熱電聯(lián)產機組汽輪機通流部分結垢診斷與分析

劉傳亮，郝 寧

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

汽輪機的蒸汽品質對汽輪機的運行經濟性和安全性有著重要的影響。當溶解鹽類的蒸汽進入汽輪機，隨著蒸汽參數(shù)的變化，鹽類可能析出沉積在流道中，造成通流部分結垢，結垢嚴重時可能導致汽輪機無法安全穩(wěn)定運行。通過對汽輪機運行參數(shù)進行監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)通流部分的異常，有助于避免重大故障的發(fā)生。周文遠等[1]提出了在凝汽式汽輪機中可通過監(jiān)視調節(jié)級汽室壓力和各段抽汽壓力，判斷通流部分是否結垢，但抽汽點壓力受回熱系統(tǒng)運行的影響會波動，診斷精確度不高。王偉鋒等[2]提出了基于神經網絡方法預測故障，但建立故障知識庫較為復雜。YANG T等[3]提出了結合熱經濟診斷模型和等效通流面積診斷的綜合方法，并在630 MW機組上取得驗證。李勇等[4]建立了監(jiān)測級組前后壓比變化的方法，在300 MW凝汽式機組上獲得了驗證。王一兵等[5]采用熱力計算方法，提出了計算通流部分結垢厚度與監(jiān)視段壓力的理論方法，但計算方法較為復雜。薛朝囡等[6]將熱力參數(shù)的級組效率和特征通流面積作為判據，可判斷發(fā)生故障的級組段。

針對某57 MW抽汽凝汽式汽輪機機組運行出現(xiàn)的軸向推力增大的異?，F(xiàn)象，建立監(jiān)測點壓力和級組通流能力系數(shù)的綜合評估方法，結合運行熱力參數(shù)分析汽輪機通流能力的變化規(guī)律，通過揭缸檢查驗證該方法的有效性，從汽水系統(tǒng)進一步分析導致汽輪機通流部分結垢的根本原因。該方法可作為機組運行中實時輔助分析的手段，提高運行人員掌握汽輪機通流部分變化的及時性和敏感性，以發(fā)揮故障預警作用。

1 機組運行參數(shù)分析

1.1 運行異常情況

某熱電聯(lián)產自備電站配置1臺57 MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組，汽輪機為高壓、單缸、沖動式，型號為N57/C48-8.83/1.44。額定設計工況下，進汽壓力為8.83 MPa，進汽溫度為535 ℃，進汽質量流量為220 t/h，發(fā)電功率為48 MW，抽汽質量流量為38 t/h；純凝工況下，滿負荷發(fā)電功率為57 MW。汽輪機通流部分結構見圖1，包括1級調節(jié)級和17級壓力級，通過抽汽旋轉隔板調節(jié)供熱量。

圖1 汽輪機通流部分結構

機組在新建調試并投入運行后的5個月，運行中出現(xiàn)軸向位移異常升高至0.97 mm，接近報警值(1 mm)，推力瓦的溫度逐步升高至82.8～94.4 ℃，通流部分運行參數(shù)偏離設計值，調節(jié)級后壓力升高，機組發(fā)電功率降低至16 MW。

1.2 熱力參數(shù)分析

從汽輪機工作原理可知：當進汽和排汽參數(shù)符合設計要求時，汽輪機調節(jié)級后壓力與流量近似成線性比例關系，即當流量增加時，調節(jié)級后的壓力也相應提高。

圖2為調節(jié)級后壓力與質量流量的關系，其中也顯示了機組正式投入商業(yè)運行后第1～3個月內相關運行參數(shù)的變化。

圖2 調節(jié)級后壓力與質量流量的關系

由圖2可得：與機組的設計值對比，正式投運第1個月的運行工況點位于設計值參考線以下，表明同樣的進汽流量下，實際運行的調節(jié)級后壓力低于設計值，這是正常的情況，說明汽輪機設計的通流能力有一定的裕量，主要是機組在設計中兼顧了大范圍抽汽對外供熱和機組對外發(fā)電的需要；投運后第2～3個月的運行工況點則全部位于設計值參考線以上，表明同樣的進汽流量下，實際運行的調節(jié)級后壓力高于設計值，并且隨著時間的推移，相比于第2個月運行值的偏移量，第3個月運行值的偏移量進一步增大，說明汽輪機的通流阻力不斷增加。

