萬 杰，唐海峰，邢閣玉，王 勇，劉金福

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;

2．神華河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113)

0 引言

當(dāng)前，大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能等可再生能源、發(fā)展智能電網(wǎng)等能源戰(zhàn)略舉措，是解決化石能源日益枯竭以及傳統(tǒng)能源開發(fā)利用所帶來的環(huán)境污染等人類共識性難題的一條有效途徑。然而，大規(guī)模消納具有強隨機波動不確定性的風(fēng)電等新能源電力，進(jìn)一步增大了電網(wǎng)的峰谷差，不僅需要依靠多種具備快速響應(yīng)速度的互補性電源，同時還需保證互補性電源自身大范圍變工況運行時的經(jīng)濟性;因而，水電與燃?xì)饣蛘呷加桶l(fā)電是互補性電源的最佳選擇［1］。在日本及部分歐洲發(fā)達(dá)國家中所占比例較高的水電是主要調(diào)峰手段;在美國，占近一半裝機容量的燃?xì)?油發(fā)電是調(diào)峰首選;而中國的能源結(jié)構(gòu)布局決定了火力發(fā)電在發(fā)電裝機構(gòu)成中的主導(dǎo)地位，必然主要依賴于火電機組的深度大范圍變負(fù)荷運行進(jìn)行調(diào)峰［2］。因此，為了提高部分負(fù)荷工況下的機組運行經(jīng)濟性，機組正常運行時一般都采用噴嘴進(jìn)汽規(guī)律。然而，火電機組雖具備良好的可控性和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，但在噴嘴調(diào)節(jié)方式下機組進(jìn)行大范圍深度變負(fù)荷運行時極易出現(xiàn)導(dǎo)致安全性和經(jīng)濟性顯著下降的故障［3－4］，尤其是電網(wǎng)中占主流的高參數(shù)火電機組。

汽輪機通過高壓調(diào)節(jié)閥門(簡稱高調(diào)門)控制進(jìn)汽量來調(diào)整其功率，機組隨負(fù)荷變化而動作頻繁。當(dāng)噴嘴配汽規(guī)律設(shè)計不佳時，就會導(dǎo)致汽輪機在變負(fù)荷運行時出現(xiàn)影響機組安全高效性的問題或故障［5－6］，許多機組為了安全起見甚至不得不采用單閥運行方式［7］，這極大地降低了機組運行經(jīng)濟性。理論及實踐證明，噴嘴進(jìn)汽規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計不僅能夠解決機組的軸系失穩(wěn)故障，而且還能解決高調(diào)門擺動等其他局部進(jìn)汽故障問題［8］。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］介紹了兩種不同機理的閥門擺動問題，并給出了基于噴嘴配汽規(guī)律優(yōu)化設(shè)計的處理方法，在實際運行試驗中取得了較好的改造效果。然而，對于由于閥體本身設(shè)計缺陷導(dǎo)致的流動失穩(wěn)故障，尤其是高參數(shù)大功率機組出現(xiàn)的嚴(yán)重故障，目前的研究成果還未給出一種有效的經(jīng)濟性解決方式。文獻(xiàn)表明:局部進(jìn)汽時也會出現(xiàn)閥體部件的強迫振動故障，甚至直接導(dǎo)致閥桿脫落出現(xiàn)安全事故［11－12］。這除與材質(zhì)、加工、熱處理、表面處理工藝及避免應(yīng)力集中的設(shè)計等有關(guān)以外，還和整個閥腔設(shè)計、設(shè)備運行調(diào)整工況、閥桿型線設(shè)計、閥的固定方式等有關(guān)。因此，對于不嚴(yán)重的故障，目前在現(xiàn)場實際中都是從機械裝配方面進(jìn)行簡單加固等處理;對于比較嚴(yán)重的故障，則需要閥體廠家對閥體部件進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計，通過更換新的閥體設(shè)備部件從根源上消除故障［13］。此外，由于其主要誘導(dǎo)因素是調(diào)節(jié)閥內(nèi)汽體流動的不穩(wěn)定性和作用在閥頭上的不均蒸汽力［14－16］，所以，也有學(xué)者提出通過改善流動失穩(wěn)高調(diào)門的運行方式，盡量避免讓汽輪機在某一閥較小開度下運行的解決方式;但是，也會導(dǎo)致出現(xiàn)影響機組運行經(jīng)濟性的問題。然而，對于一些實際中更加嚴(yán)重的故障，尤其是目前得到廣泛推廣的高參數(shù)超臨界機組出現(xiàn)的閥門內(nèi)蒸汽流動失穩(wěn)故障，單純依靠限制閥門開度和簡單加固閥門本體機械等方式無法解決。因為，高參數(shù)機組的閥門內(nèi)流體流動失穩(wěn)故障不同于普通機組，故障出現(xiàn)的閥門開度由單一點演化為一個區(qū)間，出現(xiàn)閥體本身強烈振動甚至伴隨蒸汽管道的強烈振動現(xiàn)象;因此，在某些負(fù)荷區(qū)間只能切換至單閥方式運行，而在停機時則需要通過更換新的閥門本體部件才能徹底解決此故障。

