劉啟凡

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗研究院，西安 710016）

0 引言

在汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，通常把調(diào)節(jié)級室及機(jī)組抽汽點(diǎn)（凝汽式機(jī)組除末兩級抽汽）的壓力稱為監(jiān)視段壓力。監(jiān)視段壓力與通流量近乎成正比，監(jiān)視段壓力變化基本可以反映蒸汽流量的變化、負(fù)荷的高低，因此利用監(jiān)視段壓力的變化可以判別汽輪機(jī)通流部分是否存在結(jié)構(gòu)損壞、異物堵塞及汽輪機(jī)性能優(yōu)劣變化等情況[1]。目前，針對汽輪機(jī)通流出現(xiàn)問題分析方法眾多：通過計算機(jī)組抽汽段級效率判斷各抽汽段是否存在效率下降；應(yīng)用弗留格爾式對汽輪機(jī)變工況進(jìn)行計算、性能分析診斷和汽輪機(jī)內(nèi)部缺陷判斷[2-3]；徐大懋等[4]提出的“特征通流面積”等解決汽輪機(jī)性能偏離設(shè)計或原有工程運(yùn)行值的問題。本文根據(jù)機(jī)組A修前后性能及監(jiān)視段參數(shù)變化，應(yīng)用“弗留格爾式”、“特征通流面積”等方法對機(jī)組調(diào)節(jié)級壓力、熱耗率升高原因進(jìn)行分析。

1 問題概述

某電廠1號汽輪機(jī)組為350 MW，NJK350-24.2/566/566型、超臨界、兩缸兩排汽、一次中間再熱、表面凝汽式、間接空冷機(jī)組，于2015年9月28日投產(chǎn)。1號機(jī)組2020年11月22日至2021年1月18日進(jìn)行A級檢修，共計58 d。某電力試驗研究院對該機(jī)組進(jìn)行A修前、后性能試驗工作，分別于2020年6月和2021年4月完成性能試驗工作。試驗采用美國機(jī)械工程師學(xué)會ASME PTC6-2004《汽輪機(jī)性能試驗規(guī)程》，并參照GB 8117－2008《電站汽輪機(jī)熱力性能驗收試驗規(guī)程》有關(guān)部分執(zhí)行，相關(guān)試驗儀器均在檢定有效期內(nèi)。A修后試驗發(fā)現(xiàn)：1號機(jī)組同負(fù)荷、同初終參數(shù)情況下調(diào)節(jié)級壓力升高1.03 MPa，機(jī)組出力受限，機(jī)組A修后熱耗率明顯高于A修前熱耗率，各缸效率也同比下降。

2 相關(guān)理論

2.1 熱耗率與流量、熱量、功率、效率之間關(guān)系

汽輪機(jī)熱耗率是反映熱力性能的重要指標(biāo)，對于汽輪機(jī)熱耗率，式（1）揭示了熱耗率與流量、熱量、功率、效率之間關(guān)系。經(jīng)過推導(dǎo)，可以得到式（2）功率與熱耗率、流量的關(guān)系，或者式（3）流量與熱耗率、功率的關(guān)系：

式中：HR為熱耗率，kJ/（kW·h）；m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；Δq為單位質(zhì)量流量工質(zhì)吸熱量，kJ/kg；P為汽輪發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；ηt為工質(zhì)動力循環(huán)熱效率，%；ηoi為汽輪機(jī)相對內(nèi)效率，%；ηg為發(fā)電機(jī)效率，%；ηm為機(jī)械效率，%。

1）依據(jù)式（1）分析熱耗率與分母4個效率的關(guān)系，其中，發(fā)電機(jī)效率和機(jī)械效率已經(jīng)很高，且變化不大，可以看做常數(shù)A。影響熱耗率的主要因素為：工質(zhì)動力循環(huán)熱效率和汽輪機(jī)相對內(nèi)效率，若這兩個效率發(fā)生變化，必然造成熱耗率變化。

2）依據(jù)式（2）分析功率與工質(zhì)質(zhì)量流量、單位質(zhì)量流量工質(zhì)吸熱量、熱耗率、效率之間的關(guān)系。在相同功率下，若工質(zhì)質(zhì)量流量增加，可以得出熱耗率是增加的基本結(jié)論。

3）依據(jù)式（3）分析流量與功率、單位質(zhì)量流量工質(zhì)吸熱量、熱耗率、效率之間的關(guān)系。在相同流量下，若功率減小，可以得出熱耗率是增加的基本結(jié)論。

2.2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級和各監(jiān)視段壓力

根據(jù)弗留格爾式，監(jiān)視判斷汽輪機(jī)通流部分是否正常，如：應(yīng)用調(diào)節(jié)級壓力變化，分析汽輪機(jī)主蒸汽流量的大小與變化，根據(jù)汽輪機(jī)各監(jiān)視段壓力的大小與變化，分析汽輪機(jī)通流部分狀態(tài)，工質(zhì)從一個狀態(tài)變化為另一個狀態(tài)的過程壓力變化，分析系統(tǒng)阻力變化情況。

