孫建國(guó)　盧布　楊春宇　白存軍　李越男　劉金龍

摘 要：目前，大規(guī)模接入的新能源電源和日益增大的電網(wǎng)峰谷差導(dǎo)致越來越多的大功率汽輪機(jī)不得不在采用噴嘴調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行快速深度變負(fù)荷運(yùn)行。然而，由于不同類型機(jī)組的高調(diào)門噴嘴布置是不同的，導(dǎo)致噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響也是不同的。該文通過對(duì)典型600MW級(jí)別機(jī)組和典型300MW級(jí)別機(jī)組的噴嘴組布置圖進(jìn)行調(diào)研，分析了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響。指出了目前噴嘴調(diào)試方式下配汽規(guī)律設(shè)計(jì)存在的問題，并給出了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性解決建議方案。這對(duì)保證我國(guó)占主流的300MW級(jí)別和600MW級(jí)別機(jī)組的安全高效運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：300MW 600MW 汽輪機(jī) 噴嘴調(diào)節(jié) 葉片強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0103-03

目前，電網(wǎng)調(diào)峰存在的壓力越來越大，壓力不僅來自于不斷增大的電網(wǎng)峰谷差，而且也來自于越來越大比例接入電網(wǎng)的風(fēng)電等新能源電力[1]。因此，為了滿足電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行，許多大功率機(jī)組（包括供熱機(jī)組）不得不在噴嘴調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行快速深度變負(fù)荷運(yùn)行[2]。目前，對(duì)于噴嘴配汽規(guī)律的研究大多都集中于順序閥的安全投運(yùn)方面，解決配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不合理給機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行帶來的經(jīng)濟(jì)性及安全性問題。閥門組合開啟規(guī)律不合理是機(jī)組實(shí)際低荷運(yùn)行時(shí)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，對(duì)機(jī)組會(huì)產(chǎn)生安全性隱患，如瓦溫高、振動(dòng)大、閥體激振、閥門擺動(dòng)、閥體脫落等[3-5]。同時(shí)，對(duì)機(jī)組的在經(jīng)濟(jì)性問題也會(huì)有影響，如無法正常投入順序閥、重疊度不合理、開啟組合不合理等[6-8]。最后，還會(huì)對(duì)機(jī)組的控制特性產(chǎn)生影響，如流量特性線性度差會(huì)影響“電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則”考核[9-10]。實(shí)際研究表明，如果噴嘴調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)不合理對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的也會(huì)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[11]指出首先對(duì)汽輪機(jī)在不同配汽方式下調(diào)節(jié)級(jí)后溫度變化情況進(jìn)行了分析，然后計(jì)算了不同配汽方式下汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。最后給出了汽輪機(jī)由節(jié)流配汽改為噴嘴配汽方式后的變負(fù)荷速度確定方法。由于汽輪機(jī)變工況計(jì)算是汽輪機(jī)問題研究的基礎(chǔ)，因此，許多研究者也將研究側(cè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至變工況計(jì)算方面[12-13]。然而，由于高調(diào)門噴嘴組布置差異性所帶來的噴嘴配汽規(guī)律設(shè)計(jì)方法的調(diào)整等問題，目前還沒有相關(guān)文獻(xiàn)能夠給出詳細(xì)分析及計(jì)算。

然而，在我國(guó)北方運(yùn)行著大量的調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組，其中占主流的為300MW級(jí)別和600MW級(jí)別機(jī)組；這些機(jī)組往往需要進(jìn)行大范圍的深度變負(fù)荷運(yùn)行，此類機(jī)組在低負(fù)荷工況下運(yùn)行的狀況較多。因此，該文通過對(duì)典型600MW級(jí)別機(jī)組和典型300MW級(jí)別機(jī)組的噴嘴組布置圖進(jìn)行調(diào)研，分析了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響。指出了目前噴嘴調(diào)試方式下配汽規(guī)律設(shè)計(jì)存在的問題，并給出了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性解決建議方案。這對(duì)保證我國(guó)占主流的300MW級(jí)別和600MW級(jí)別機(jī)組的安全高效運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)方式概述

