宋傳教

（江蘇省國信集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210005）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源的構(gòu)架不斷改變，“高效率、環(huán)保、清潔”的發(fā)電技術(shù)成為我國火力發(fā)電技術(shù)的主要方向[1]，為了響應(yīng)國家環(huán)保政策的實(shí)施，火電機(jī)組的建設(shè)采用超超臨界參數(shù)和單機(jī)容量提高到1 000 MW等級是機(jī)組發(fā)電效率的的主要措施。超超臨界火電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)可達(dá)300 bar和600℃的超超臨界蒸汽條件，除了運(yùn)行參數(shù)和單機(jī)容量的提高，如何提升機(jī)組的一次調(diào)頻性能，維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定也是考驗(yàn)機(jī)組性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。西門子公司通過使用過載補(bǔ)汽技術(shù)[2]來提升機(jī)組在面對電網(wǎng)一次調(diào)頻考核時(shí)的負(fù)荷響應(yīng)能力，即通過增設(shè)補(bǔ)汽閥的方式來增加進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸的主蒸汽質(zhì)量流量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的力的提升。

國內(nèi)某電廠2號機(jī)組的汽輪機(jī)采用上汽引進(jìn)西門子公司技術(shù)制造的帶補(bǔ)汽閥的節(jié)流配汽機(jī)型，其額定功率為1 000 MW，汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的型號為N1000-26.25/600/600（TC4F），型式為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回?zé)岢槠?。該機(jī)組的汽輪機(jī)才用了過載補(bǔ)汽技術(shù)，用于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和運(yùn)行靈活性。2號機(jī)組自投產(chǎn)以來，補(bǔ)汽閥開啟所造成的高壓缸軸承振動問題限制了補(bǔ)汽閥在實(shí)際運(yùn)行過程中的使用。因此，研究機(jī)組在補(bǔ)汽閥開啟過程中的振動特性，獲取機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中補(bǔ)汽閥的最大允許開度，對提高機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻性能具有重要的意義。

1 過載補(bǔ)汽技術(shù)

西門子公司1 000 MW機(jī)組的汽輪機(jī)高壓缸采用標(biāo)準(zhǔn)的筒型結(jié)構(gòu)，針對不同的蒸汽參數(shù)和單機(jī)容量需求，可采用外置補(bǔ)汽閥來增加高壓缸的流量。圖1為帶補(bǔ)汽閥的全周進(jìn)汽機(jī)組高壓缸結(jié)構(gòu)圖。高壓缸的進(jìn)汽采用對稱切向進(jìn)汽的方式，在汽缸的兩側(cè)各布置一個(gè)進(jìn)汽口，進(jìn)汽口對稱布置減弱了汽流激振作用[3]。高壓缸共設(shè)兩個(gè)主汽門和兩個(gè)主調(diào)門，在主汽門后、主調(diào)門前引出一個(gè)管道將過載蒸汽引入高壓缸第五級后繼續(xù)膨脹做功，經(jīng)由管道中的補(bǔ)汽閥控制補(bǔ)汽流量。如圖1所示，在外缸與內(nèi)缸之間存在一個(gè)封閉腔室，該腔室經(jīng)由內(nèi)缸上的徑向孔與高壓缸第五級動葉后的通流部分相通，因此補(bǔ)汽閥后的壓力相當(dāng)于高壓缸第五級動葉后的通流壓力，由主蒸汽過來的補(bǔ)汽經(jīng)補(bǔ)汽閥的等焓節(jié)流過程后，溫度與壓力均明顯降低，這對于高壓缸的冷卻起到積極的作用。

圖1 帶補(bǔ)汽閥的高壓缸結(jié)構(gòu)圖

全周進(jìn)汽機(jī)組無調(diào)節(jié)級，第一級級前壓力即為調(diào)門后壓力，級前壓力正比于機(jī)組流量，進(jìn)汽溫度維持在600℃。因此，機(jī)組在VWO工況運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力才可以達(dá)到額定值，機(jī)組在THA工況運(yùn)行時(shí)未發(fā)揮出機(jī)組的全部出力潛力。高壓缸加入補(bǔ)汽閥的目的有兩個(gè)[4]：通過開啟補(bǔ)汽閥允許機(jī)組在THA工況運(yùn)行時(shí)進(jìn)汽壓力達(dá)到額定值；機(jī)組運(yùn)行時(shí)通過補(bǔ)汽閥的動作保證機(jī)組的一次調(diào)頻能力，規(guī)避機(jī)組主調(diào)門節(jié)流產(chǎn)生的節(jié)流損失。