本文針對高參數(shù)汽輪機高調(diào)門內(nèi)的汽流流動失穩(wěn)故障進(jìn)行了相關(guān)研究，基于故障機理分析提出了一種新的經(jīng)濟性現(xiàn)場處理方法:對汽輪機高調(diào)門配汽規(guī)律進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計。最后，通過實際中2 臺超臨界機組在部分負(fù)荷時出現(xiàn)的流動失穩(wěn)故障處理，驗證了本方法的有效性:高調(diào)門進(jìn)汽規(guī)律優(yōu)化不僅能夠抑制高壓轉(zhuǎn)子由于受不平衡汽流力產(chǎn)生汽流激振問題，而且還能夠改善調(diào)節(jié)閥內(nèi)的氣流不穩(wěn)定流動問題;不僅避免了機組直接切換至單閥方式進(jìn)行節(jié)流運行，而且還避免了機組停機更換閥體設(shè)備部件給電廠帶來的很大經(jīng)濟損失。這對提高超(超)臨界等高參數(shù)大功率機組的設(shè)計及安全高效地進(jìn)行深度變負(fù)荷運行等具有一定的科學(xué)理論意義和工程實踐價值。

1 高調(diào)門內(nèi)汽流的流動失穩(wěn)故障

1．1 故障案例概述

某電廠配備2 臺超臨界660 MW 空冷機組，主蒸汽進(jìn)汽時為兩個主汽門帶四個高調(diào)門，高調(diào)門噴嘴布置如圖1 所示，四個高調(diào)門GV1 ～GV4 對應(yīng)噴嘴組具有不同噴嘴數(shù)目。為了提高機組變負(fù)荷運行時的經(jīng)濟性，降低調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，機組投產(chǎn)試運行后開始切換并投運順序閥，噴嘴規(guī)律為GV1 +GV3 →GV4 →GV2，能夠在保證瓦溫和軸振滿足要求的條件下順利投運順序閥。然而，機組投運順序閥一段時間后發(fā)現(xiàn)，兩臺機組高調(diào)門GV4 都在27%開度附近以及GV2 在20%開度附近(正好位于長期停留運行的600 MW 負(fù)荷和660 MW 負(fù)荷工況區(qū)域)都存在強烈的閥體激振現(xiàn)象，嚴(yán)重時還伴隨其前面的主蒸汽管道都強烈振動導(dǎo)致閥桿多次脫落，存在極大的安全隱患。為此，機組只能降參數(shù)運行來躲避閥體激振點，甚至在某些工況下不得不切換至單閥方式運行，但這使得機組偏離了最優(yōu)運行工況對經(jīng)濟性產(chǎn)生了一定影響。此外，與本電廠配備相同類型機組的另外一個電廠的兩臺超臨界機組，在進(jìn)行變負(fù)荷運行時也出現(xiàn)了類似故障。

