朱 濤

(中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗研究院, 安徽 合肥 230011)

0 引言

當汽輪機啟動與停機時，汽缸的上半部溫度與下半部溫度不同，溫差會產(chǎn)生熱應力，造成汽輪機汽缸的變形。變形較小時影響汽缸結(jié)合面密封性，導致漏汽；變形嚴重時則會導致汽輪機動、靜部分間隙變小，產(chǎn)生動靜碰磨，缸體變形還會影響軸承中心位置，引起機組劇烈振動。由于上下缸溫差大會對汽輪機產(chǎn)生嚴重危害，一般規(guī)定啟動前上下缸溫差需要小于50 ℃，否則禁止啟動[1]。機組運行過程中上下缸溫差大于50 ℃應立即打閘停機。當啟動過程中因為上下缸溫差大打閘停機，特別是熱態(tài)或極熱態(tài)啟動過程中，通常需要缸溫下降至冷態(tài)水平，上下缸溫差才會小于50 ℃，因此延誤時間較長，對電廠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。

某400 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組由一臺AE94.3A型燃氣輪機；一臺三壓、再熱、臥式無補燃自然循環(huán)汽包爐，額定蒸發(fā)量為388.2 t/h；一臺反動式、軸向排汽、抽汽凝汽式蒸汽輪機組成。2號汽輪機首次帶負荷過程中，汽輪機中壓缸上下缸溫差隨著負荷的上升，溫差逐步增大，由10 ℃升至45 ℃，嚴重威脅機組的安全運行。

1 汽缸溫差對缸體擾度的影響

根據(jù)熱彈性廣義胡克定律得到汽缸熱應力的估算式：

(1)

式中，r為泊桑系數(shù)，一般取0.25～0.30；α1為材料的線膨脹系數(shù)，單位1/℃；E為材料的彈性模量，單位MPa；θav為部件的平均溫度，單位℃；θ為部件的任一溫度[2]，單位℃。

通過汽缸體撓度計算，汽缸的熱應力越大，汽缸的擾度就越大。從式(1)可以看出,汽缸的熱應力和汽缸上下缸溫差成正比,因此控制汽缸溫差就可以控制汽缸擾度。

2 汽輪機結(jié)構(gòu)介紹

汽輪機中壓外缸采用優(yōu)質(zhì)碳素鑄鋼件(ZG230- 450)，缸體自水平中分面分為上下兩部分，缸體與低壓排汽缸為垂直法蘭面螺栓連接，中壓與低壓為順流布置。來自鍋爐的再熱主蒸汽及低壓補汽分別進入汽缸兩側(cè)的再熱主調(diào)門閥組及低壓補汽閥組，再進入汽輪機中低壓通流。該機組為中低壓合缸，因此中壓缸無排汽口，中壓排汽與低壓補汽在缸內(nèi)混合后進入低壓通流，最后軸向排入凝汽器，如圖1所示。

圖1 中壓缸剖面圖

中壓外缸為左右對稱設計，左右兩側(cè)均有再熱進汽接口及低壓補汽接口，可滿足不同電廠的鏡像布置要求。如圖2所示，再熱汽門裝于汽缸的左側(cè)，右側(cè)則安裝中壓進汽法蘭蓋，在法蘭蓋上設有疏水接口及溫度測點。低壓補汽閥組安裝于汽缸的右側(cè)，左側(cè)則安裝軸封蒸汽進汽法蘭，該蒸汽來自高壓缸的內(nèi)側(cè)汽封漏汽。

圖2 中壓外缸結(jié)構(gòu)圖

3 溫差大原因分析及采取措施

3.1 溫差測點準確性的影響

中壓外缸金屬溫度共三組六支測點，溫度測點位于外缸，測量的是外缸內(nèi)壁的溫度，分別為中壓外缸上半前金屬溫度、中壓外缸下半前金屬溫度、中壓外缸上半中部金屬溫度、中壓外缸下半中部金屬溫度、中壓外缸上半尾部金屬溫度、中壓外缸下半尾部金屬溫度。若現(xiàn)場溫度測點安裝位置與DCS畫面位置不符則會影響相應位置溫差計算的準確性，通過查看圖紙確定現(xiàn)場安裝位置與遠傳畫面位置相符。

若溫度測點插入深度不夠，則測量出的溫度會低于實際溫度，現(xiàn)場對中壓外缸溫度測點插入深度進行檢查，檢查結(jié)果滿足安裝要求。同時對熱電偶測溫元件進行重新校驗，均未發(fā)現(xiàn)問題，復裝后中壓缸上下缸溫差未發(fā)生明顯變化。

3.2 保溫對缸溫的影響

根據(jù)導熱基本定律：

(2)

式中，φ為單位時間內(nèi)傳導的熱量，單位W；k為材料的熱導率(導熱系數(shù))，單位W/(m·K)；A為散熱面積，單位m2；δ為保溫材料厚度，單位m；tw1、tw2分別為保溫材料內(nèi)外溫度，單位℃。

