楊 陽
(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠,上海 200240)
在我國電力產能過剩的情況下,隨著國家對清潔能源消納力度的增加,火電機組的調峰需求逐漸增大,一些歐洲發(fā)達國家火電機組的先進調峰經驗[1-2]也漸漸進入國內火電行業(yè)視野。為響應國家火電靈活性改造政策要求,提高機組供熱期深度調峰能力和供熱能力,增強機組在電力市場的競爭力和盈利能力,國內一些電廠開始關注并實施低壓缸切缸改造。同時,當前國內火電市場一些新機組在招標時就要求具有低壓缸切除能力,以獲得更大的熱電比,提高市場競爭力。
“低壓缸切缸”也稱“低壓缸零出力”,是將低壓缸進汽切除,僅保留少量的冷卻蒸汽,用于帶走低壓轉子鼓風產生的熱量,從而實現低壓缸零功率運行的一種技術方法。由于低壓缸進汽量極小,因此切缸后低壓缸處于鼓風狀態(tài)運行,必須采用噴水降溫的方式對汽輪機排汽進行降溫。
汽輪機在抽凝狀態(tài)運行,存在低壓缸最小冷卻流量,以保證額定背壓下的低壓缸排汽容積流量充足。國內切除低壓缸技術方案有兩種,一種為直接將汽輪機抽凝工況下的低壓缸最小冷卻流量狀態(tài)切換到最終切缸狀態(tài),另一種為在抽凝到切缸工況之間實現平滑過渡,并實現中間工況點的靈活性停留。
以上兩種技術方案均有效降低了低壓缸冷卻蒸汽流量消耗,提高了機組供熱能力、深度調峰能力、機組運行靈活性以及供熱經濟性。但是,由于低壓缸運行條件苛刻,上述方案也面臨著運行上的難度以及相應的不安全因素。
本文將對汽輪機切除低壓缸運行存在的潛在風險因素進行詳細分析,并提出相應的應對策略,旨在最大程度上確保汽輪機切缸工況下的運行安全性。
圖1 連通管位置改造示意
連通管位置設計方案如圖1所示,常規(guī)供熱機組的連通管為單支結構,連通管調節(jié)閥(一般為蝶閥)帶有最小流量的通流孔或機械限位,具備切除低壓缸功能的機組連通管一般設計為連通管加小旁路結構,連通管及小旁路上均設置調節(jié)閥。連通管調節(jié)閥為完全密封式閥門,連通管旁路上的調節(jié)閥則需要留有通流孔或機械限位以及間隙,以防止低壓缸完全悶缸。低壓缸進汽側裝設壓力測點和溫度測點,低壓缸進汽量作為重要的控制參數,可以通過低壓缸進出口參數和弗留格爾公式計算,也可以在旁路上加裝流量測量裝置來測量,并在分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)上做數值顯示。由于不能確保連通管調節(jié)閥的絕對密封性,若存在泄漏,則低壓缸的進汽量等于連通管泄漏量與通過旁路的流量之和,因此通過加裝孔板流量計等流量測量裝置來測量低壓缸進汽流量的方法,精確度存在較大不確定性,推薦采用弗留格爾公式計算低壓缸進汽流量。
要使汽輪機具備切缸運行能力,在系統(tǒng)上不同于常規(guī)抽凝機組的設計還包括以下幾個方面。
切缸狀態(tài)下低壓缸進汽量極小,因此切缸后低壓缸處于鼓風狀態(tài)運行,此時排汽溫度過高,會損壞凝汽器或排汽裝置,必須采用噴水降溫的方式對汽輪機排汽進行降溫。