圖1 主汽閥及高調(diào)門的配置圖

1．2 故障機理概述

調(diào)節(jié)閥的閥體激振問題實際上就是一種流動失穩(wěn)故障，是由內(nèi)部汽流的流動引起的，研究證明:調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的復(fù)雜非定常湍流運動會產(chǎn)生不斷增長并向外擴散的擾動，可能會造成汽流的不穩(wěn)定，進(jìn)而引起閥門工作的不穩(wěn)定，即出現(xiàn)汽流激振現(xiàn)象;并且，其一般的綜合表現(xiàn)為閥桿的橫向或軸向振動［12］。汽輪機調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流動是復(fù)雜的非定常三維可壓縮湍流流動，流動中產(chǎn)生的擾動不斷增長并向外擴散，就可能會造成氣體流動的不穩(wěn)定，進(jìn)而引起閥門工作的不穩(wěn)定，影響汽輪機的安全運行。文獻(xiàn)［16］對汽輪機常用的型線閥和球型閥的不穩(wěn)定工況和振動工況進(jìn)行了研究，并給出了流動失穩(wěn)的故障機理:隨著閥門升程的不斷增大，壓差也不斷的增大，此時閥碟附著流和閥座附著流的反復(fù)交變，氣流對閥碟的作用力也達(dá)到最大;如果閥門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料和運行工況對應(yīng)的閥門系統(tǒng)阻尼不能抑制氣流激振力的作用，閥桿/閥碟系統(tǒng)可能發(fā)生強迫振動。并且，高調(diào)門的汽流流動失穩(wěn)是一類普遍存在的故障，尤其是在高參數(shù)機組上，由于故障嚴(yán)重程度不同，進(jìn)而表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象明顯程度也就不同。

2 故障的一種經(jīng)濟性解決方法

2．1 基于噴嘴配汽設(shè)計的故障解決方法

通常，如果要徹底消除這個問題只能通過對閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法來解決［13－14］。并且，實際中機組一旦出現(xiàn)此問題運行人員一般采取降低運行參數(shù)躲避閥體振動區(qū)間，或者直接切換至單閥方式運行。然而，這對于實際運行中的汽輪機來講都是非常不經(jīng)濟的。因為，非計劃性停機檢修更換閥門本體設(shè)備，會給電廠帶來很大的經(jīng)濟損失;而降參數(shù)或者直接切換至單閥方式運行也會影響機組運行經(jīng)濟性。此外，根據(jù)故障機理可知:更換新的閥門本體設(shè)備也不能完全保證其他負(fù)荷點不存在嚴(yán)重的流動失穩(wěn)故障;因此，即便是計劃停機更換閥體設(shè)備部件，不僅會給電廠帶來造價很大的工程，而且也可能還會存在問題不能根除的風(fēng)險。

目前，理論分析和實踐改造都已證明:通過改變進(jìn)汽規(guī)律可以改變調(diào)節(jié)級后汽流流場，對解決高壓缸內(nèi)的汽流力產(chǎn)生的軸系激振問題具有很好的實踐效果［4，8］。同時，由于機組調(diào)門對應(yīng)的噴嘴組數(shù)目是不同的，因此調(diào)門內(nèi)的流場穩(wěn)定性自然也會存在不同。并且，流動穩(wěn)定性還受到運行條件的影響，壓力、調(diào)門開度等。所以，本文提出一種基于高壓調(diào)節(jié)閥門的進(jìn)汽規(guī)律優(yōu)化的改進(jìn)方案來解決閥體內(nèi)的流動失穩(wěn);由于可以通過直接在線修改噴嘴進(jìn)汽規(guī)律來解決此故障，因此是一種經(jīng)濟性解決方法。

2．2 改進(jìn)方案的考核及論證

由于超臨界機組初參數(shù)高，因此，在進(jìn)行順序閥運行前，還需要進(jìn)行詳細(xì)校核噴嘴配汽規(guī)律對機組軸系穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響，以保證機組能夠順利、安全的投入順序閥運行。因此，基于對角進(jìn)汽策略的安全性保證前提，可供選擇的改進(jìn)方案有以下三種:

(1)改進(jìn)方案一:GV2 +GV4 →GV3 →GV1;(2)改進(jìn)方案二:GV1 +GV3 →GV2 →GV4;(3)改進(jìn)方案三:GV2 +GV4 →GV1 →GV3。