2 補(bǔ)汽閥試驗(yàn)

對機(jī)組在不同高壓調(diào)門閥位和補(bǔ)汽閥動作下的機(jī)組軸振參數(shù)的變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的高壓缸軸振數(shù)據(jù)，分析補(bǔ)汽閥開啟對機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的安全性和可靠性影響，對提高機(jī)組的安全連續(xù)運(yùn)行具有重要的意義。本文從現(xiàn)場試驗(yàn)的角度出發(fā)，專注于主要變量，對2號機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)汽閥試驗(yàn)，獲取了機(jī)組在不同補(bǔ)汽閥開度下的高壓缸1號軸承和2號軸承軸振參數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)工況選取了機(jī)組處于515 MW和950 MW兩個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下進(jìn)行，試驗(yàn)前由機(jī)組操作員制定補(bǔ)汽閥試驗(yàn)的試驗(yàn)操作手冊、參數(shù)監(jiān)測規(guī)程以及緊急情況處理預(yù)案，試驗(yàn)過程密切監(jiān)測機(jī)組的高壓缸1號和2號軸承的軸振和軸瓦溫度等重要安全參數(shù)，待安全參數(shù)接近報(bào)警值時(shí)停止試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，并依據(jù)試驗(yàn)操作手冊結(jié)束補(bǔ)汽閥試驗(yàn)。

具體的試驗(yàn)過程為：維持機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在測試負(fù)荷點(diǎn)，在保證主蒸汽參數(shù)穩(wěn)定的前提下，在補(bǔ)汽閥可運(yùn)行的開度區(qū)間內(nèi)連續(xù)以5%～6%開度間隔改變補(bǔ)汽閥開度，每個(gè)開度值維持20～30 min，記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2及圖3分別給出了機(jī)組在515 MW負(fù)荷點(diǎn)和950 MW負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)汽閥試驗(yàn)時(shí)機(jī)組各參數(shù)隨補(bǔ)汽閥開度的變化情況。由圖2可知，試驗(yàn)過程中補(bǔ)汽閥的最大開度為27%，且在補(bǔ)汽閥開度變化的同時(shí)，通過協(xié)調(diào)控制高壓缸主調(diào)門的開度維持機(jī)組的負(fù)荷穩(wěn)定在515 MW附近，探究高壓缸轉(zhuǎn)子支撐軸承的振動幅度隨補(bǔ)汽閥開度變化的變化情況。圖3中，在950 MW工況，試驗(yàn)過程中補(bǔ)汽閥的最大開度為17.4%，且在補(bǔ)汽閥開度變化的同時(shí)，通過協(xié)調(diào)控制高壓缸主調(diào)門的開度維持機(jī)組的負(fù)荷穩(wěn)定在950 MW。隨著補(bǔ)汽閥的緩慢開啟，經(jīng)由補(bǔ)汽閥進(jìn)入高壓缸的蒸汽流量緩慢上升，高壓缸主調(diào)門的開度逐漸減小，通過高壓缸的調(diào)門蒸汽流量減小，也即通過協(xié)調(diào)控制高壓桿主調(diào)門開度的大小來維持機(jī)組負(fù)荷的穩(wěn)定。試驗(yàn)過程中，由于主蒸汽壓力的波動，主調(diào)門的開度也相應(yīng)的出現(xiàn)上下波動的現(xiàn)象。

圖2 515 MW工況補(bǔ)汽閥試驗(yàn)機(jī)組參數(shù)的變化趨勢

圖3 950 MW工況補(bǔ)汽閥試驗(yàn)機(jī)組參數(shù)的變化趨勢

515 MW負(fù)荷點(diǎn)的高壓缸轉(zhuǎn)子的1號和2號軸承的振幅變化如圖2所示，在補(bǔ)汽閥開啟前，1號軸承的軸振約為40 μm，2號軸承的軸振約為45 μm，且二者的振動幅度波動約10 μm；隨著補(bǔ)汽閥的開度逐漸增大，1號和2號軸承的軸振明顯上升，同時(shí)，振幅的波動幅度也顯著增大。在補(bǔ)汽閥開度達(dá)到27%時(shí)，2號軸承的軸振達(dá)到70 μm，振幅波動最大為20 μm，1號軸承的軸振變化更加明顯，1號軸承的軸振最大值約92 μm，且其振幅的波動值最高達(dá)40 μm，2號軸承的軸振值在補(bǔ)汽閥開度為27%時(shí)，已經(jīng)超過報(bào)警值。

