楊 濤 ，胥建群 ，周克毅 ，石永鋒 ，蔣偉莉 ，王 毅

(1.東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京210096；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；3.國信揚州第二發(fā)電廠，江蘇揚州225000)

隨著我國火電機組向高參數(shù)大容量方向的發(fā)展，尤其是大容量直流鍋爐以及超（超）臨界機組的投入運行，對鍋爐給水品質提出了更高的要求。由于直流鍋爐沒有汽包，不能夠采用常規(guī)的汽水分離、蒸汽清洗等鍋內凈化措施來控制蒸汽品質；同時，主蒸汽壓力不斷提高，鹽類在蒸汽中的溶解度增大，進一步增加了鍋爐除鹽的難度。含鹽蒸汽進入汽輪機做功后，由于壓力降低，溶解在蒸汽中的鹽類析出，沉積在汽輪機通流部分中，引起汽輪機通流部分結垢，導致汽輪機通流部分熱力參數(shù)發(fā)生變化，降低汽輪機運行的經(jīng)濟性和安全性。因此需要對超臨界機組的汽水品質進行監(jiān)測，并及時對通流部分結垢進行診斷。

近年來，與熱力參數(shù)相關的通流部分的故障，如閥桿和葉片的斷裂、汽流通道結垢及磨損等逐步受到重視[1，2]。而在通流部分發(fā)生故障時，最直接的反映是溫度、壓力、流量等熱力過程參數(shù)的變化，進而引起汽輪機相對內效率的變化。因此，通過監(jiān)測通流部分的熱力參數(shù)來判斷通流部分的運行情況，可作為一種檢查設備故障和缺陷的輔助診斷工具。再綜合以熱力參數(shù)變化值為基礎的定量計算，就可以分析通流部分的具體故障位置、程度和原因。為此，針對某電廠運行性能的下降，根據(jù)機組熱力參數(shù)的變化，進行定性分析和定量計算，判斷出通流部分結垢的具體位置和程度。分析通流部分結垢的可能原因及預防方法，并提出在調節(jié)級后加裝汽水品質測點為超臨界機組提供檢測途徑。

1 對通流部分流動公式的分析

對汽輪機通流部分的診斷需要分析級組汽流通道內流動情況，因此有必要首先對常用的蒸汽參數(shù)與流量之間的關系式進行比較分析。

1.1 斯托多拉公式

斯托多拉根據(jù)試驗結果得到流量與級組后壓力呈橢圓曲線關系[3]，經(jīng)過化簡得到的數(shù)學表達式為：

式（1）中：G為通過級組的流量；p0和pz分別為級組前、后蒸汽壓力；v0為級組前蒸汽比容；A為級組通流面積；k1為系數(shù)（變工況前后k1值不變）。

在通流面積不變的情況下，對于臨界工況或者級組壓比pz/p0小于一定值時，流量可近似視為與級組前壓力成比例。

1.2 理論推導公式

根據(jù)流量方程和能量方程，經(jīng)過理論推導[4]可得通過級組的流量與蒸汽參數(shù)存在如下關系：

式（2）中：n 為多變指數(shù)；η 為級組效率；κ為絕熱指數(shù)；k2為系數(shù)（工況變化不大時k2值近似不變）。

若根據(jù)實際情況，取過熱蒸汽κ=1.3，級組效率η=0.9，則式（2）中 n≈1.8。

1.3 不可壓縮分析公式

對于某一級組，根據(jù)連續(xù)性方程，通過汽流通道的蒸汽流量可為[4]：

式（3）中：μ為流量系數(shù)。

由于可以將過熱蒸汽看作理想氣體，根據(jù)其定熵過程，有：

對上式進行微分，化簡可得到：

若將蒸汽視為不可壓縮氣體，即dv/v=0，則κ→∞。同時忽略流量系數(shù)的變化，式（3）即可化為不可壓縮流量公式：

式（6）中：k3為系數(shù)（變工況前后 k3值不變）。

1.4 3個分析公式的比較

式（1）、式（2）、式（6）均說明通過某一級組通流部分的流量僅與通流面積和蒸汽參數(shù)有關；3個公式均可作為各級組通流部分的流動分析公式，通過監(jiān)測蒸汽參數(shù)的變化對汽輪機各級組進行運行監(jiān)測和通流部分分析診斷。

對式（1）、式（2）、式（6）的比較可以看出，3 個公式的區(qū)別在于系數(shù)k和級組壓比的指數(shù)。其中，式（1）通過實驗獲得，是一個近似公式，壓比的指數(shù)為2；式（2）通過理論推導獲得，壓比的指數(shù)為1.8；而式（6）通過將蒸汽看作不可壓縮氣體簡化獲得，壓比的指數(shù)為1。相比之下式（6）較為簡單，但其計算精度還需要通過實例計算進行驗證。

為此，選取了某630 MW機組大修剛剛結束時主汽閥閥位指令同為86%的3個工況（調節(jié)閥門開啟個數(shù)不變），且分別用式（1）、式（2）和式（6）計算調節(jié)級、高壓缸第一級組及中壓缸第一級組在不同工況下與工況1的流量差值百分比ΔG，得出了最大誤差。針對所選工況，可忽略通流面積的變化。具體計算結果如表1所示。