為了獲取最優(yōu)改進(jìn)方案，需要進(jìn)行閥門開關(guān)試驗。依次進(jìn)行上述3 種方案和考核試驗，特別注意的是在調(diào)整高壓調(diào)節(jié)閥門開度時，每一步高壓調(diào)節(jié)閥門開度的調(diào)整量要盡可能小，以保證試驗過程的平穩(wěn)。首先，為了驗證每一套方案對機組軸系穩(wěn)定性的影響，試驗時需要大范圍變化4 個高壓調(diào)節(jié)閥門的開度，觀察機組的軸振和瓦溫等變化狀況。因此，主汽壓和4 個高壓調(diào)節(jié)閥門的控制都需改為手動模式;并且，為了測試方案對抑制氣流流動失穩(wěn)的有效性，機組還需要在幾個關(guān)鍵閥位上進(jìn)行大范圍不同主汽壓力下的變負(fù)荷考核試驗，確保機組能夠進(jìn)行正?；瑝哼\行調(diào)節(jié)。此外，在試驗過程中，如果某種閥門順序開啟試驗的振動、瓦溫、瓦振發(fā)生異常，出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，以致危害機組安全，則迅速停止該種試驗，然后，進(jìn)行下一種方案考核試驗。其中，2 臺機組的最優(yōu)方案考核試驗過程如圖2 和圖3所示，由于第一臺機組的第二套方案存在嚴(yán)重的流動失穩(wěn)故障，因此，在第二機組上只對方案一和三進(jìn)行了考核論證。

圖2 機組一的方案考核試驗過程

圖3 機組二的方案考核試驗過程

表1 機組一在不同噴嘴規(guī)律下的高調(diào)門內(nèi)流動狀況

試驗過程中主要考核不同噴嘴進(jìn)汽方案下是否存在流動失穩(wěn)故障及軸系穩(wěn)定性情況，主要考核指標(biāo)如表1 和表2 中所示。由于目前2 臺機組的流動失穩(wěn)故障點出現(xiàn)在一個典型的調(diào)門節(jié)流區(qū)間，即第三個和第四個開啟高調(diào)門的常運行閥位區(qū)間20% ～30%，因此，需在幾個關(guān)鍵閥位點和負(fù)荷點做較為細(xì)致的考核。以第一臺機組的考核結(jié)果為例，是否存在流動失穩(wěn)故障作為最重要的考核評價指標(biāo)，因此，在試驗過程中機組一旦發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重流動失穩(wěn)，可直接終止此試驗而進(jìn)行下一方案考核試驗;所以，表1 中需要對負(fù)荷點和閥位點等做好記錄，而表2 中的則無須做記錄。表中，試驗工況點“1”為全周進(jìn)汽進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)時的閥門流動狀況、軸振及瓦溫，以便作為衡量軸系穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn);試驗工況點“2 ～8”對應(yīng)方案一的三閥全開以及兩閥全開的幾個典型工況點;試驗工況點“9 ～12”對應(yīng)方案二的三閥全開的幾個典型工況點;試驗工況點“13 ～18”對應(yīng)方案三的三閥全開以及兩閥全開的幾個典型工況點。

通過表1 和表2 的試驗數(shù)據(jù)對比，可以看出對于第一臺機組方案一即可以避免機組出現(xiàn)調(diào)門流動失穩(wěn)故障，又可以保證機組的軸系穩(wěn)定達(dá)到基本與單閥相當(dāng)?shù)乃?。對第二臺機組的考核試驗結(jié)果也得到了同樣的結(jié)果。此外，通過論證分析發(fā)現(xiàn):方案一和方案三下的調(diào)門流動比較穩(wěn)定的主要原因在于，GV2 和GV4 的噴嘴總數(shù)目遠(yuǎn)多于GV1 和GV3的噴嘴總數(shù)目，因此，先開啟GV2 和GV4 時機組的流量已經(jīng)達(dá)到額定流量60%以上，因此，第三閥和第四閥所承擔(dān)的流量較少，流體對閥門的作用力就

