调峰运行对汽轮机辅助设备的影响

作者：广东省粤电集团 周巧明

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 摘要：根据火电机组调峰运行方式，分析调峰运行对汽轮机辅助设备的影响。 关键词：火电机组；辅助设备；调峰运行 大机组参与调峰运行，由于起动频繁或大幅度负荷变动，要承受剧烈的温度变化和交变应力，从而缩短使用寿命。参与调峰还要求机组在一些特殊工况下长时间运行，对机组的安全和经济运行带来不利的影响。根据火电机组调峰运行方式，分析调峰运行对汽轮机辅助设备的影响。 1 给水泵 机组经常降负荷运行或频繁启、停，运行条件非常苛刻，要求给水泵不仅能在负荷大幅度变化的条件下稳定运行，而且能长期承受频繁启停过程中因压力和温度急剧变化而产生的热冲击，要求给水泵不仅具有良好的性能，而且具有更高的可靠性。机组频繁起停和长时间低负荷运行，对给水泵的不利影响主要表现在以下方面。 1.1热应力的变化导致寿命损耗 当机组停运后，因给水泵的质量很大，其热容量比管道大得多，在未完全冷却之前，泵体的 温度高于管道；热态起动时，管道内温度较低的水流入给水泵将产生热冲击，使泵体产生热应力。叶轮表面和泵壳内壁产生拉应力。在机组升负荷过程中，除氧器中的压力和温度随之升高，高温的水流入低温的泵体内，将产生热冲击，在叶轮表面和泵壳内壁产生压应力，因此，在热态起停过程中，水泵承受的是交变应力，必将导致水泵的寿命损耗。 1.2汽蚀损伤加快 在机组低负荷运行时，通常需要停运一台给水泵，此时因除氧器中压力下降，温度也降至较 低的水平，管道中积存的温度较高的水将有一部分蒸发，使汽水混合物流入泵内、叶轮中发生两相流，将会引起汽蚀和水锤现象，同时还会引起水泵振动，甚至发生动静部分摩擦。 如在低负荷期间不停给水泵，则水泵在低流量下运行同样会造成汽蚀损伤，并且还会发生水 力不平衡引起的扰动和噪声。低流量下的汽蚀多发生在叶轮叶片入口的背面损伤，特别是具有大进口直径的叶轮，在低流量时，叶片背面的汽蚀损伤更为严重。当水泵的流量降低到一定程度时，叶轮入口将产生涡流，这时将会产生给水压力的波动和脉动现象，造成叶轮入口区金属的汽蚀。 为了减缓水泵吸入压力瞬间下降危害水泵安全运行，可在水泵的入口注入凝结水，并采用自动切换式快开旁路阀进行控制，在汽机降负荷时及时地开启旁路阀。为了防止吸入管压力下降过快造成汽蚀，应适当控制降负荷速度，在正常情况下，降负荷速度不宜大于3 %/min。 1.3热挠曲 在正常运行工况下，给水泵的水温约在130～220 ℃之间，当机组因调峰停运后，泵内的存水冷水沉到泵的底部，导致泵体上下产生温差，上部温度较高，下部较低，使泵体和转子向上拱曲变形。这种热挠曲现象，一般要在停运6 h后才会逐渐消除。在存在热挠曲期间，如再起动，将会产生异常振动，甚至引起动静摩擦。最大热挠曲一般发生在停运后2 h左右，在此期间，尽量避免再起动。 为了消除给水泵的热变形，对于由汽轮机驱动的给水泵，汽轮机通常具有盘车设备，应进行连续盘车，在不具备盘车条件时，可在起动前对水泵进行预热，使水泵温度均匀分布，并尽可能使吸入管道中的水温接近除氧器中的水温，以减小对水泵的热冲击。为此，可加装一台辅助循环泵，从除氧器流经给水泵和吸管再回到除氧器进行循环，这样可以有效地保证给水泵安全起动和降低给水泵的寿命损耗。 1.4给水泵可靠性 负荷频繁大幅度变化对给水泵可靠性的影响主要表现在以下四个方面。 1）给水泵的壳体。大容量给水泵在启、停或工况突然变动时，压力和温度将发生剧烈变化，因而泵体也会产生很大的温度应力和不均匀热变形，甚至使转子与壳体之间同心度受到破坏。单壳体给水泵承受这种热冲击的能力较差，容易产生振动、磨损和泄漏等事故，因此通常采用双壳体筒形结构。双壳体给水泵对称性好，不容易产生不均匀变形。另外因内外壳体之间充满泵出口的高压水，所以内壳体结合面的密封十分可靠。但在负荷频繁大幅度变化时给水泵的外壳体要长期承受因压力和温度变化而产生的交变应力，因此必须具有足够的疲劳强度。 2）转子振动。随着机组容量的不断增大，锅炉给水泵也在向大容量和高转速方向发展。与此同时，振动在给水泵的各种事故中占有的比例越来越大。导致振动的原因非常复杂，有设计制造方面的原因，也有安装运行方面的原因。