汽輪機(jī)上下缸溫差大問題分析及處理

朱 濤

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院, 安徽 合肥 230011)

0 引言

當(dāng)汽輪機(jī)啟動(dòng)與停機(jī)時(shí)，汽缸的上半部溫度與下半部溫度不同，溫差會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成汽輪機(jī)汽缸的變形。變形較小時(shí)影響汽缸結(jié)合面密封性，導(dǎo)致漏汽；變形嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)動(dòng)、靜部分間隙變小，產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨，缸體變形還會(huì)影響軸承中心位置，引起機(jī)組劇烈振動(dòng)。由于上下缸溫差大會(huì)對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，一般規(guī)定啟動(dòng)前上下缸溫差需要小于50 ℃，否則禁止啟動(dòng)[1]。機(jī)組運(yùn)行過程中上下缸溫差大于50 ℃應(yīng)立即打閘停機(jī)。當(dāng)啟動(dòng)過程中因?yàn)樯舷赂诇夭畲蟠蜷l停機(jī)，特別是熱態(tài)或極熱態(tài)啟動(dòng)過程中，通常需要缸溫下降至冷態(tài)水平，上下缸溫差才會(huì)小于50 ℃，因此延誤時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)電廠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。

某400 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由一臺(tái)AE94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)；一臺(tái)三壓、再熱、臥式無補(bǔ)燃自然循環(huán)汽包爐，額定蒸發(fā)量為388.2 t/h；一臺(tái)反動(dòng)式、軸向排汽、抽汽凝汽式蒸汽輪機(jī)組成。2號(hào)汽輪機(jī)首次帶負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)中壓缸上下缸溫差隨著負(fù)荷的上升，溫差逐步增大，由10 ℃升至45 ℃，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 汽缸溫差對(duì)缸體擾度的影響

根據(jù)熱彈性廣義胡克定律得到汽缸熱應(yīng)力的估算式：

(1)

式中，r為泊桑系數(shù)，一般取0.25～0.30；α1為材料的線膨脹系數(shù)，單位1/℃；E為材料的彈性模量，單位MPa；θav為部件的平均溫度，單位℃；θ為部件的任一溫度[2]，單位℃。

通過汽缸體撓度計(jì)算，汽缸的熱應(yīng)力越大，汽缸的擾度就越大。從式(1)可以看出,汽缸的熱應(yīng)力和汽缸上下缸溫差成正比,因此控制汽缸溫差就可以控制汽缸擾度。

2 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

汽輪機(jī)中壓外缸采用優(yōu)質(zhì)碳素鑄鋼件(ZG230- 450)，缸體自水平中分面分為上下兩部分，缸體與低壓排汽缸為垂直法蘭面螺栓連接，中壓與低壓為順流布置。來自鍋爐的再熱主蒸汽及低壓補(bǔ)汽分別進(jìn)入汽缸兩側(cè)的再熱主調(diào)門閥組及低壓補(bǔ)汽閥組，再進(jìn)入汽輪機(jī)中低壓通流。該機(jī)組為中低壓合缸，因此中壓缸無排汽口，中壓排汽與低壓補(bǔ)汽在缸內(nèi)混合后進(jìn)入低壓通流，最后軸向排入凝汽器，如圖1所示。

圖1 中壓缸剖面圖

中壓外缸為左右對(duì)稱設(shè)計(jì)，左右兩側(cè)均有再熱進(jìn)汽接口及低壓補(bǔ)汽接口，可滿足不同電廠的鏡像布置要求。如圖2所示，再熱汽門裝于汽缸的左側(cè)，右側(cè)則安裝中壓進(jìn)汽法蘭蓋，在法蘭蓋上設(shè)有疏水接口及溫度測(cè)點(diǎn)。低壓補(bǔ)汽閥組安裝于汽缸的右側(cè)，左側(cè)則安裝軸封蒸汽進(jìn)汽法蘭，該蒸汽來自高壓缸的內(nèi)側(cè)汽封漏汽。

圖2 中壓外缸結(jié)構(gòu)圖

3 溫差大原因分析及采取措施

3.1 溫差測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確性的影響

中壓外缸金屬溫度共三組六支測(cè)點(diǎn)，溫度測(cè)點(diǎn)位于外缸，測(cè)量的是外缸內(nèi)壁的溫度，分別為中壓外缸上半前金屬溫度、中壓外缸下半前金屬溫度、中壓外缸上半中部金屬溫度、中壓外缸下半中部金屬溫度、中壓外缸上半尾部金屬溫度、中壓外缸下半尾部金屬溫度。若現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)點(diǎn)安裝位置與DCS畫面位置不符則會(huì)影響相應(yīng)位置溫差計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過查看圖紙確定現(xiàn)場(chǎng)安裝位置與遠(yuǎn)傳畫面位置相符。

若溫度測(cè)點(diǎn)插入深度不夠，則測(cè)量出的溫度會(huì)低于實(shí)際溫度，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)中壓外缸溫度測(cè)點(diǎn)插入深度進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果滿足安裝要求。同時(shí)對(duì)熱電偶測(cè)溫元件進(jìn)行重新校驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)問題，復(fù)裝后中壓缸上下缸溫差未發(fā)生明顯變化。

3.2 保溫對(duì)缸溫的影響

根據(jù)導(dǎo)熱基本定律：

(2)

式中，φ為單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，單位W；k為材料的熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))，單位W/(m·K)；A為散熱面積，單位m2；δ為保溫材料厚度，單位m；tw1、tw2分別為保溫材料內(nèi)外溫度，單位℃。