噴頭的霧化效果取決于噴頭內壓力是否處在合適的范圍內。噴水管路是在汽輪機啟動及事故工況下使用的,其配置容量遠遠超出切缸的需求,若將其用于切缸工況,將導致兩種情況:(1)噴水霧化效果雖然好,但噴水過量,回流濕蒸汽會加快葉片水蝕速度;(2)噴水雖然適量,但霧化效果不好,仍然會加快葉片水蝕速度。因此需要增加切缸專用的小噴水管路,保證噴水適量和霧化效果。
切缸后低壓缸進汽流量小,末級、次末級、次次末級葉片均有可能處于做負功狀態(tài),鼓風發(fā)熱較為嚴重,若葉片溫度,尤其是動葉溫度超過葉片自身許用溫度,將會導致葉片損壞,給機組運行帶來安全風險,故需裝設末級、次末級、次次末級熱電偶,分別監(jiān)測末級、次末級、次次末級動葉進口溫度。
部分抽凝機組的抽汽供熱回水流至除氧器或低壓加熱器位置,導致軸封加熱器冷卻水量不足,需要通過再循環(huán)回路增加軸封加熱器的冷卻流量,以保證正常運行。
需要增設葉片顫振監(jiān)測裝置,以實時監(jiān)測末級葉片的葉頂間隙、葉片振幅,振動頻率、葉片溫度。
控制邏輯的主要內容如下:
1)將新增各壓力、溫度測點接入數字電液(Digital Electro Hydraulic, DEH)控制系統(tǒng),根據工況的不同,增加相應的報警保護邏輯,用來保護低壓缸和末級葉片;
2)梳理抽凝運行邏輯中不適用于切缸工況的邏輯,邏輯判斷機組處于切缸工況時,對這些邏輯予以屏蔽;
3)根據切缸后的機組電、熱負荷特性,優(yōu)化調整機組自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)負荷相應控制邏輯,確保機組安全、穩(wěn)定運行;
4)設置切缸狀態(tài)噴水保護邏輯,精確控制噴水量,從而實現對汽輪機排汽溫度的精確控制。
低壓缸切除及靈活運行的潛在風險主要在四個方面:葉片顫振、動靜碰磨、葉片鼓風發(fā)熱和葉片水蝕。
葉片顫振是在汽流激振力的作用下,由于汽固耦合作用所形成的自激振動,這種振動非常劇烈,振幅遠超葉片的常規(guī)振動。葉片處于顫振狀態(tài)運行,葉片發(fā)生疲勞斷裂的時間將大大提前,為汽輪機運行帶來附加風險。
葉片顫振一般出現在小容積流量下,汽輪機切缸狀態(tài)下低壓缸末級葉片的振動就非常容易落在易顫振區(qū)域,加之低壓缸進汽量極少,流場不穩(wěn)定,容易造成汽流激振力的波動,更容易發(fā)生葉片顫振。因此必須采取相應措施,避開易顫振區(qū)域。
汽輪機切缸狀態(tài)下變工況運行,末級葉片、內缸溫度變化大,溫度分布不均,引起葉頂間隙的改變,有出現動靜碰磨的風險。圖2展示了某機組切缸過程中末級葉片葉頂間隙的變化。
圖2 某機組切缸過程末級葉片葉頂間隙變化
切缸狀態(tài)運行下,低壓缸末級、次末級甚至次次末級葉片都處于做負功狀態(tài),鼓風發(fā)熱嚴重,葉片局部溫度有可能超過許用溫度,這會引起葉片剛度降低,導致葉片共振區(qū)接近工作轉速,產生共振風險。另外,排汽溫度超過排汽裝置或凝汽器的許用值,還會對其造成損壞。
如圖3所示,低壓缸排汽容積流量較小時,會在排汽區(qū)形成回流。切缸狀態(tài)下,必須通過噴水來抑制汽輪機排汽溫度,這會導致噴水被回流卷吸,噴水產生的水滴被回流夾帶,打在末級葉片的出汽邊根部,造成較為嚴重的水蝕。此區(qū)域離心應力水平高,水蝕后裂紋擴展快,隨著運行時間的日積月累,葉片的安全風險會逐漸增大,水蝕達到一定的程度即會造成葉片斷裂事故,給汽輪機的運行安全帶來較大的風險。