機組在相同發(fā)電功率(35 MW)下的運行參數(shù)變化見圖3，在發(fā)電功率工況點附近，比較分析機組調節(jié)級后蒸汽和第1段、第2段抽汽的壓力、溫度在一段時間內的變化趨勢。

圖3 調節(jié)級后蒸汽和第1段、第2段抽汽的壓力、溫度的變化

由圖3(a)可得：機組在6周運行周期內的運行參數(shù)變化顯著。雖然發(fā)電功率基本相同，但前2周運行時間內，調節(jié)級后蒸汽的壓力從3.35 MPa逐漸升高至4.50 MPa，升高了34.3%；從第3～6周運行時間，調節(jié)級后蒸汽的壓力從4.50 MPa逐步升高至6.06 MPa，升高了34.6%。調節(jié)級后蒸汽的壓力隨著運行時間的增加，呈現(xiàn)出升高的趨勢，在監(jiān)測期間累計升高了80.9%，第1段、第2段抽汽的壓力呈現(xiàn)出同樣的上升趨勢。

由圖3(b)可得：機組在發(fā)電功率為35 MW功率且汽輪機進汽溫度約為530 ℃時，調節(jié)級后蒸汽和抽汽的溫度均出現(xiàn)上升趨勢。在監(jiān)測期間調節(jié)級后蒸汽的溫度上升了48.6 K，第1段抽汽的溫度上升了49.6 K，溫度升高也表明蒸汽在通流部分的焓降減小，即做功能力減弱。

汽輪機調節(jié)級后的工作壓力與通流部分的蒸汽流量成正比關系，若通流面積小于設計值，為達到相同的蒸汽通流能力和發(fā)電功率，調節(jié)后壓力將升高，調節(jié)級后蒸汽的壓力的增幅與通流面積的降幅成比例[7]。針對該汽輪機運行中通流能力減小的異常狀況，推測可能發(fā)生的故障有：(1)調節(jié)級上游的噴嘴或調節(jié)閥可能發(fā)生機械性損壞故障，蒸汽經過噴嘴無膨脹做功，導致調節(jié)級前后蒸汽的壓力和溫度突然增高；(2)汽輪機內的通流部分發(fā)生異常(如結垢堵塞)，通流面積減小進而導致通流阻力增加，機組轉子受到的軸向推力增大，機組運行中軸向位移和推力瓦溫度升高。但是，機組運行中未發(fā)生突然性機械性損傷產生的異常聲響，因此有必要針對機組的通流能力進一步進行分析。

2 汽輪機級組通流能力分析

汽輪機的變工況計算中，可將流量相同的且依次串聯(lián)排列的若干級稱為一個級組。對于調節(jié)級，在變工況工作中當開啟的調節(jié)閥的數(shù)量不同時，調節(jié)級的通流面積則不同，因此級組內不包括調節(jié)級。該汽輪機的級組劃分見圖4，高中壓通流部分包括調節(jié)級和8級高中壓級，以汽輪機各回熱抽汽點為邊界劃分級組，具體為：(1)調節(jié)級后到第1段抽汽點之間的通流部分為級組1，由第1～4級組成；(2)第1段至第2段抽汽點之間的通流部分為級組2，由第5～7級組成；(3)第2段、第3段抽汽點之間的通流部分為級組3，由第8級組成。

圖4 汽輪機級組劃分

根據弗留格爾公式，可以得到汽輪機在變工況時的級組流量與級組前后蒸汽的壓力及溫度的關系。以級組1為例，具體公式為：

(1)

式中：qm1為級組1中蒸汽的質量流量，t/h；p0為級組1進口處蒸汽的壓力，MPa；T0為級組1進口處蒸汽的熱力學溫度，K；p1為第1段抽汽點的蒸汽壓力，MPa；下標ac、d分別表示各參數(shù)的實際運行工況和設計工況。