对经常变负荷运行的机组尤应注意以下问题。 大容量机组的给水泵一般采用汽轮机拖动。负荷频繁大幅度变化，给水泵要在频繁的低速盘 车和给水温度急剧变化的情况下运行。低速盘车时，因泵内密封间隙两侧没有压差，所以异物一旦混入就很难排出，如长时间滞留在密封间隙内势必会损伤叶轮和密封环，甚至可能引起抱轴事故。另外，由于给水温度急剧变化以及管路热应力的作用，壳体会产生过大变形，因此也可能引起损伤和抱轴事故。为解决这种问题，除选用合适的材料及硬度外，往往在密封环表面加工出螺旋形沟槽，以便将混入的异物沿螺旋形沟槽排出来，使密封表面不受损伤。但由于这种密封环表面形状不是平面，所以对转子的振动特性有很大影响。有时可能会使振动衰减，有时反而会产生不稳定振动。因此分析转子振动必须考虑密封环的动态特性，这种振动分析应包括稳定性分析和不平衡响应分析。通过稳定性分析确定在运行转速范围内不存在临界转速，通过不平衡响应分析确定在转子产生不平衡时转子各部位振动随转速变化的幅值，以便对密封环及轴承的形状进行研究改进。 另外，降负荷运行的机组给水泵经常需要在低流量工况下运行，这时容易产生汽蚀和压力脉 动，并且往往会因此而引起泵体和管路振动。当泵内产生汽蚀时，不稳定的汽蚀空腔周期性地堵塞叶轮流道，因而形成不稳定流动和压力脉动。这种压力脉动作用于叶轮的叶片和盖板引起水泵振动。当给水泵的流量降低到一定程度时，在叶轮的进、出口处会产生不稳定的二次回流，由此引起的压力脉动往往会使泵体和管路产生振动，在某些情况下甚至可能在泵吸入侧引起强烈的液柱喘振。 3）轴封型式。锅炉给水泵的轴封型式大致可以分为接触式和非接触式两类，前者包括压盖 填料密封和机械密封，后者包括节流衬套迷宫密封和浮动环密封。适应变负荷运行的需要，大容量机组的高压、高速给水泵宜采用非接触式轴封。尤其是节流衬套迷宫密封结构简单、可靠性高、使用方便、寿命长。由于密封部份表面加工有螺旋形沟槽，间隙可以适当放大，因此不会因异物混入而损伤密封表面。另外由于间隙的加大可以取消轴套并且在主轴表面上也可以加工出螺旋槽，取消轴套后可以防止当密封水瞬间中断、高温水喷出时因轴套急剧热膨胀而使间隙变小造成的抱轴事故。 节流衬套迷宫密封以凝结水作为密封水，密封水量的控制有温度控制和压力控制两种方式。温度控制方式是调整密封水量以控制泄漏水温度在60 ℃左右，这时密封水不进入泵内；压力控制方式是控制密封水的注入压力，使它比泵的吸入压力高0.1 MPa左右，这时密封水进入泵内。负荷频繁大幅度变动的机组，给水泵暖泵次数较多，宜采用温度控制方式以提高暖泵效率。 4）压力脉动。当泵的流量降低到某一程度时，泵内流动就开始紊乱，主要是在泵叶轮的进 、出口处出现二次回流。当流量下降到最佳流量的1/2左右时叶轮进口处的液体就有很大的切向分速可达到园周速度的60%～70%，也就是产生了强烈的预旋。如果继续降低流量达到最佳流量的1/3以下，则叶轮进口靠近前盖板处将产生回流，即已经流进叶轮叶片的一部份流体又向叶轮的吸入口回流，这种强烈旋转的二次回流在主流的冲刷下又重新流向叶轮内部，在叶轮进口处形成旋涡。特别是当这些回流混合时将产生很强的喘流，往往引起泵体和吸入管路振动，在某些情况下甚至会在吸入侧引起强烈的液柱喘振。同样，当流量降低时叶轮出口处也会出现二次回流，即一部分流体自叶轮流出后又流回叶轮内部，形成叶轮出口部分的不稳定流动和压力脉动，这种压力脉动也引起振动，主要表现为泵体和管路的振动。为预防泵在降负荷时产生压力脉动，应注意以下几点： (1)在设计时选择合适的结构参数。①增大叶轮叶片出口与导叶进口之间的径向间隙； ②适当增大叶轮轮毂直径与颈部直径之比，以降低叶轮进口处出现二次回流； ③增大叶片包角。这样可以加长叶片间流道的长度，减少流道扩散度，增加液流稳定性，减轻液流在扩散流道中产生脱流和旋涡的可能性，以便减轻叶轮出口处的压力脉动； ④适当加大叶片出口角，这样也有利于减轻出口压力脉动。 (2)在运行方面要注意调节流量，尽量避免运行流量过低。 (3)在装置设计方面注意增加管路系统刚性，防止管路振动。 2 除氧器 滑压运行的除氧器，两班制运行和大幅度改变负荷都会使壳体产生内外壁温差和热应力，在 起停和负荷波动过程中，除氧器壳体和水箱都将承受交变应力，这种交变应力在腐蚀介质的作用下将会产生腐蚀疲劳，从而造成除氧器和水箱的寿命损耗。 