通過公式(2)可以得出汽輪機散熱量與保溫層厚度成反比，與保溫材料導熱系數(shù)(同時考慮保溫層密實、完好程度)成正比，即在一定厚度內(nèi)保溫層越厚,保溫材料導熱系數(shù)越低，保溫層完好、密實，則散熱慢。單位時間內(nèi)汽缸內(nèi)部散熱量少,內(nèi)壁溫度水平高[3]。

由于沖轉(zhuǎn)前保溫施工工期較短，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)中壓缸下保溫較薄，且部分區(qū)域保溫與缸體之間存在空隙，現(xiàn)場對保溫進行處理后重新帶負荷，汽輪機負荷由60 MW升至80 MW，中壓外缸上下缸溫差最大升至45 ℃，降負荷后溫差能穩(wěn)定在10 ℃左右，因此排除保溫對上下缸溫差的影響。

3.3 本體疏水對缸溫的影響

本體疏水閥后無溫度測點，無法判斷疏水是否通暢，就地將疏水管路保溫拆除，測量疏水閥前后溫度均大于200 ℃，證明疏水通暢，排除疏水不暢對上下缸溫差的影響。

3.4 負荷對缸溫的影響

調(diào)取歷史趨勢發(fā)現(xiàn)，限壓模式下汽機由74 MW升至80 MW再降至70 MW過程中，高壓主蒸汽調(diào)閥(簡稱高調(diào)閥)開度基本不變?yōu)?9%，中壓主蒸汽調(diào)閥(簡稱中調(diào)閥)由38%開至50%再關(guān)至31%，低壓補汽閥由38%開至42%再關(guān)至28%，下缸溫度變化較為明顯，由287 ℃降至274 ℃再升至280 ℃。歷史趨勢見圖3。

圖3 汽輪機升降負荷過程中中壓外缸溫度變化趨勢

結(jié)合圖1及圖2可以看出，中壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，夾層中蒸汽主要由中壓缸端部汽封漏汽、低壓補汽及高壓缸汽封漏汽構(gòu)成[4]，低壓補汽閥開啟過程中，夾層蒸汽330 ℃，低壓補汽溫度225 ℃，中壓外缸夾層與低壓補汽口及汽封漏汽為一連通腔室，且低壓補汽與汽封漏汽入口在中分面以下部位，對下缸溫度影響較為明顯，由此基本判定中壓缸上下缸溫差大主要是因為升負荷過程中低壓補汽閥開度增加，低壓補汽閥開大后低溫蒸汽在中壓外缸下缸處聚集，引起中壓外缸下缸溫下降，最終導致中壓外缸上下缸溫差變大。

4 采取的措施

4.1 運行過程中采取的措施

在DEH組態(tài)中將低壓補汽閥閥限設定在10%開度，汽輪機升負荷，高調(diào)閥和中調(diào)閥開至100%，機組帶至滿負荷，汽輪機中壓缸上下缸溫差保持在20 ℃左右，問題基本得以解決。

4.2 停機后采取的措施

對中壓缸進汽結(jié)構(gòu)進行分析后得出，造成中壓缸上下缸溫差大的主要原因為低溫的低壓補汽在中壓缸下缸聚集，通過在原有低壓補汽閥后進入汽缸處增加一段插管，該插管布置在中壓外缸和內(nèi)缸的夾層中，此時溫度較低的低壓補汽與溫度較高的高壓平衡活塞漏汽在中壓下半缸的流向相斥，以改變低壓主汽進入汽缸的流場，減少了低壓補汽在中壓下半缸的聚集，從而改變汽缸溫度場，起到優(yōu)化局部流場的作用。

通過流場計算理論分析表明，增設補汽插管后，與無插管時相比，下半缸溫度有所升高，上半缸溫度有所下降，上下部分溫差較大的問題得到了很好的改善。

改造后機組再次啟動帶負荷過程中汽輪機中壓缸上下缸溫差得到一定改善，在高負荷時，補汽閥均能正常開啟，中壓缸上缸溫度無明顯變化，下缸溫度由改造前最低253 ℃升至284 ℃，溫差控制在45 ℃以內(nèi)，問題基本得到解決。

5 結(jié)論

通過對中壓缸結(jié)構(gòu)、溫度測點的準確性、保溫材料的敷設、疏水管路及運行過程中數(shù)據(jù)的分析，找出造成上下缸溫差大的原因為低溫的低壓補汽在中壓缸下缸聚集，通過在運行中對低壓補汽進行限制及停機后對低壓補汽閥進行改造，在重新啟動過程中低壓補汽閥在機組帶負荷過程中可以正常打開，且中壓缸上下缸溫差可以控制在45 ℃以內(nèi)，確保了機組安全穩(wěn)定運行，對同類型機組類似問題的處理具有一定的借鑒意義。