公式(1)成立的前提是變工況前后汽輪機的通流面積保持不變，若因結垢或腐蝕等因素導致通流面積發(fā)生改變，應引入通流能力系數(shù)(可以將其理解為變工況與設計工況的通流面積之比)對通流能力進行修正，具體公式為：

(2)

進而得到：

(3)

式中：φ1為級組1的通流能力系數(shù)。若汽輪機通流部分發(fā)生結垢堵塞，其通流能力將降低，此時φ1<1。

對于汽輪機通流部分級組2，考慮第1段抽汽只加熱凝結水，并且假設抽汽質量流量與總質量流量的比不變，則級組2的通流能力系數(shù)為：

(4)

(5)

式中：φ2為級組2的通流能力系數(shù)；qm2為級組2中蒸汽的質量流量，t/h；p2為第2段抽汽點的蒸汽壓力，MPa；T1為級組2進口處蒸汽的熱力學溫度，K；qmc1為第1段抽汽的質量流量，t/h。

與級組2的情況類似，同理可獲得級組3的通流能力系數(shù)。根據通流能力系數(shù)的計算方法，結合汽輪機幾個月的運行數(shù)據，計算汽輪機級組通流能力變化的情況，將汽輪機進汽質量流量維持在50%～100%設計質量流量內，得到相關參數(shù)見圖5。

圖5 汽輪機級組通流能力系數(shù)的變化

由圖5(a)可得：級組1的通流能力系數(shù)總體上呈現(xiàn)隨運行時間逐漸下降的規(guī)律。在轉折點A之前，級組1的通流能力系數(shù)大于1，說明汽輪機的通流能力在設計值的基礎上還留有一定裕量，此時機組進汽還能處于正常狀態(tài)；在轉折點A之后，級組1的通流能力系數(shù)始終小于1，并且隨著時間的緩慢下降，級組1的最小通流能力系數(shù)為0.649，說明通流能力已顯著下降。運行期間內，汽輪機進汽流量波動幅度雖然較大，但通流能力系數(shù)為體現(xiàn)通流能力的相對值，與進汽流量的波動性之間沒有太強的相關性。

由圖5(b)可得：級組2的通流能力系數(shù)變化趨勢與級組1的一致?？傮w上，可以分為：從通流能力系數(shù)從正常值下降至0.8的快速期，表明通流部分的鹽垢快速沉積，導致通流面積快速減小；通流能力系數(shù)下降至0.8左右之后的2個月運行時間內緩慢下降的慢速期，級組2的最小通流能力系數(shù)為0.464，說明通流能力已經嚴重惡化，此時機組發(fā)電功率即使在15 MW以下，汽輪機也無法安全運行。

由圖5(c)可得：級組3的通流能力系數(shù)變化呈現(xiàn)出高低不穩(wěn)定的變化規(guī)律。除了在部分發(fā)電功率范圍內，通流能力系數(shù)在大部分范圍均大于1，說明級組3的通流能力受到的影響不大。推測其原因為鹽垢在級組3的積累程度減弱，級組3的通流面積受到的影響較小。

此外，在圖5中部分發(fā)電功率范圍內，級組通流能力系數(shù)存在一定的波動性，推斷為通流部分早期形成的鹽垢由于蒸汽沖刷或氣流振動等原因而脫落，隨后再次累積形成反復的過程，導致通流能力系數(shù)在發(fā)電功率變化的過程中反復出現(xiàn)升降。但從長期看，通流能力系數(shù)總體呈下降的趨勢。

蒸汽在汽輪機通流部分的葉片流道內膨脹做功，隨著蒸汽壓力及溫度的降低，蒸汽比焓下降，熱能轉化為推動汽輪機旋轉的機械能。以汽輪機級組為對象，當汽輪機內部的通流能力發(fā)生變化時，將對蒸汽做功能力產生影響。汽輪機級組效率定義為級組的實際焓降與理想焓降之比。選取6周的運行周期，分析機組在類似運行工況下，級組1的級組效率變化情況，具體見圖6。