圖3 汽輪機低壓缸排汽區(qū)域回流示意[3]
3.1.1 基于理論研究成果避開顫振危險區(qū)域
國內外對葉片顫振均有一定的理論研究。張揚軍等[4]分析了葉片間相角和成組葉片邊緣的氣彈穩(wěn)定性對蒸汽輪機葉片顫振的影響;姜偉等[5]基于流固耦合的時域分析法對葉片顫振問題進行了數值模擬分析研究。
基于國內外在汽輪機葉片顫振方面的理論研究成果,部分改造廠商推測了發(fā)生概率較高的顫振容積流量區(qū)域,給定一個如圖4陰影區(qū)域所示禁止運行區(qū)域,機組在運行過程中避開該區(qū)域。
圖4 顫振發(fā)生區(qū)示意圖
這種基于純理論的做法存在一定的弊端。首先,葉片顫振作為葉輪旋轉機械領域的一大難題,其誘發(fā)的精確條件和在特定邊界條件下引發(fā)的精確結果至今仍在探索中,未有定論,因此禁止運行區(qū)域的設定存在很大的不確定性。其次,由于需要考慮不確定性,禁止運行區(qū)域的設置較為寬泛,大大影響了汽輪機切缸運行的靈活性,給電廠運行設置了較大的障礙。最后,由于末級葉片存在眾多的形式,如自由葉片、拉筋成組葉片、整圈自鎖葉片等,葉片形式的不同決定了誘發(fā)顫振的條件和難易程度不同。因此基于理論研究成果的方法在適用性方面存在較大的爭議。
3.1.2 基于動應力試驗避開顫振危險區(qū)域
采用無線電遙測技術對葉片動應力進行測試,是一種較為傳統(tǒng)的測量葉片動應力的方法。該方法通過貼應變片的方式測量并分析葉片動應力。
由于發(fā)射機裝在缸內,由電池供應電力,一般該系統(tǒng)工作的時間只有幾天左右,因此機組安裝調試完成后必須盡快進行試驗,并對機組切缸后所有可能的運行工況全部進行運行測試,以得出切缸狀態(tài)下的危險工況,在以后的切缸運行中予以避開。
這種方法也常用于長葉片的開發(fā)測試。這種測試方法也存在一定的弊端,由于應變片粘貼牢固性往往不足以承受葉片3 000 r/min旋轉狀態(tài)下的離心力作用和蒸汽的高速沖擊,試驗中應變片可能脫落,導致無法達到預期目標。
3.1.3 葉片振動在線監(jiān)測
葉片振動在線監(jiān)測在硬件層面一般由采集端和監(jiān)控端兩部分構成。
采集端架構如圖5所示,由轉速傳感器、電渦流傳感器、前置采集模塊、數據處理系統(tǒng)模塊和服務器構成,電渦流傳感器與轉速傳感器配合,能夠實現對葉片振幅、頻率及葉頂動靜間隙的監(jiān)測,溫度傳感器可以安裝用來輔助測量葉片的金屬溫度。
監(jiān)控端結構如圖6所示。振動信號、轉速信號、溫度信號由工控機通過通信協(xié)議連接至DEH控制系統(tǒng)。通訊卡件接入電廠DEH顯示,也可通過網絡協(xié)議傳輸至交換機,連接到電廠生產實時信息系統(tǒng),或者通過網閘、虛擬私人網絡設備和電信調制解調器連接至該系統(tǒng)提供商,進行遠程診斷服務。
圖5 葉片振動在線監(jiān)測系統(tǒng)采集端
圖6 葉片振動在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控端
