胡 翰，陶銘鼎，田維漢，蔡震綱，粟偉明

（武漢鋼鐵有限公司，湖北武漢 430080）

1 基本情況

在鋼鐵企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)中，富余煤氣作為二次能源占總能源消耗的30%～40%。對(duì)鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的富余煤氣進(jìn)行高效利用，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（CCPP）發(fā)電技術(shù)能夠高效利用低熱值富余煤氣，通過提高自發(fā)電量降低鋼鐵生產(chǎn)外購電成本[1]。聯(lián)合循環(huán)中汽輪機(jī)的作用是利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的余熱加熱給水而得到的蒸汽做功，是一種余熱利用型動(dòng)力設(shè)備。因余熱總量只與燃?xì)廨啓C(jī)性能相關(guān)，無法按照汽輪機(jī)負(fù)荷需要的變動(dòng)而主動(dòng)調(diào)節(jié)，即要求汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)相適應(yīng)[2]。本文涉及的汽輪機(jī)為抽凝式汽輪機(jī)，是150 MW CCPP 配套余熱利用設(shè)施。在常規(guī)檢修揭缸檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)末級(jí)葉片拉金斷裂7處，葉片拉金穿孔擴(kuò)大超過安全范圍，斷葉片風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。

2 問題分析

CCPP 系統(tǒng)中，汽輪機(jī)跟隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷變化，采用滑壓運(yùn)行方式。通過全周進(jìn)汽節(jié)流調(diào)節(jié)，以多個(gè)壓力級(jí)取代常規(guī)汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)級(jí)，從而避免當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷降低時(shí)，汽輪機(jī)排汽濕度過大。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，CCPP 的運(yùn)行狀態(tài)受上游工序生產(chǎn)狀況制約，燃料系統(tǒng)波動(dòng)較大，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁，進(jìn)而導(dǎo)致了作為“終端用戶”的汽輪機(jī)工況不穩(wěn)定；此外受CCPP 余熱利用系統(tǒng)汽水能量分配影響，汽輪機(jī)系統(tǒng)不設(shè)給水加熱器及補(bǔ)汽，機(jī)組排汽量較大。以上兩個(gè)因素造成了末級(jí)葉片工作條件惡劣。末級(jí)葉片受損狀況如圖1 所示，葉片拉金斷裂，末級(jí)葉片工作面受到?jīng)_刷。拉金穿孔受損超出安全范圍后，斷葉片風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 CCPP汽輪機(jī)末級(jí)葉片受損狀況

煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的主要?dú)怏w燃料，受鋼鐵冶煉生產(chǎn)工藝制約，需要以發(fā)生量為主導(dǎo)對(duì)使用量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。在煤氣系統(tǒng)工藝中設(shè)置了氣柜、加壓站、混合站等設(shè)施，以達(dá)到減小波動(dòng)幅度、提升穩(wěn)定性的目的，但無法從根本上改變末端用戶需跟蹤發(fā)生量變化動(dòng)態(tài)調(diào)整的客觀條件。實(shí)際運(yùn)行中CCPP 燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷跟隨煤氣供應(yīng)狀況呈鋸齒狀頻繁波動(dòng)，如圖2 所示；CCPP 汽輪機(jī)負(fù)荷波動(dòng)卻較平緩，并未完全跟蹤燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷,見圖3。燃機(jī)負(fù)荷直接影響余熱總量即汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)，工況調(diào)節(jié)跟蹤滯后影響運(yùn)行狀況，進(jìn)而導(dǎo)致了汽輪機(jī)末級(jí)葉片受損。

圖2 CCPP燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)

圖3 CCPP汽輪機(jī)負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)

3 處理方案

3.1 汽輪機(jī)末級(jí)葉片更換

汽輪機(jī)末級(jí)葉片拉金孔受損擴(kuò)大后，葉片截面強(qiáng)度減弱，無法滿足運(yùn)行需求。最直接的處理方式是對(duì)末級(jí)葉片進(jìn)行更換。鋼鐵企業(yè)配套的富余煤氣利用設(shè)施是與產(chǎn)、供平衡狀況一一對(duì)應(yīng)的，設(shè)備無法投入運(yùn)行將造成煤氣放散損失，因此需最大限度縮減設(shè)備的檢修時(shí)間，保證富余煤氣得到有效利用，減少損失。汽輪機(jī)廠家加工葉片需30 天，汽輪機(jī)返廠更換葉片、動(dòng)平衡試驗(yàn)、回裝需50 天。因此采取的方式是葉片加工期間機(jī)組維持運(yùn)行，加工完成后返廠安裝。

汽輪機(jī)檢修期間高爐煤氣平均放散損失為8萬m3/h，高爐煤氣單價(jià)1 600元/萬m3，檢修50天將造成損失1 550 萬元。葉片加工期間設(shè)備維持運(yùn)行，存在末級(jí)葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)，可能造成檢修費(fèi)用增加300萬元。因此直接安排葉片更換的方式經(jīng)濟(jì)性較差、風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 末級(jí)葉片切除

采用切除末級(jí)葉片的方式可有效避免機(jī)組無法運(yùn)行的煤氣放散損失和運(yùn)行期間的葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)，但是會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行效率。根據(jù)汽輪機(jī)計(jì)算書，末級(jí)葉片拆除后各工況下功率降低2～3 MW。理論功率對(duì)比如圖4所示。

圖4 末級(jí)葉片拆除理論功率對(duì)比

采用此方式維持運(yùn)行，可將檢修時(shí)間延后至冬季，在煤氣狀況緊張的條件下開展檢修工作，降低長時(shí)間檢修期間的煤氣放散損失。發(fā)電負(fù)荷降低3 MW，電價(jià)0.6 元/kWh，檢修延期90 天，減少自發(fā)電損失為380萬元。檢修期間煤氣放散損失降低至200 萬元。該方案明顯優(yōu)于直接更換葉片的方案，直接損失減少970 萬元。為保護(hù)葉根避免沖刷變形，從根部切除末級(jí)葉片，如圖5所示。

