的特點(diǎn)和不同供熱改造方案對(duì)相關(guān)動(dòng)葉片安全性的影響, 并提出相應(yīng)的解決措施。 結(jié)論如下：

（1）相同進(jìn)汽量下, 如果供熱抽汽壓力低于純凝工況下該位置的壓力, 則將對(duì)上游相鄰級(jí)次動(dòng)葉安全性造成不利影響, 需要校核分析；

（2）相同抽汽量下, 可調(diào)整抽汽對(duì)上游動(dòng)葉安全性的不利影響要小于非調(diào)整抽汽方式；

（3）當(dāng)供熱抽汽量較大時(shí), 將導(dǎo)致下游低壓末葉片進(jìn)入小容積流量工況, 制定運(yùn)行方案時(shí)要避開高動(dòng)應(yīng)力區(qū)域；

（4）低壓缸切除方案還需要進(jìn)一步積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 開展相應(yīng)的分析工作, 對(duì)方案進(jìn)行完善。