通過公式(2)可以得出汽輪機(jī)散熱量與保溫層厚度成反比，與保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)(同時(shí)考慮保溫層密實(shí)、完好程度)成正比，即在一定厚度內(nèi)保溫層越厚,保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫層完好、密實(shí)，則散熱慢。單位時(shí)間內(nèi)汽缸內(nèi)部散熱量少,內(nèi)壁溫度水平高[3]。

由于沖轉(zhuǎn)前保溫施工工期較短，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)中壓缸下保溫較薄，且部分區(qū)域保溫與缸體之間存在空隙，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)保溫進(jìn)行處理后重新帶負(fù)荷，汽輪機(jī)負(fù)荷由60 MW升至80 MW，中壓外缸上下缸溫差最大升至45 ℃，降負(fù)荷后溫差能穩(wěn)定在10 ℃左右，因此排除保溫對(duì)上下缸溫差的影響。

3.3 本體疏水對(duì)缸溫的影響

本體疏水閥后無溫度測(cè)點(diǎn)，無法判斷疏水是否通暢，就地將疏水管路保溫拆除，測(cè)量疏水閥前后溫度均大于200 ℃，證明疏水通暢，排除疏水不暢對(duì)上下缸溫差的影響。

3.4 負(fù)荷對(duì)缸溫的影響

調(diào)取歷史趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，限壓模式下汽機(jī)由74 MW升至80 MW再降至70 MW過程中，高壓主蒸汽調(diào)閥(簡(jiǎn)稱高調(diào)閥)開度基本不變?yōu)?9%，中壓主蒸汽調(diào)閥(簡(jiǎn)稱中調(diào)閥)由38%開至50%再關(guān)至31%，低壓補(bǔ)汽閥由38%開至42%再關(guān)至28%，下缸溫度變化較為明顯，由287 ℃降至274 ℃再升至280 ℃。歷史趨勢(shì)見圖3。

圖3 汽輪機(jī)升降負(fù)荷過程中中壓外缸溫度變化趨勢(shì)

結(jié)合圖1及圖2可以看出，中壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，夾層中蒸汽主要由中壓缸端部汽封漏汽、低壓補(bǔ)汽及高壓缸汽封漏汽構(gòu)成[4]，低壓補(bǔ)汽閥開啟過程中，夾層蒸汽330 ℃，低壓補(bǔ)汽溫度225 ℃，中壓外缸夾層與低壓補(bǔ)汽口及汽封漏汽為一連通腔室，且低壓補(bǔ)汽與汽封漏汽入口在中分面以下部位，對(duì)下缸溫度影響較為明顯，由此基本判定中壓缸上下缸溫差大主要是因?yàn)樯?fù)荷過程中低壓補(bǔ)汽閥開度增加，低壓補(bǔ)汽閥開大后低溫蒸汽在中壓外缸下缸處聚集，引起中壓外缸下缸溫下降，最終導(dǎo)致中壓外缸上下缸溫差變大。

4 采取的措施

4.1 運(yùn)行過程中采取的措施

在DEH組態(tài)中將低壓補(bǔ)汽閥閥限設(shè)定在10%開度，汽輪機(jī)升負(fù)荷，高調(diào)閥和中調(diào)閥開至100%，機(jī)組帶至滿負(fù)荷，汽輪機(jī)中壓缸上下缸溫差保持在20 ℃左右，問題基本得以解決。

4.2 停機(jī)后采取的措施

對(duì)中壓缸進(jìn)汽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后得出，造成中壓缸上下缸溫差大的主要原因?yàn)榈蜏氐牡蛪貉a(bǔ)汽在中壓缸下缸聚集，通過在原有低壓補(bǔ)汽閥后進(jìn)入汽缸處增加一段插管，該插管布置在中壓外缸和內(nèi)缸的夾層中，此時(shí)溫度較低的低壓補(bǔ)汽與溫度較高的高壓平衡活塞漏汽在中壓下半缸的流向相斥，以改變低壓主汽進(jìn)入汽缸的流場(chǎng)，減少了低壓補(bǔ)汽在中壓下半缸的聚集，從而改變汽缸溫度場(chǎng)，起到優(yōu)化局部流場(chǎng)的作用。

通過流場(chǎng)計(jì)算理論分析表明，增設(shè)補(bǔ)汽插管后，與無插管時(shí)相比，下半缸溫度有所升高，上半缸溫度有所下降，上下部分溫差較大的問題得到了很好的改善。

改造后機(jī)組再次啟動(dòng)帶負(fù)荷過程中汽輪機(jī)中壓缸上下缸溫差得到一定改善，在高負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)汽閥均能正常開啟，中壓缸上缸溫度無明顯變化，下缸溫度由改造前最低253 ℃升至284 ℃，溫差控制在45 ℃以內(nèi)，問題基本得到解決。

5 結(jié)論

通過對(duì)中壓缸結(jié)構(gòu)、溫度測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性、保溫材料的敷設(shè)、疏水管路及運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的分析，找出造成上下缸溫差大的原因?yàn)榈蜏氐牡蛪貉a(bǔ)汽在中壓缸下缸聚集，通過在運(yùn)行中對(duì)低壓補(bǔ)汽進(jìn)行限制及停機(jī)后對(duì)低壓補(bǔ)汽閥進(jìn)行改造，在重新啟動(dòng)過程中低壓補(bǔ)汽閥在機(jī)組帶負(fù)荷過程中可以正常打開，且中壓缸上下缸溫差可以控制在45 ℃以內(nèi)，確保了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)同類型機(jī)組類似問題的處理具有一定的借鑒意義。