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1 低壓缸切除進(jìn)汽運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)介紹

1.1 小容積流量工況運(yùn)行對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性的影響

動(dòng)葉根部開始出現(xiàn)脫流及其后容積流量更小的工況稱為小容積流量工況。

一般而言，隨著低壓缸末兩級(jí)葉片容積流量減小，首先會(huì)在動(dòng)葉根部出口位置產(chǎn)生沿圓周方向的渦流，動(dòng)葉根部流線出現(xiàn)向上傾斜，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象；繼續(xù)減小容積流量，動(dòng)葉根部出口位置的渦流區(qū)域與脫流高度增加；進(jìn)一步減小容積流量，則不但渦流區(qū)域與脫流高度更大，而且會(huì)在噴嘴和動(dòng)葉間隙出現(xiàn)渦流，這一渦流以接近葉頂圓周速度沿圓周方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)相對(duì)容積流量減小至4%左右時(shí)，動(dòng)葉后渦流區(qū)域幾乎充滿整個(gè)動(dòng)葉流道，動(dòng)葉內(nèi)流線呈對(duì)角線，動(dòng)葉、靜葉間間隙渦流擴(kuò)大至大部分流道。

1.2 低壓缸末兩級(jí)葉片鼓風(fēng)工況運(yùn)行安全性分析

汽輪機(jī)級(jí)的容積流量大幅減小時(shí)，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度減小，甚至為負(fù)值，需要消耗機(jī)械功加速動(dòng)葉流道內(nèi)的汽流，將汽流“壓出”動(dòng)葉流道。汽輪機(jī)某級(jí)不對(duì)外做功，需要消耗機(jī)械功的運(yùn)行工況稱為鼓風(fēng)工況。葉片在鼓風(fēng)工況下運(yùn)行時(shí)，動(dòng)葉起鼓風(fēng)作用，有時(shí)動(dòng)葉后的局部靜壓還會(huì)大于動(dòng)葉前靜壓。隨著容積流量的減小，由于低壓缸末級(jí)通流面積大，最先達(dá)到鼓風(fēng)狀態(tài)，容積流量進(jìn)一步減小，鼓風(fēng)狀態(tài)逐級(jí)向前推進(jìn)。汽輪機(jī)葉片在鼓風(fēng)工況下運(yùn)行時(shí)消耗的機(jī)械工轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?huì)加熱轉(zhuǎn)子和葉片。小容積流量工況時(shí)，蒸汽流量過小不足以帶走汽輪機(jī)鼓風(fēng)熱量，就會(huì)引起低壓缸過熱，排汽缸變形等危及汽輪機(jī)安全的問題出現(xiàn)。

1.3 低壓缸末兩級(jí)葉片顫振工況運(yùn)行安全性分析

受低壓缸末兩級(jí)葉片葉形彎扭，葉片長度大、葉頂薄、抗振性能弱等特點(diǎn)影響，葉片在小容積流量工況下運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)大負(fù)沖角運(yùn)行，導(dǎo)致葉片顫振，甚至葉片損害斷裂，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

根據(jù)相關(guān)低壓缸末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果，在相對(duì)容積流量減小的過程中，當(dāng)相對(duì)容積流量達(dá)到一定值時(shí)，葉片振動(dòng)應(yīng)力開始迅速增加，之后達(dá)到最大值，進(jìn)一步減小容積流量，振動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，振動(dòng)應(yīng)力與相對(duì)容積流量呈非單調(diào)變化關(guān)系?；诔Ｒ?guī)理論分析，在制造廠規(guī)定的低壓缸最小冷卻蒸汽流量與低壓缸零蒸汽流量之間存在著風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因此要求中低壓缸導(dǎo)汽管蝶閥在低壓缸最小冷卻蒸汽流量之下應(yīng)迅速關(guān)閉，避免在危險(xiǎn)區(qū)停留。

1.4 末級(jí)葉片水蝕風(fēng)險(xiǎn)

在機(jī)組運(yùn)行過程中，汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片工作在含有水滴的濕蒸汽中。工作條件相當(dāng)苛刻，在離心力、蒸汽作用力、激振力及濕蒸汽所攜帶水滴沖刷的共同作用下，極易遭到水蝕，水蝕問題的存在不僅降低了汽輪機(jī)的熱效率，而且極易在水蝕區(qū)域造成應(yīng)力集中萌生裂紋，如不及時(shí)加以防護(hù)，葉片水蝕損傷擴(kuò)展可能會(huì)導(dǎo)致葉片的斷裂失效，造成機(jī)組設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。在供熱機(jī)組中，由于低壓缸進(jìn)汽量的降低，水蝕現(xiàn)象加劇，因此制造廠規(guī)定的低壓缸最低進(jìn)汽流量是有一定依據(jù)的，這類問題在供熱機(jī)組中特別是中低壓缸導(dǎo)汽管蝶閥開度較小時(shí)表現(xiàn)更為嚴(yán)重。