在950 MW工況點(diǎn)下，高壓缸轉(zhuǎn)子的1號和2號軸承的振幅變化如圖3所示，補(bǔ)汽閥未開啟時(shí)，1號軸承的軸振約為55 μm，2號軸承的軸振約為35 μm，且二者的振動幅度波動約15 μm。與515MW工況類似，隨著補(bǔ)汽閥的開度逐漸增大，1號和2號軸承的軸振及振幅的波動幅度也顯著上升。在補(bǔ)汽閥開度達(dá)到17.4%時(shí)，2號軸承的軸振達(dá)到60 μm，振幅波動最大為30 μm，1號軸承的軸振變化更加明顯，1號軸承的軸振最大值約108 μm，且其振幅的波動值最高達(dá)50 μm，2號軸承的軸振值在補(bǔ)汽閥開度為17.4%時(shí)，軸承振動的幅值比515 MW工況的振動幅值高16 μm，對機(jī)組的安全連續(xù)運(yùn)行造成了不利的影響。

如上所述，全周機(jī)組采用對稱進(jìn)汽，不存在因部分進(jìn)汽導(dǎo)致的汽流激振，對機(jī)組高壓缸轉(zhuǎn)子支撐軸承的軸振影響較小，結(jié)合上述機(jī)組的補(bǔ)汽閥試驗(yàn)可知：補(bǔ)汽閥的開啟會引起高壓缸轉(zhuǎn)子支撐軸承軸振的顯著上升，其中1號軸承的軸振上升更為劇烈，且隨著機(jī)組負(fù)荷的上升，1號軸承的軸振的最高值和振動值的波動幅度也相應(yīng)增大。515MW工況下，補(bǔ)汽閥開度為27%時(shí)，1號軸承的軸振最大值為92 μm；950 MW工況下，補(bǔ)汽閥開度僅為17.4%時(shí)，1號軸承的軸振最大值已達(dá)108 μm。上述1號軸承的軸振變化情況表明：隨著機(jī)組負(fù)荷的增大，補(bǔ)汽閥實(shí)際允許的最大開度降低，現(xiàn)有的補(bǔ)汽閥技術(shù)在投入使用時(shí)存在較大的安全性隱患。

4 結(jié)論

1）針對國內(nèi)某電廠2號機(jī)組采用的過載補(bǔ)汽技術(shù)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，獲取補(bǔ)汽閥開啟時(shí)機(jī)組的安全參數(shù)變化特性，研究不同負(fù)荷工況下補(bǔ)汽閥開度對高壓缸1號和2號軸承振動的影響，試驗(yàn)過程中維持機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，同時(shí)，補(bǔ)汽閥開度連續(xù)以5%～6%的間隔緩慢變化，在每個(gè)開度設(shè)定點(diǎn)維持20～30 min。

2）依據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷位于515 MW工況下穩(wěn)定運(yùn)行，補(bǔ)汽閥未開啟時(shí)1號和2號軸承振動值分別為40 μmm和45 μmm，均不超過60 μmm；隨著補(bǔ)汽閥開度的不斷增大，軸承的振動也相應(yīng)的出現(xiàn)劇增，2號軸承的振動值表現(xiàn)的尤為明顯，在補(bǔ)汽閥開度為27%時(shí)，振動最大值高達(dá)92 μmm。

3）依據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)組負(fù)荷位于950 MW工況下穩(wěn)定運(yùn)行，補(bǔ)汽閥未開啟時(shí)1號和2號軸承振動值分別為55 μmm和35 μmm，均不超過60 μmm；隨著補(bǔ)汽閥開度的不斷增大，軸承的振動值上升幅度要高于515 MW工況點(diǎn)，在補(bǔ)汽閥開度僅為17.4%時(shí)，1號軸承的軸振的最大值高達(dá)108 μmm，對機(jī)組的安全連續(xù)運(yùn)行依然產(chǎn)生不利的影響。

4）補(bǔ)汽閥的投用會引起高壓缸1號和2號軸承的軸振值上升。因此，在機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，通過投用補(bǔ)汽閥來增加機(jī)組出力的運(yùn)行模式需要對補(bǔ)汽閥的可用開度區(qū)間做出一定的限制。筆者認(rèn)為，對于國內(nèi)采用過載補(bǔ)汽技術(shù)的機(jī)組，補(bǔ)汽閥的允許最大開度應(yīng)當(dāng)不超過15%。