通過不同工況下不同級組的流量差值百分比的計算可以看出，式（1）、式（2）、式（6）的計算結果接近，3個公式間的最大誤差小于2%，這說明級組壓比的指數(shù)項對公式的分析結果影響較小。因此，將蒸汽視為不可壓縮對計算結果產(chǎn)生的誤差較小，在實際應用中采用不可壓縮分析式（6）對變工況條件下各級組通流部分進行理論計算是可行的。當高壓缸調節(jié)級和第一級組同時發(fā)生通流面積變化時，調節(jié)級后壓力受到調節(jié)級和第一級組的一對相反影響；噴嘴調節(jié)時調門開度的變化也會對調節(jié)級壓力產(chǎn)生影響。單獨使用式（1）、式（2）和式（6）通過壓比變化分析判斷調節(jié)級通流結垢程度比較困難。對于噴嘴配汽機組，當考慮調門開度變化，在相同計算精度的前提下，形式較為簡單的式（6）更便于現(xiàn)場的實際應用和定量分析，因此選用不可壓縮公式作為本文分析汽輪機通流部分流動情況的基本關系式。

2 對機組的診斷

2.1 機組的基本情況

某型號為N630-24.2/538/566的超臨界機組在某次大修后的18個月內再次出現(xiàn)出力下降、調節(jié)級后壓力逐漸上升等現(xiàn)象。為具體分析各參數(shù)的變化趨勢，選取主蒸汽流量同為1 500 t/h的工況繪制閥位指令、調節(jié)級后壓力的變化曲線，如圖1所示。選取閥位指令同為86%的工況繪制效率變化曲線，用于表現(xiàn)效率的相對變化趨勢，如圖2所示。

其中高壓缸效率根據(jù)主蒸汽壓力、溫度和高壓缸排汽壓力、溫度的測量值求得，第一級組效率根據(jù)調節(jié)級后壓力、溫度和一抽壓力、溫度的測量值求得。根據(jù)圖1和圖2可得到以下結果：在主蒸汽流量同為1 500 t/h情況下，高壓缸效率下降將近3個百分點；調節(jié)級后壓力逐步上升，上升約5.07%；主汽閥閥位指令上升顯著，在18個月內上升約5.88%，說明為保證主蒸汽流量，需不斷開大閥門；而監(jiān)測時還發(fā)現(xiàn)主蒸汽壓力隨著閥門開度增大而逐漸下降，這使得對問題的分析更加復雜。

為進一步分析造成高壓缸效率下降、調節(jié)級壓力上升的原因，又對高壓缸第一級組的效率進行監(jiān)測，如圖2所示。可以看出，大修后的18個月時間內，第一級組效率下降約6個百分點。此外，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算發(fā)現(xiàn)第一級組通流面積下降3.33%，而其他級組當量通流面積的計算結果平穩(wěn)波動，未發(fā)現(xiàn)較為明顯的變化。

表1 3個分析公式計算流量差值百分比的對比

圖1 大修后18個月內調節(jié)級后壓力和閥位指令變化

圖2 大修后18個月內效率變化

2.2 定性分析

過監(jiān)測段溫度壓力對相對內效率 （包括各汽缸及各級組）和通流面積進行計算，并以此作為診斷依據(jù)，反映機組在一段時間內的運行狀況。相對內效率是汽輪機的一個重要技術指標，它反映了汽輪機通流部分的完善程度，通過級組進出口壓力、溫度計算它的變化，能及時了解通流部分工作情況。而通流面積可以通過對監(jiān)視段壓力、溫度的測量來監(jiān)視汽輪機內部的通流情況，并以此為依據(jù)，判斷汽輪機內出現(xiàn)的一些不正?，F(xiàn)象，如葉片的斷裂、通流部分的結垢等。對于該機組，大修后約18個月的時間內，第一級組效率和通流面積均明顯下降，由此可以初步判斷，高壓缸第一級組可能存在結垢。

此外，對中低壓缸各參數(shù)變化趨勢的分析排除了中低壓缸故障的可能性。高壓缸第一級組結垢會造成調節(jié)級后壓力升高（圖1），流量減小。為保證一定的流量，需要不斷開大主汽閥（圖1）；而閥門可能會在開啟過程中造成主汽流量過大，引起調節(jié)級壓力升高更多。這樣就要通過降低主汽壓力維持主汽流量并緩解調節(jié)級壓力過大，這也解釋了監(jiān)測參數(shù)時主汽壓力隨著主汽閥開度增加反而下降的現(xiàn)象。

這種依靠熱力參數(shù)的定性分析具有分析簡單、監(jiān)測容易等優(yōu)點，可用于初步判斷，但僅從相對內效率和監(jiān)視段壓力來判斷通流部分故障是不全面的，具體故障類型及原因還需結合理論計算進行進一步分析。