該系統(tǒng)采用了葉尖定時原理[6],通過測量葉片到達傳感器的時間及相應的同步共振及異步振動的算法,計算出葉片的振動參數。這種技術之前用于航空發(fā)動機渦輪葉片的開發(fā)測試,后被用于汽輪機長葉片的開發(fā),在核電汽輪機、供熱機組、深度調峰機組上有廣闊的應用前景。
將該技術用于汽輪機低壓缸切缸運行,不僅能夠實時測量葉片的振幅、頻率,而且可以解決葉頂間隙的實時監(jiān)控問題。由于其具有實時監(jiān)控、長期監(jiān)控的特點,汽輪機一旦出現顫振,相應數據將被記錄,并在以后的運行過程中予以避開。同時在振幅、葉頂間隙超過許用值時,通過發(fā)出報警的方式,協(xié)助運行人員迅速改變機組運行工況,從而避免汽輪機進入危險工況運行。
因此,相比基于理論推測顫振危險區(qū)域和葉片動應力試驗的方法,該方案具有較大的技術優(yōu)勢。然而目前該方案硬件成本較高。
汽輪機在抽凝狀態(tài)運行,存在低壓缸最小冷卻流量,這個最小冷卻流量的設定主要考慮額定背壓下低壓缸排汽要有足夠的容積流量,防止末級葉片進入鼓風狀態(tài)??紤]到低壓缸進汽量過少引起汽流激振力的變化誘發(fā)葉片顫振問題,對于常規(guī)抽凝機組,主機廠一般不允許機組在流量低于低壓缸最小冷卻流量的情況下運行。
當汽輪機向切缸狀態(tài)切換,如圖7所示,汽輪機低壓缸的進汽壓力越低,進汽量就越少,保證低壓末葉片不做負功的最高背壓就越低。因此,需要通過降低背壓來控制葉片鼓風發(fā)熱。
圖7 低壓缸切缸運行背壓指導曲線
為了規(guī)避顫振風險,國內進行低壓缸切缸改造的一般方案為從汽輪機抽凝工況下的低壓缸最小進汽量狀態(tài)快速切換到最終切缸狀態(tài)。由于切缸狀態(tài)下低壓缸進汽量極低,因此很難通過運行調整的方式將背壓降低至葉片完全不做負功狀態(tài),故末級、次末級,甚至次次末級葉片仍有可能處于鼓風狀態(tài)運行。因此加裝末級、次末級和次次末級熱電偶是必要的。通過末3級動葉進口溫度的監(jiān)測,以及必要時增加低壓缸冷卻蒸汽量來防止葉片溫度超過許用值。
上海電氣及相關合作單位通過降低背壓的方式,保障低壓缸在更低的進汽量下充足的排汽容積流量,并通過葉片振動實時監(jiān)測的手段規(guī)避顫振風險,實現抽凝到切缸工況的平滑過渡和機組在中間工況點的停留,這種靈活性切除低壓缸的方式在汽輪機沒有必要進行完全切缸時能夠有效防止葉片鼓風發(fā)熱和排汽超溫。實際上只要背壓可以優(yōu)化到足夠低的程度,這種運行工況就能無限接近低壓缸切除工況,但其卻具有不需要噴水減溫的重大優(yōu)越性。如圖7所示,汽輪機在斜線陰影區(qū)域運行,末級葉片具有足夠的容積流量,因此不會鼓風發(fā)熱。黑色區(qū)域為通過葉片振動實時監(jiān)測獲得的出現顫振的區(qū)域,該區(qū)域不允許運行,淺色區(qū)域接近顫振區(qū),不建議在這個區(qū)域長期運行。
另一方面,在保證汽輪機運行安全的前提下,盡量降低低壓缸的進汽溫度,對于切除低壓缸運行也有較大的好處。相同的低壓缸冷卻蒸汽量下,較低的進汽溫度使得流經每一級低壓葉片的蒸汽溫度也相對較低,葉片的安全能夠得到更大的保證??梢酝ㄟ^降低采暖抽汽壓力,即中排壓力的方式來實現更低的低壓缸進汽溫度,其原理如圖8所示。該焓熵圖中給出了切除低壓缸運行狀態(tài)下,相同低壓缸冷卻蒸汽量下蒸汽從中壓缸進口到低壓缸進口兩種不同中排調整抽汽壓力設定下的蒸汽膨脹線,由圖8可見,過程2相對過程1采暖抽汽壓力更低,其低壓缸進汽溫度也更低。