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)方式從結(jié)構(gòu)上看包括噴嘴調(diào)節(jié)、節(jié)流調(diào)節(jié)，從運(yùn)行方式上看包括定壓調(diào)節(jié)和滑壓調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)即所有進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽都經(jīng)過一個(gè)或幾個(gè)同時(shí)啟閉的調(diào)節(jié)閥，然后進(jìn)入第一級(jí)噴嘴。節(jié)流調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：（1）節(jié)流調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制造成本低；（2）工況變動(dòng)時(shí)，各級(jí)焓降（除最末級(jí)外）變化不大，故各級(jí)前的溫度變化很小，從而減小了由溫度變化而引起的熱變形與熱應(yīng)力，提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性和機(jī)動(dòng)性；（3）在部分負(fù)荷下由于節(jié)流損失，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。因此，節(jié)流調(diào)節(jié)一般用在小機(jī)組以及承擔(dān)基本負(fù)荷的大型機(jī)組上。然而，工況變動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)汽室溫度變化大，從而增加了由溫度變化而引起的熱變形與熱應(yīng)力，限制了機(jī)組的運(yùn)行可靠性和機(jī)動(dòng)性。對(duì)于調(diào)節(jié)級(jí)葉片來講，汽輪機(jī)在工作過程中，動(dòng)葉片承受著最大的靜應(yīng)力及交變應(yīng)力，靜應(yīng)力主要是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在葉片上的離心力所引起的拉應(yīng)力。此外，由于蒸汽流的壓力作用還產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和扭力，葉片受激振力的作用會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)；當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與葉片自振頻率相同時(shí)即引起共振，振幅進(jìn)一步加大，交變應(yīng)力急劇增加，最終導(dǎo)至疲勞斷裂。因此，機(jī)組變工況運(yùn)行需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。強(qiáng)度核算一般包括零件應(yīng)力計(jì)算、零件材料及其許用應(yīng)力的選取和零件應(yīng)力安全性的校核。

2 典型600MW級(jí)別機(jī)組噴嘴配汽分析

由于噴嘴調(diào)節(jié)在部分負(fù)荷下的效率高于節(jié)流調(diào)節(jié)，因此，噴嘴調(diào)節(jié)的應(yīng)用在大容量機(jī)組和背壓機(jī)組。相對(duì)節(jié)流配汽來講，汽輪機(jī)在噴嘴配汽方式下進(jìn)行變負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后的溫度變化量增大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)后轉(zhuǎn)子的溫度梯度及熱應(yīng)力最大，成為整個(gè)轉(zhuǎn)子的最危險(xiǎn)部位，這極大影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和負(fù)荷變化速度。對(duì)于600MW級(jí)別機(jī)組來講，高調(diào)門一般都配置4組噴嘴組。因此，同參數(shù)600MW機(jī)組的調(diào)節(jié)后焓降差異性主要來自于高調(diào)門對(duì)應(yīng)噴嘴組數(shù)目的差異性。以目前參數(shù)較高的典型600MW級(jí)別超臨界機(jī)組為例，上汽廠的超臨界NK600-24.2/566/566型和NK660-24.2/566/566型汽輪機(jī)雖然都配備4高調(diào)門噴嘴組；如圖1-圖3所示，機(jī)組高壓部分有4個(gè)調(diào)節(jié)閥，但所對(duì)應(yīng)4組噴嘴組數(shù)目是不同的。如圖4所示，而哈汽廠超臨界N660型汽輪機(jī)4高調(diào)門噴嘴組布置圖差異性更大。因此，在機(jī)組部分進(jìn)汽時(shí)，尤其是兩閥點(diǎn)和三閥點(diǎn)，調(diào)節(jié)級(jí)葉片后的溫度變化差異性也更大。當(dāng)機(jī)組以對(duì)應(yīng)較小數(shù)目噴嘴組的兩個(gè)調(diào)門最先開啟時(shí)，機(jī)組部分進(jìn)汽面積小、調(diào)節(jié)級(jí)后焓降大，這與最先開啟的兩個(gè)高調(diào)門是對(duì)應(yīng)噴嘴組數(shù)目最大的進(jìn)汽策略對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響是不同的。