弗留格爾式對于某一級組壓力計算的經(jīng)典式有如下關(guān)系式[5]：

式中：G為變工況前級段流量，kg/s；T0為變工況前級段溫度，℃；p0為變工況前級段級前壓力，MPa；p2為變工況前級段級后壓力，MPa；G1為變工況后級段流量，kg/s；T01為變工后級段溫度，℃；p01為變工況后級段級前壓力，MPa；p21為變工況后級段級后壓力，MPa。

若變工況前后機(jī)組均為臨界狀態(tài)，機(jī)組的流量與機(jī)組前的蒸汽壓力成正比，即

2.3 汽輪機(jī)特征通流面積理論

徐大懋等[4]提出的特征通流面積計算模型是基于弗留格爾式基礎(chǔ)上的改進(jìn)型式，具有較高的計算精度，其定義的特征通流面積F為

式中：ε為級段出口與進(jìn)口壓力之比，ε=p2/p0。

級組變工況后，級組的特征通流面積變化率δF定義式為

式中：Fb為某一變工況特征通流面積，m2；Fj為基準(zhǔn)工況特征通流面積，m2；ΔFi為變工況與基準(zhǔn)工況特征通流面積變化值，%。

對于同一級組若性能不發(fā)生變化，其特征通流面積理論上是一固定常數(shù)，不隨級組參數(shù)變化而變化，因此利用特征通流面積理論可對級組變工況進(jìn)行分析計算，若δF增大，表示通流能力增大；若δF減小，表示通流能力減弱。

3 汽輪機(jī)熱力性能變化

3.1 熱耗率變化

機(jī)組熱耗率是衡量熱電廠經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，也用來評價機(jī)組檢修效果。1號汽輪機(jī)組經(jīng)過A級檢修，經(jīng)對A修后試驗結(jié)果進(jìn)行分析并與A級檢修前同等工況試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：三閥全開工況（3VWO）和熱耗率驗收工況（THA、75%THA、50%THA） 熱耗率升高149.68～346.43 kJ/（kW·h），具體數(shù)據(jù)如表1所示。A修后機(jī)組熱耗率的升高，表明機(jī)組經(jīng)過A修性能不僅沒有提升，反而降低，應(yīng)用理論基礎(chǔ)分析，機(jī)組在同樣的出力情況下需要的新蒸汽流量增大，機(jī)組通流效率下降，A修后機(jī)組能耗升高。

表1 A修前后試驗工況下熱耗率kJ/(kW·h)

3.2 缸效率變化

汽輪機(jī)缸效率反映汽輪機(jī)性能的優(yōu)劣，通過A修前后THA工況汽輪機(jī)各缸效率分析汽輪機(jī)性能的變化，具體數(shù)據(jù)如表2所示。THA工況機(jī)組高壓缸效率為82.59%，比A修前高壓缸效率低1.41%。THA工況機(jī)組中壓缸效率為91.82%，比A修前中壓缸效率高1.50%。THA工況機(jī)組低壓缸效率為83.44%，比A修前低壓缸效率低1.35%。名義中壓缸效率上升，根據(jù)高中壓缸合缸汽輪機(jī)特點(diǎn)，結(jié)合A修后試驗測算出機(jī)組高中壓缸合缸處漏汽量占再熱蒸汽流量份額的2.74%，相對于A修前高中壓合缸處漏汽量占再熱蒸汽流量份額偏大1.09%，實際中壓缸效率是下降的。A級檢修后缸效率下降是機(jī)組熱耗率增大的最主要原因，影響缸效率下降的原因在于汽輪機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的前提下有通流部分汽封間隙增大，動、靜葉片表面粗糙度增加等。

表2 機(jī)組缸效率

3.3 端部汽封漏汽情況

通過軸封加熱器溫升可以判斷高、中壓缸端部汽封漏汽量變化情況，對比A修前后THA工況軸封加熱器溫升數(shù)據(jù)（如表3），A修前THA工況軸封加熱器平均溫升為1.34 ℃，A修后THA工況軸封加熱器平均溫升為3.01 ℃，A修后軸封加熱器溫升增大間接說明高、中壓缸端部汽封漏汽量增大，影響機(jī)組熱耗率升高。