在低壓缸切缸以后，雖然進(jìn)汽流量較少，但小容積流量工況時(shí)，蒸汽流量過小不足以帶走汽輪機(jī)鼓風(fēng)熱量，就會(huì)引起低壓缸過熱，為防止低壓缸過熱，排汽室溫度升高，低壓缸噴水一直投入運(yùn)行，形成的霧化水滴出現(xiàn)回流，回流夾帶的水滴對(duì)末級(jí)動(dòng)葉片出汽邊形成水蝕，末級(jí)葉片承受最大的應(yīng)力，水蝕發(fā)生后容易引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致葉片損壞的事故。

2 泰山135 MW機(jī)組振動(dòng)實(shí)例分析

綜上所述，低壓缸切缸運(yùn)行時(shí)可能存在葉片鼓風(fēng)、顫振、水蝕加劇等問題。

如表1、表2所示，機(jī)組切缸運(yùn)行方式，凝汽器真空高，低缸脹差大于5.0 mm，4X振動(dòng)升高超過報(bào)警值。負(fù)荷240 t/h以下，旁路大開，低壓缸脹差大于5.0 mm，3X、4X振動(dòng)開始升高。

表1 振動(dòng)異常升高時(shí)機(jī)組參數(shù)

表2 振動(dòng)異常升高時(shí)機(jī)組參數(shù)

2.1 原因分析

2.1.1 主蒸汽流量及旁路對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

當(dāng)?shù)拓?fù)荷時(shí)主蒸汽流量低于240 t/h，低旁開度較大或全開，中壓缸進(jìn)汽量較小，中壓缸末幾級(jí)葉片鼓風(fēng)摩擦，產(chǎn)生熱量使中壓缸排汽溫度升高，即進(jìn)入低壓缸的冷卻蒸汽溫度升高，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子冷卻效果變差，引起低壓缸脹差增大，導(dǎo)致3X、4X大軸振動(dòng)開始升高。

2.1.2 凝汽器真空及軸封供汽壓力對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

機(jī)組切缸運(yùn)行，真空越高低壓缸鼓風(fēng)越少，低壓缸噴水量越小，不易發(fā)生葉片水蝕，利于末級(jí)葉片安全。實(shí)際運(yùn)行過程中，由于切缸后排汽量減少，凝汽器真空升高，對(duì)軸封供汽壓力要求提高，當(dāng)軸封壓力不能滿足要求或者軸封供汽調(diào)節(jié)閥波動(dòng)造成供汽壓力波動(dòng)情況下，會(huì)有空氣從軸端漏入，前面闡述小容積流量工況下，會(huì)在噴嘴和動(dòng)葉間隙出現(xiàn)渦流，因此，空氣進(jìn)入末級(jí)葉片蒸汽產(chǎn)生的渦流區(qū)域，容易引起低壓缸末級(jí)鼓風(fēng)摩擦生熱，導(dǎo)致末級(jí)排汽溫度升高，轉(zhuǎn)子與端部汽封碰磨引起振動(dòng)增大。

真空較低，對(duì)軸封供汽壓力要求較低，空氣漏入量減少，鼓風(fēng)較少，低壓缸末級(jí)排汽溫度降低，使低壓缸脹差降低。

2.2 控制措施

機(jī)組切缸運(yùn)行方式下，當(dāng)機(jī)組主蒸汽流量低于240 t/h并且低旁開啟時(shí)，應(yīng)滿足中壓缸最小進(jìn)汽量的要求，防止中壓缸排汽受阻，重點(diǎn)監(jiān)視中壓缸排汽溫度及低壓缸脹差變化，發(fā)現(xiàn)持續(xù)上升應(yīng)做如下調(diào)整。

1)限制高、低壓旁路開度或提高主蒸汽流量以增加中壓缸進(jìn)汽量，減少中壓缸鼓風(fēng)影響，控制中壓缸排汽溫度不能超過250 ℃。

2)降低主、再熱蒸汽溫度至515 ℃，低壓缸脹差應(yīng)不超過5.0 mm，否則，應(yīng)降低主、再熱蒸汽溫度至500 ℃運(yùn)行。

3)開啟真空破壞門降低真空至-93～-95 kPa，控制減溫水投入量保證低壓缸排汽溫度與低壓缸中部汽溫溫差在2～5 ℃。注意不能采用降低軸封供汽壓力方法降低脹差，低壓軸封處大量空氣漏入，對(duì)轉(zhuǎn)子端部及汽封齒產(chǎn)生冷卻、急劇收縮，反而引起轉(zhuǎn)子與端部汽封碰磨振動(dòng)增加。

4)檢查軸封壓力保持穩(wěn)定、軸封供汽溫度宜按規(guī)定范圍的下限保持。高壓軸封2號(hào)汽室壓力保持在0.002～0.009 MPa。