圖8 兩種不同采暖抽汽壓力蒸汽膨脹線
圖9 調節(jié)級壓力或再熱壓力與推薦中排壓力曲線及相應整定值
圖9給出了基于理論計算的汽輪機調節(jié)級壓力或再熱壓力與推薦中排壓力(即采暖抽汽壓力)的關系。汽輪機切除低壓缸運行時,在滿足熱網抽汽壓力的前提下按照該曲線運行,能夠使低壓缸進汽溫度達到最低,確保汽輪機中壓葉片安全。為了保證切缸運行時低壓缸溫度不至于過度升高,圖中還給出了切缸狀態(tài)調整抽汽壓力上限,并將保護定值做進控制邏輯中,用于提醒運行人員。為防止中壓葉片,尤其是中壓末級葉片壓差過大,并防止調整抽汽壓力超限,還應對調整抽汽壓力設置最低限制,對抽汽壓力設置最高限制,并設置相應的邏輯保護。
當汽輪機不能在圖7所示斜線陰影區(qū)域運行時,低壓末級葉片就會進入鼓風狀態(tài)運行。一旦排汽溫度超過允許值,噴水裝置就會投入,以降低排汽溫度,末級葉片出汽邊根部水蝕就不可避免。因此最好的運行方式就是將運行背壓控制在斜線陰影區(qū)域,噴水裝置不投入運行。
如果因為客觀運行條件的限制,不得不采取噴水措施,則建議精確控制噴水量,使得排汽溫度能夠略高于當前背壓對應的蒸汽飽和溫度,即使排汽存在一定的過熱度,盡量減少排汽與噴水混合之后水滴的出現。這在一定程度上能夠降低水蝕的影響。
為了降低水蝕對葉片的損害作用,國內在進行低壓缸切缸改造方面也有引入葉片金屬噴涂的方案[7]。一般意義上來說,幾乎所有防水蝕措施都會或多或少降低葉片的強度等級。以超聲速火焰噴涂為例,其所產生的高溫可能導致葉片變形,并且噴涂的防水蝕效果與孔隙率、氧化物含量以及涂層成分均有關系,效果尚有待驗證。另外,對葉片底部出汽邊的高離心應力區(qū)域進行防水蝕處理,將犧牲葉片強度水平,一旦防水蝕失敗,則有加速葉片斷裂的風險。
本文介紹了汽輪機切除低壓缸運行的潛在風險,重點介紹了針對這些潛在風險可以采取的解決方案,得出如下結論:低壓缸切除及靈活運行存在葉片顫振、動靜碰磨、葉片鼓風發(fā)熱和葉片水蝕四個方面的風險。對于葉片顫振問題,可通過理論推測危險區(qū)域,使機組在運行中避開該區(qū)域,也可以通過葉片動應力試驗發(fā)現危險工況,使機組在運行中避開該工況,還可以通過葉片振動在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測并避開等方式予以防范,其中葉片振動在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較大的技術優(yōu)勢;動靜間隙可通過電渦流傳感器進行實時監(jiān)控,原理與葉片振動在線監(jiān)控系統(tǒng)測量振動相同;通過背壓的控制能夠避免低壓末級葉片進入鼓風狀態(tài),避免噴水造成的末級葉片出汽邊根部水蝕,實現靈活性切除低壓缸;通過控制中排抽汽壓力能夠在保證中壓缸葉片安全的前提下使低壓缸進汽溫度達到最低,降低低壓缸切除難度;通過精確控制噴水量,使排汽具有一定的過熱度,能夠降低水蝕對葉片的傷害。