表3 軸封加熱器溫升

4 調(diào)節(jié)級壓力升高

4.1 監(jiān)視段壓力

現(xiàn)代汽輪機(jī)設(shè)計監(jiān)視段壓力，就是按照通流部分蒸汽流量與監(jiān)視段壓力近似線性關(guān)系分析機(jī)組通流問題。表4中給出1號機(jī)組A修前后在同負(fù)荷、同初終參數(shù)情況下機(jī)組發(fā)電機(jī)功率和各監(jiān)視段壓力值，機(jī)組A修后調(diào)節(jié)級壓力升高1.03 MPa，其它監(jiān)視段壓力變化不大，對比A修前后調(diào)節(jié)級壓力至一抽壓力差值，A修前為9.95 MPa，A修后為11.19 MPa，升高1.24 MPa，說明機(jī)組通流問題發(fā)生在調(diào)節(jié)級至一抽通流段。表5中給出1號機(jī)組在同調(diào)節(jié)級壓力、同初終參數(shù)情況下機(jī)組發(fā)電機(jī)功率和各監(jiān)視段壓力值，機(jī)組A修后出力減少21 MW，進(jìn)一步驗證機(jī)組通流出現(xiàn)問題。

表4 A修前后同功率、同初終參數(shù)監(jiān)視段壓力對比

表5 A修前后同調(diào)節(jié)級壓力、同初終參數(shù)機(jī)組功率對比

4.2 高壓缸特征通流面積

通過監(jiān)視段壓力分析，機(jī)組通流問題主要發(fā)生在調(diào)節(jié)級至一抽通流段。應(yīng)用特征通流面積理論計算分析數(shù)據(jù)見表6，A修后350 MW工況調(diào)節(jié)級到一抽特征通流面積比A修前調(diào)節(jié)級到一抽特征通流面積減少量為11.75%，一抽到二抽特征通流面積變化不大，再次說明機(jī)組通流部分發(fā)生問題的部位在調(diào)節(jié)級至一抽通流段。

表6 A修前后試驗工況機(jī)組特征通流面積變化

4.3 調(diào)節(jié)級壓力升高原因分析

A修后發(fā)現(xiàn)機(jī)組調(diào)節(jié)級壓力異常升高，其原因有：1）葉片結(jié)垢，由于機(jī)組調(diào)節(jié)級壓力異常升高是發(fā)生在機(jī)組A修后，可以排除葉片結(jié)垢導(dǎo)致的通流面積減少；2）汽輪機(jī)水沖擊導(dǎo)致葉片變形造成通流面積變小，這種情況發(fā)生機(jī)組抽汽段參數(shù)都會成比例升高，但從一抽至五抽抽汽段壓力變化不大，可以排除汽輪機(jī)水沖擊導(dǎo)致葉片變形；3）通流部分有異物堵塞，調(diào)節(jié)級后通流級靜葉葉片有異物卡塞導(dǎo)致通流面積減少；4）調(diào)節(jié)級壓力取壓管來自調(diào)節(jié)級后內(nèi)缸疏水管，該疏水管存在損壞，造成蒸汽旁通至高壓缸內(nèi)外缸夾層。

通過以上分析，結(jié)合該廠曾發(fā)生2號機(jī)組投產(chǎn)后調(diào)節(jié)級壓力明顯高出1號機(jī)組約1 MPa現(xiàn)象，2號機(jī)組揭缸發(fā)現(xiàn)高壓內(nèi)缸疏水管安裝時未插入外缸疏水孔，具體如圖1所示，經(jīng)檢修恢復(fù)后，2號機(jī)組啟動后調(diào)節(jié)級壓力恢復(fù)正常，1號機(jī)組此次調(diào)節(jié)級壓力升高不排除是由于高壓內(nèi)缸疏水管安裝時發(fā)生類似現(xiàn)象導(dǎo)致。

圖1 高壓內(nèi)缸疏水管

5 結(jié)論

通過機(jī)組級效率理論、弗留格爾式和特征通流面積理論等相關(guān)知識，結(jié)合對機(jī)組A修后經(jīng)濟(jì)性下降和調(diào)節(jié)級壓力升高問題進(jìn)行理論分析顯得更加準(zhǔn)確，得出機(jī)組A修后經(jīng)濟(jì)性下降原因是汽輪機(jī)缸效率下降造成，造成汽輪機(jī)缸效率下降的原因是通流部分各級葉柵表面粗糙，蒸汽流動“摩阻”增大；汽封間隙調(diào)整不當(dāng)或機(jī)組啟動過程中發(fā)生碰磨現(xiàn)象導(dǎo)致汽封漏汽量增大等，機(jī)組缸效率下降進(jìn)而導(dǎo)致熱耗率增大；機(jī)組A級檢修后汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級壓力升高發(fā)生故障的位置在機(jī)組調(diào)節(jié)級至一抽通流段。

針對汽輪機(jī)經(jīng)過A修后出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性下降等問題，建議各電廠在汽輪機(jī)A修過程中應(yīng)嚴(yán)格把控檢修工藝工序及流程，按照相關(guān)檢修技術(shù)要求執(zhí)行和把關(guān)，避免出現(xiàn)類似檢修事故。