近年来，国内外除氧器腐蚀裂纹问题都普遍存在。造成除氧器裂纹的原因，除材质和焊接因 素外，腐蚀疲劳也是一个重要的因素。 为加强除氧器水箱的刚度，在水箱内部设置的三角支撑架，在工况变动时约束了水箱的变形，将会增加水箱的内应力，因此，国外已用加大箱体壁的办法提高水箱的刚度，而尽量避免 采用内撑结构。 为了减少除氧器的疲劳损伤，提高使用寿命，可采用如下的一些技术措施： ① 注意停用保护，控制水温变化。在停机期间，利用除氧器水箱内的加热管（又称再沸腾）加热凝结水，并保持一定的压力和温度。同时控制水质的含氧量在合格的范围内。 ② 控制水箱中水的pH值，并保持在8.5～9.6的范围内。 ③ 控制补给水的离子电导率，使其保持在规定的范围内。 ④ 控制机组负荷变化率，尤其是降负荷过程，一般情况下要求机组的负荷变化率不超过3%/ min。在起动过程中也要适当地控制水箱的温升速度。 ⑤ 注意加强无损探伤检验。 ⑥ 选用合适的材料和工艺进行内壁涂镀，并防止在运行中脱落。 ⑦ 选用可焊性较好的材质（通常选用20g钢），改进除氧器的结构设计，减小水箱的内应力。 3 高压加热器 高压加热器在起停和负荷变化时产生的热应力主要发生在管板上。正常运行中管板上的热应 力，主要是由于给水温度在加热器中的升高在进出口侧形成的温差所引起的。管板上应力的大小取决于该项温差的大小。满负荷运行时，给水温度升高约25～40 ℃，当汽机旁路投入运行时，因加热器与再热汽联通，给水温升可达到60～120 ℃。此外由于高压加热器蒸汽和凝结水之间温度和放热系数的不同，可在管板汽侧引起附加应力。 在高压加热器投运的过程中，由于加热器入口温度突出升高，将会在管板上产生热冲击。在 冷态起动时加热器水室与给水箱水温之差可达80～100 ℃，在起动时同样会产生热冲击。 如果一台高压加热器单独解列一定时间，温度下降后再投运，给水与水室的温差可能高达20 0 ℃，将会引起很大的瞬态热应力。 当高压加热器满负荷运行时，如遇给水泵掉闸，备用给水泵自动投运，给水泵和管道中的低 温水进入加热器水室将会造成严重的热冲击。 在机组的起动和停机、大幅度负荷波动等过渡工况下，高压加热器管板的进水侧是温度突变 的剧烈部位，并产生瞬态热应力。因此投运与解列或增负荷与降负荷时的热应力符号相反，所以管板承受的交变应力，从而导致管板的寿命损耗，疲劳裂纹将首先在应力最大部位的出水侧管板直径通道两端管孔边缘和入水侧邻近管孔中心的管孔边缘处产生。 为了保证高压加热器热应力及疲劳寿命损耗限定在允许的范围之内，可采取如下的一些技术 措施。 3.1适当控制温度变化率 冷态起动或工况变化时，温度变化率一般应限制在38 ℃/h，特殊情况下温度变化率可达到93 ℃，不宜再高。当温度突变50 ℃时，管板上的最大集中应力约为300 MPa，已接近管板材料的屈服极限。 现代大功率汽轮机，高压加热器投运通常都设有程序控制系统，按照给定的温升速度控制进汽门开启的速度，或间断开启，可以有效地控制温升速度，使正常投入运行。 在加热器启动时，温度尚未达到给水温度之前，可打开给水出口旁路阀，按选定的温升速率监视加热器的温升，当达到给水温度并且稳定后，再打开给水出口阀以免发生水击。 3.2保持加热器排汽畅通 在加热器启动时，要保证排气畅通，将加热器内非凝结气体排出，是保证加热器正常工作的重要条件。加热器内如有非凝结气体聚集，不但会降低加热器效率、而且还会加快部件的腐蚀。 监视加热器终端温差，可以判断排气是否畅通。但是当加热器超负荷、管束泄漏或结垢时也会引起终端温差增大，应予具体分析对待。 3.3避免加热器超负荷运行 加热器在超负荷工况运行时，蒸汽和给水都会加大加热器的工作压力，缩短加热器的使用寿命。如两台并联的加热器一台停运时，另一台将会严重的超负荷，这种工况应当避免。 3.4注意加热器停用保护 当加热器短时间停运时，应使汽侧充满蒸汽，水室内的给水应保持适当的pH值。 当加热器长时间停运时，应在完全干燥后在汽侧充入干燥的氮气，以防止停运后的腐蚀，延长加热器的使用寿命。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/1/2005)