2.3 定量計算

通流部分的故障最終會引起通流面積的增大或減小，因此，應該選擇能夠反映汽輪機各級通流面積變化的物理量作為診斷的指標，即當量通流面積。由于前文已驗證將蒸汽視為不可壓縮對計算結果的影響在工程應用允許范圍以內，因此，為量化結垢、腐蝕等對蒸汽流道造成的影響，由式（6）導出一個含當量通流面積項的不可壓縮分析公式[5，6]：

和順縣地域遼闊，人口少而居住分散，受地理條件、水資源狀況、農(nóng)村經(jīng)濟、群眾認識、管理水平等因素的影響，水源工程建設方案確定比較復雜。根據(jù)和順縣的實際，主要采取的水源工程建設方案有：自然泉水水源、河道型地表水水源、滲透型地表水水源、輻射井水源、深井水源。

式（7）中：G為主蒸汽流量；pT，TT分別為主蒸汽壓力和溫度；A1st為調節(jié)級當量通流面積；p1st為第一級 （這里指調節(jié)級）級后壓力；pv為主汽門后（調節(jié)級前）壓力。

根據(jù)上述公式可對本文中調節(jié)級通流部分進行分析，已知在主蒸汽流量同為1 500 t/h工況下調節(jié)級后壓力升高約5.07%（圖1），主蒸汽壓力下降，造成調節(jié)級前壓力下降4.18%?？傻镁唧w計算結果如表2所示。

表2 各參數(shù)計算對比表

從表2中可以看出大修后的與投運初期相比下降9.07%，將該結果帶入式（7）可得：

通過上述計算可得，理論上調節(jié)級當量通流面積應增加13.25%。但是通過閥位指令上升曲線和對通流面積的監(jiān)測可以得到的實際情況是：閥位指令上升5.88%對應調節(jié)級當量通流面積上升5.92%。說明實際當量通流面積比理論計算要小7.33%，證明調節(jié)級也存在結垢。調節(jié)級結垢造成調節(jié)級后壓力下降，通過上述分析可知調節(jié)級結垢將造成通流面積下降7.33%，帶入式（7）可得：

式（10）中：G2nd，T2nd分別為調節(jié)級后蒸汽流量和溫度；A2nd為第一級組當量通流面積。

即第一級組當量通流面積下降3.33%，造成p1st上升3.33%，而調節(jié)級后壓力升高，會減小調節(jié)級前后壓差，造成流量減小。為保證一定流量，需繼續(xù)增大閥門開度，減小調節(jié)級后壓力，通常調節(jié)級后壓力會比原值高，所以最終調節(jié)級后壓力是不斷升高的。

通過以上分析可以看出，對該機組的診斷結果為調節(jié)級和第一級組結垢；它們會對調節(jié)級后壓力形成相反的影響，給故障診斷帶來一定難度。

通過對級組進出口壓力溫度的監(jiān)測計算各級組效率和通流面積，定性分析機組通流部分的完善程度；通過對主蒸汽流量保持不變時主蒸汽壓力、溫度、調節(jié)級壓力及高壓缸排汽壓力的監(jiān)測，采用不可壓縮分析公式來定量計算當量通流面積的變化，并與調門開度變化時調節(jié)級通流面積理論計算值比較，能夠較為快速準確地分析調節(jié)級通流部分的運行狀況，便于現(xiàn)場的應用。

3 對診斷結果的分析

通過定性分析熱力參數(shù)的變化可以初步判斷出第一級組存在結垢，但是未能有效地診斷出調節(jié)級動葉的結垢問題。這是因為第一級組結垢會抬高調節(jié)級后壓力，而調節(jié)級動葉結垢會造成調節(jié)級后壓力下降、流量減小，為保證流量一定就必須增大閥門開度，但同時又會使調節(jié)級后壓力有所升高，這就形成了一對相互抵消的作用力。

而結合當量通流面積模型進一步進行定量診斷，則可分析出調節(jié)級亦存在結垢。機組大修后18個月再次揭缸，發(fā)現(xiàn)調節(jié)級和高壓缸第一級組則存在嚴重的“珊瑚礁”狀結垢。這與診斷結果相吻合，證明了上述基于熱力參數(shù)變化進行通流部分結垢診斷的方法是可行有效的，為機組優(yōu)化運行和通流部分狀態(tài)監(jiān)測提供了相應的理論依據(jù)。

4 結束語

（1）汽輪機組熱力參數(shù)對汽輪機通流部分故障的反應十分敏感，它們能反映通流部分的內部狀況，與各種故障的類型和程度存在著確定的關系。

（2）通過實例對比3個通流部分流動分析公式，計算結果接近，驗證了在對汽流通道內流動情況的分析中，將蒸汽視為不可壓縮而得到的分析公式不僅形式簡單，應用限制條件較少，且誤差在允許范圍，可應用于工程實際。

（3）調節(jié)級結垢和第一級組結垢會對調節(jié)級后壓力形成相反影響，給診斷帶來一定難度。采用基于熱力參數(shù)變化的理論計算可以定量診斷出通流部分結垢的具體位置及原因。說明可通過多個熱力參數(shù)的變化規(guī)律來明確汽輪機通流部分的運行狀況。

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