3 典型300MW級(jí)別機(jī)組噴嘴配汽分析

在我國(guó)北方運(yùn)行著大量的供熱機(jī)組，其中占主流的為亞臨界300MW級(jí)別機(jī)組，然而，這些機(jī)組往往在非供熱期甚至是供熱期也需要進(jìn)行大范圍的深度變負(fù)荷運(yùn)行。因此，噴嘴配汽方式下的調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的安全性也極為重要。對(duì)于典型亞臨界300 MW機(jī)組來講，不僅高調(diào)門噴嘴組布置圖的噴嘴數(shù)目具有差異性，而且在高調(diào)門數(shù)目上也具備差異性。如圖5和圖6所示，為上汽廠和哈汽廠都常用的2種典型亞臨界300 MW機(jī)組。如圖5所示，機(jī)組高壓部分有4個(gè)調(diào)節(jié)閥，對(duì)應(yīng)4組噴嘴；一般，機(jī)組的高調(diào)門對(duì)應(yīng)噴嘴組的數(shù)目是有差異性的。如圖5所示，機(jī)組高壓部分有6個(gè)調(diào)節(jié)閥，對(duì)應(yīng)6組噴嘴，其中，6組噴嘴對(duì)應(yīng)的汽道數(shù)目是相同的。由于機(jī)組采用噴嘴配汽（部分進(jìn)汽）時(shí)的進(jìn)汽順序原設(shè)計(jì)方案為#1+#2→#4→#5→#6→#3。因此，當(dāng)機(jī)組改變進(jìn)汽策略時(shí)，就需要考慮機(jī)組噴嘴配汽規(guī)律隊(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響。以目前典型對(duì)角進(jìn)汽方式為例，直接將機(jī)組的配汽方式改為#1+#6→#2→#3→#4→#5，對(duì)然局部進(jìn)汽時(shí)的調(diào)節(jié)級(jí)配汽不平衡氣流力會(huì)變小，機(jī)組軸系穩(wěn)定性會(huì)得到明顯改善；但是，調(diào)節(jié)后的焓降程度是不同的，對(duì)葉片強(qiáng)度的影響也是不同的。但如果改成將將機(jī)組的配汽方式改為#1+#6→#2+#3→#4+#5，雖然降低了機(jī)組的部分進(jìn)汽時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，但對(duì)機(jī)組的軸系安全性和葉片強(qiáng)度安全性是極為有利的。

4 針對(duì)葉片強(qiáng)度的噴嘴配汽優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

汽輪機(jī)葉片尤其是調(diào)節(jié)級(jí)葉片所處的工況條件及環(huán)境極為惡劣，主要表現(xiàn)在應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等方面。針對(duì)上述典型600 MW級(jí)別機(jī)組和典型300MW級(jí)別機(jī)組由于噴嘴組布置差異性帶來的噴嘴配汽規(guī)律設(shè)計(jì)問題，可以從以下兩方面做進(jìn)一步的完善，防止由此給汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。第一，針對(duì)噴嘴組數(shù)目差異性較大的機(jī)組，機(jī)組噴嘴配汽規(guī)律的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先，考慮開啟噴嘴數(shù)目較多的調(diào)節(jié)閥，這樣不但可以增大進(jìn)汽面積，還可以提高機(jī)組在第三個(gè)調(diào)節(jié)閥開啟時(shí)的運(yùn)行內(nèi)效率；第二，對(duì)于六調(diào)門噴嘴組機(jī)組，在考慮機(jī)組軸系穩(wěn)定性的同時(shí)，也要考慮對(duì)角進(jìn)汽方式對(duì)葉片產(chǎn)生的二次沖刷問題，通過三對(duì)角進(jìn)汽方式來增大低負(fù)荷區(qū)域的調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽弧度，提高機(jī)組調(diào)節(jié)葉片強(qiáng)度的安全問題。

5 結(jié)論及展望

目前，越來越多的大功率汽輪機(jī)不得不在采用噴嘴調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行快速深度變負(fù)荷運(yùn)行。然而，由于不同類型機(jī)組的高調(diào)門噴嘴布置是不同的，導(dǎo)致噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響也是不同的。該文通過對(duì)典型600MW級(jí)別機(jī)組和典型300MW級(jí)別機(jī)組的噴嘴組布置圖進(jìn)行調(diào)研，分析了噴嘴調(diào)節(jié)方式對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)葉片強(qiáng)度的影響。指出了目前噴嘴調(diào)試方式下配汽規(guī)律設(shè)計(jì)存在的問題，并給出了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性解決建議方案。這對(duì)保證我國(guó)占主流的300 MW級(jí)別和600 MW級(jí)別機(jī)組的安全高效運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

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