圖6 級組1的級組效率在運行周期內的變化情況

由圖6可得：級組1的級組效率設計值為86%，運行中的級組效率均低于設計值；在監(jiān)測周期內，級組效率呈逐漸下降趨勢，并且隨著運行時間的增加，從79.9%逐漸降低至70.1%，降低了9.8百分點。

結合以上分析可知，汽輪機級組在運行中發(fā)生通流能力逐漸減弱，以及級組效率逐漸降低的情況，可以將其判斷為汽輪機通流部分存在堵塞，并且堵塞的程度會隨著運行時間的增加而加重。這種堵塞是逐漸積累的過程，符合通流部分結垢的特征。為了確保機組運行的安全性，應盡快查明運行異常原因，安排停機進行檢查。

3 通流部分結垢分析

3.1 結垢情況

汽輪機揭缸后吊出轉子并抽出隔板套，對通流部分進行檢查，發(fā)現(xiàn)通流部分各級動葉和隔板流道均有不同程度的結垢，具體見圖7。其中：汽輪機的調節(jié)級、高中壓第1～2級基本上沒有結垢，說明過熱蒸汽段溶解鹽不析出；高中壓第3～6級的結垢特別嚴重，葉片間的通流間隙明顯堵塞而減小。結垢主要集中在第3～6級，與圖5中級組1、級組2的通流能力系數(shù)降低的變化趨勢相吻合。級組3的結垢程度一般，與圖5中級組3通流能力系數(shù)受結垢影響較小的情況一致。此外，從圖7可見低壓第9～17級的通流部分結垢較輕。

圖7 汽輪機通流部分結垢情況

汽輪機通流部分鹽垢主要來源于品質不合格的蒸汽，沿著蒸汽的流動方向，蒸汽在通流部分膨脹做功，所溶解的鹽類在一定的壓力和溫度下逐漸析出，沉積在葉片表面堵塞通流部分，導致通流能力下降，造成汽輪機各級組的工作壓力和溫度偏離設計值，以及機組的軸向推力、推力瓦溫度和軸向位移逐漸升高。汽輪機通流部分結垢將導致葉片固有頻率等特性參數(shù)發(fā)生變化，引起機組產生不正常振動[8]。汽輪機通流部分結垢可能造成危害主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)影響機組運行的發(fā)電功率和效率。結垢堵塞通流面積，機組的發(fā)電功率因進汽流量的減少而下降，同時鹽垢附著在葉片表面導致葉型損失增大，蒸汽膨脹做功減少，級組效率降低。

(2)影響機組運行的安全性。結垢導致通流部分的熱力參數(shù)偏離設計值，調節(jié)級后蒸汽的壓力升高，導致機組的軸向推力增大，軸向位移、推力瓦溫度升高，汽輪機葉片面臨其強度超出材料許用強度而損壞的風險。

3.2 結垢組分分析

為找出機組結垢的來源，對通流部分的鹽垢組分進行分析。對汽輪機第3級、第6級、第7級、第8級的葉片和隔板不同位置進行多次采樣，由第三方專業(yè)檢測機構采用光譜分析方法，所獲得的鹽垢樣品的組分見圖8。由圖8可得：鹽垢樣品的主要成分是硅酸鈉，其質量分數(shù)為76.8%～97.0%；第3級、第6級的鹽垢中含有18.3%～21.8%的碳酸鈉，第7級、第8級的鹽垢幾乎不含碳酸鈉；各級還含有少量的氧化鐵。

圖8 鹽垢組分分析

來自鍋爐的蒸汽對不同鹽類的溶解能力不同，對硅酸鹽類物質的溶解能力最大，并且溶解能力隨蒸汽壓力的提高而增大[9]。硅酸鹽的溶解能力與蒸汽的壓力、溫度有關，其在過熱蒸汽中的溶解能力要比在飽和蒸汽中的溶解能力高幾倍，在汽輪機通流部分，不同參數(shù)的蒸汽會產生不同程度的沉積[10]。