圖5 末級(jí)葉片從根部切除

4 運(yùn)行影響分析

4.1 運(yùn)行功率分析

末級(jí)葉片切除、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子回裝后投入運(yùn)行，與正常運(yùn)行的CCPP 汽輪機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行了對(duì)比。在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷相同的條件下，汽輪機(jī)末級(jí)葉片拆除導(dǎo)致發(fā)電負(fù)荷降低的比例趨勢(shì)如圖6所示。汽輪機(jī)末級(jí)葉片拆除后，高負(fù)荷條件下功率降低6.18%；低負(fù)荷條件下功率降低4.48%。

圖6 汽輪機(jī)末級(jí)葉片對(duì)功率的影響

CCPP 汽輪機(jī)根據(jù)汽水系統(tǒng)能量分配特性，取消給水加熱器、增設(shè)補(bǔ)汽，使得機(jī)組排汽量增大，末級(jí)葉片的做功能力也相對(duì)較大。實(shí)際數(shù)據(jù)與理論均值5.62%基本吻合。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，高負(fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂递^低；低負(fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂蹈?。該特性平衡了燃機(jī)負(fù)荷波動(dòng)對(duì)余熱總量的影響，因此燃機(jī)負(fù)荷對(duì)汽機(jī)負(fù)荷影響的相關(guān)性不明顯。

4.2 機(jī)組熱效率分析

CCPP 熱效率由兩部分組成，其中燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的計(jì)算方式為：燃機(jī)熱效率=燃機(jī)發(fā)電功率/（燃?xì)鉄嶂?排氣熱值）；汽輪機(jī)熱效率為：汽輪機(jī)效率=汽輪機(jī)發(fā)電功率/（煙氣熱值-排汽熱值）。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際熱效率為51.2%，汽輪機(jī)熱效率為26.5%，聯(lián)合循環(huán)熱效率40.7%。受燃料供給壓力波動(dòng)影響，聯(lián)合循環(huán)熱效率較設(shè)計(jì)值低4.3%。末級(jí)葉片對(duì)汽輪機(jī)熱效率的影響如圖7所示。汽輪機(jī)末級(jí)葉片拆除后，低負(fù)荷條件下熱效率降低0.59%，高負(fù)荷條件下熱效率降低1.45%。受補(bǔ)汽工藝的影響，汽輪機(jī)末端排汽面積和冷凝面積較大，末級(jí)葉片的拆除未對(duì)凝汽器真空造成明顯的影響，與正常機(jī)組相同維持在-92 Pa。凝汽器真空對(duì)末級(jí)焓降變化的不敏感也進(jìn)一步說明了CCPP 配套余熱利用汽輪機(jī)末級(jí)葉片的工作狀況較惡劣。

圖7 汽輪機(jī)末級(jí)葉片對(duì)熱效率的影響

4.3 軸向推力影響分析

多級(jí)汽輪機(jī)的軸向推力是在蒸汽流動(dòng)方向上各級(jí)迭加的，單級(jí)軸向推力包括蒸汽作用在動(dòng)葉珊、葉輪輪面、汽封凸肩上的三部分軸向推力。文中汽輪機(jī)末級(jí)切除動(dòng)葉片，保留葉根，對(duì)軸向推力的影響為減去末級(jí)葉片的動(dòng)葉珊推力。根據(jù)推力計(jì)算公式[4]：

其中：F——?jiǎng)尤~珊軸向推力；

lb——?jiǎng)尤~珊長度；

δP——?jiǎng)尤~珊前后壓力差。

末級(jí)動(dòng)葉片的軸向推力為156.2 kN，總推力減少4.6%，影響較明顯。軸向推力減小對(duì)主、副推力平衡盤的工作狀態(tài)有益，主要是影響推力間隙的匹配性。推力減小后，可能會(huì)影響油膜的形成。從實(shí)際運(yùn)行狀況看，并無明顯影響。

5 結(jié)論

（1）CCPP系統(tǒng)汽輪機(jī)補(bǔ)汽工藝使得末級(jí)蒸汽流量偏大，滑壓節(jié)流控制的運(yùn)行工況與燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷跟蹤過程滯后，導(dǎo)致末級(jí)葉片運(yùn)行工況惡劣，故障率較高。

（2）采用切除末級(jí)葉片的方式，將葉片更換的長周期檢修延遲至冬季，可有效減少煤氣放散損失，避免葉片制造期間的葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)。末級(jí)動(dòng)葉片切除后機(jī)組發(fā)電負(fù)荷降低，但總體經(jīng)濟(jì)性較好。

（3）末級(jí)動(dòng)葉片切除后汽輪機(jī)運(yùn)行功率降低，高負(fù)荷條件下減少6.18%，低負(fù)荷條件下減少4.48%。燃?xì)廨啓C(jī)高負(fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂档?、低?fù)荷條件下燃?xì)鉄嶂蹈叩奶匦允沟糜酂峥偭肯鄬?duì)穩(wěn)定，末級(jí)葉片對(duì)汽機(jī)負(fù)荷的影響與燃機(jī)負(fù)荷的相關(guān)性不明顯。

（4）末級(jí)動(dòng)葉片切除后汽輪機(jī)熱效率降低，高負(fù)荷條件下減少1.45%，低負(fù)荷條件下減少0.59%。凝汽器真空對(duì)末級(jí)焓降變化不敏感。

（5）末級(jí)動(dòng)葉片產(chǎn)生的軸向推力占總推力的4.6%，切除后對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀況無明顯影響。