表2 機組一在不同噴嘴規(guī)律下的軸系穩(wěn)定性

3 實際機組的故障處理及改造效果

進(jìn)行實際故障處理時，將優(yōu)化后的調(diào)門開啟規(guī)律改到機組的DEH 閥門管理程序中，通過一段時間較長的實際運行效果來驗證方法的有效性。同時，為了避免由于閥門管理優(yōu)化改造影響機組正常運行所帶來的經(jīng)濟損失，本次優(yōu)化通過采用閥門管理的在線修改技術(shù)，機組運行期間即可完成配汽優(yōu)化改造。首先，機組在單閥方式下運行，將機組原來的配汽規(guī)律函數(shù)備份后，再將機組新的配汽規(guī)律修改至DEH 閥門管理中。然后，在單閥狀態(tài)下，調(diào)整機組的主蒸汽壓力和負(fù)荷，由單閥切換成順序閥方式運行;在順序閥狀態(tài)下，按正常方式進(jìn)行變負(fù)荷運行一段時間，并且記錄在改變機組負(fù)荷過程中機組的振動、瓦溫以及閥體是否振動等情況。在線改造完畢后，機組切換至順序閥正常運行時，在300 ～660 MW 負(fù)荷區(qū)間正常運行時，已經(jīng)不存在高調(diào)門的振動問題，危及機組安全高效運行的隱患得到了妥善處理。而且，機組的軸系穩(wěn)定性基本與優(yōu)化前的水平相當(dāng)，故障得到妥善處理。

此外，利用高調(diào)門內(nèi)流動失穩(wěn)的這種經(jīng)濟性解決方法，對另外一個電廠的其他兩臺存在類似問題的超臨界空冷機組也進(jìn)行了實際故障處理，同樣也取得了較好的優(yōu)化改造效果。因此，本方法具有一定的工程實用性。

4 結(jié)論及展望

本文針對火電機組進(jìn)行深度變負(fù)荷運行時出現(xiàn)的由于閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計等缺陷導(dǎo)致的閥體內(nèi)流動失穩(wěn)而出現(xiàn)強烈激振的問題進(jìn)了相關(guān)研究，得到了如下結(jié)論:

(1)提出了一種基于高調(diào)門噴嘴配汽規(guī)律優(yōu)化的經(jīng)濟性解決方法:通過在線優(yōu)化改造噴嘴配汽規(guī)律，不僅避免了機組降參數(shù)運行甚至直接切換至單閥方式運行所帶來的運行經(jīng)濟性下降問題，而且還避免了非計劃性停機檢修以及直接更換閥體設(shè)備等給電廠帶來的額外運營成本，保證了機組的安全穩(wěn)定性和高效經(jīng)濟性;

(2)通過對幾臺實際機組進(jìn)行優(yōu)化改造試驗，驗證了該方法的有效性和實用性:高調(diào)門進(jìn)汽規(guī)律優(yōu)化不僅能夠改變局部進(jìn)汽時的高壓轉(zhuǎn)子受力狀態(tài)，抑制高壓轉(zhuǎn)子由于受不平衡汽流力產(chǎn)生汽流激振問題，改善機組深度變負(fù)荷運行時的軸系穩(wěn)定性;而且，還能夠改善高調(diào)門內(nèi)的氣流流動失穩(wěn)問題，解會相對減小，與閥門產(chǎn)生共振的機率就會減小。試驗工況點“9 ～12”的結(jié)果也揭示了這一問題根源，GV4 對應(yīng)噴嘴數(shù)目最多，因此，同樣閥門開度時流過的蒸汽量就會偏多，作用在閥門本體上的汽流力就會最大，極易發(fā)生共振問題;所以，當(dāng)GV4 的閥門開度減小時，流動也逐漸趨于穩(wěn)定。決由此產(chǎn)生的高壓調(diào)節(jié)汽門閥體強烈振動問題。

本文不僅對提高大功率火電機組深度變負(fù)荷運行時的安全高效性具有極大的工程實踐價值，而且對國內(nèi)外今后將會得到大規(guī)模發(fā)展的超(超)臨界機組的優(yōu)化設(shè)計也具有一定的借鑒意義。

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