通過汽輪機揭缸檢查發(fā)現(xiàn)通流部分的結垢呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，即鹽垢主要集中在高中壓第3～6級，而高中壓第1～2級與低壓級的結垢程度較輕。汽輪機通流部分結垢的形成過程為：溶解攜帶硅酸鈉和碳酸鈉的過熱蒸汽進入汽輪機通流部分膨脹做功，在汽輪機高中壓第3～6級(工作壓力為1.6～3.5 MPa、溫度為330～430 ℃)處，蒸汽中攜帶的硅酸鈉析出大量結晶，沉積到通流部分的葉片流通通道中，導致汽輪機通流能力減小，殘余的鹽類在低壓級輕微沉積。

3.3 汽水取樣分析

進入汽輪機工作的蒸汽主要是鍋爐側的過熱蒸汽，鍋爐生成飽和蒸汽過程中會選擇性地溶解攜帶爐水中的鹽類物質，停機后對鍋爐的過熱器管道進行割開檢查，管道內表面未發(fā)現(xiàn)結垢。汽輪機通流部分結垢的主要成分為硅酸鈉，為進一步找出硅酸鹽成分的來源，分別對汽水系統(tǒng)的過熱蒸汽、飽和蒸汽、爐水、給水、除鹽水進行取樣，并且分析其中硅成分的含量。

汽水取樣的分析結果見表1，參考GB 12145—2016《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質量標準》的標準值，通過比較分析發(fā)現(xiàn)汽水品質存在嚴重不達標的問題。由表1可得：過熱蒸汽中二氧化硅(SiO2)的質量濃度高達300 μg/L，是標準值上限的20倍；飽和蒸汽中SiO2的質量濃度約是標準值上限的21.3倍；除鹽水中SiO2的質量濃度是標準值上限的24.4倍。熱電聯(lián)產機組的汽水系統(tǒng)補水來自除鹽水，根據汽水流程可以推斷，蒸汽中溶解的高含量的硅酸鹽主要來自于除鹽水，除鹽水中SiO2的含量嚴重超標是根本原因。

表1 硅成分分析結果

對除鹽水除硅系統(tǒng)進行了改造，在電站運行中，嚴格控制汽水質量在合格范圍內，從源頭上解決了汽輪機通流部分結垢的問題。同時，根據所建立的級組通流能力評估方法，運行中可通過對運行參數(shù)進行實時計算，在線監(jiān)測汽輪機的實際通流能力的變化程度，可以避免機組在后續(xù)運行中再次發(fā)生類似情況。

4 結語

針對57 MW抽汽凝汽式汽輪機機組運行出現(xiàn)的軸向推力增大和通流異常故障，建立了級組通流能力系數(shù)的診斷方法，結合運行數(shù)據分析了汽輪機通流能力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該機組在投產后較短運行周期內發(fā)生嚴重的結垢問題，通過汽輪機故障的判定方法進行分析，找出了通流部分結垢的根本原因并給出解決方案，所得到的結論如下：

(1)建立了汽輪機級組通流能力系數(shù)評估方法，用于級組通流能力的診斷分析。級組1、級組2的通流能力顯著下降，其最小通流能力系數(shù)分別為0.649、0.464，說明通流能力已顯著下降。在6周的運行周期內，級組效率隨運行時間的增加，從79.9%下降至70.1%，降低了9.8百分點。

(2)監(jiān)測并分析調節(jié)級與各段抽汽的運行參數(shù)發(fā)現(xiàn)，在相同的發(fā)電功率下，調節(jié)級后蒸汽的壓力隨運行時間的增加而不斷升高，在相同的流量下，調節(jié)級后蒸汽的壓力逐漸偏離設計值，呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，監(jiān)測周期內累計升高了80.9%，各段抽汽的溫度也有不同程度的升高。

(3)通過汽輪機揭缸檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機通流部分存在嚴重的結垢問題，鹽垢主要分布在高中壓第3～6級，鹽垢的主要成分為硅酸鈉，鹽垢的分布情況與通流能力系數(shù)的分析結果相吻合。

(4)通過對汽水系統(tǒng)進行取樣分析，發(fā)現(xiàn)蒸汽中SiO2含量嚴重超標，除鹽水中SiO2的質量濃度是標準值上限的24.4倍，這是導致汽輪機通流部分結垢的根本原因，運行中應按火電廠汽水質量標準嚴格將汽水參數(shù)控制在合格范圍內。