調峰運行對汽輪機輔助設備的影響

調峰運行對汽輪機輔助設備的影響廣東省粵電集團周巧明摘要：根據火電機組調峰運行方式，分析調峰運行對汽輪機輔助設備的影響。
關鍵詞：火電機組；輔助設備；調峰運行
大機組參與調峰運行，由於起動頻繁或大幅度負荷變動，要承受劇烈的溫度變化和交變應力，從而縮短使用壽命。參與調峰還要求機組在一些特殊工況下長時間運行，對機組的安全和經濟運行帶來不利的影響。根據火電機組調峰運行方式，分析調峰運行對汽輪機輔助設備的影響。
1 給水泵
機組經常降負荷運行或頻繁啟、停，運行條件非常苛刻，要求給水泵不僅能在負荷大幅度變化的條件下穩定運行，而且能長期承受頻繁啟停過程中因壓力和溫度急劇變化而產生的熱衝擊，要求給水泵不僅具有良好的性能，而且具有更高的可靠性。機組頻繁起停和長時間低負荷運行，對給水泵的不利影響主要表現在以下方面。
1.1熱應力的變化導致壽命損耗
當機組停運后，因給水泵的質量很大，其熱容量比管道大得多，在未完全冷卻之前，泵體的溫度高於管道；熱態起動時，管道內溫度較低的水流入給水泵將產生熱衝擊，使泵體產生熱應力。葉輪表面和泵殼內壁產生拉應力。在機組升負荷過程中，除氧器中的壓力和溫度隨之升高，高溫的水流入低溫的泵體內，將產生熱衝擊，在葉輪表面和泵殼內壁產生壓應力，因此，在熱態起停過程中，水泵承受的是交變應力，必將導致水泵的壽命損耗。
1.2汽蝕損傷加快
在機組低負荷運行時，通常需要停運一台給水泵，此時因除氧器中壓力下降，溫度也降至較低的水平，管道中積存的溫度較高的水將有一部分蒸發，使汽水混合物流入泵內、葉輪中發生兩相流，將會引起汽蝕和水錘現象，同時還會引起水泵振動，甚至發生動靜部分摩擦。
如在低負荷期間不停給水泵，則水泵在低流量下運行同樣會造成汽蝕損傷，並且還會發生水力不平衡引起的擾動和雜訊。低流量下的汽蝕多發生在葉輪葉片入口的背面損傷，特別是具有大進口直徑的葉輪，在低流量時，葉片背面的汽蝕損傷更為嚴重。當水泵的流量降低到一定程度時，葉輪入口將產生渦流，這時將會產生給水壓力的波動和脈動現象，造成葉輪入口區金屬的汽蝕。
為了減緩水泵吸入壓力瞬間下降危害水泵安全運行，可在水泵的入口注入凝結水，並採用自動切換式快開旁路閥進行控制，在汽機降負荷時及時地開啟旁路閥。為了防止吸入管壓力下降過快造成汽蝕，應適當控制降負荷速度，在正常情況下，降負荷速度不宜大於3 %/min。
1.3熱撓曲
在正常運行工況下，給水泵的水溫約在130～220 ℃之間，當機組因調峰停運后，泵內的存水冷水沉到泵的底部，導致泵體上下產生溫差，上部溫度較高，下部較低，使泵體和轉子向上拱曲變形。這種熱撓曲現象，一般要在停運6 h后才會逐漸消除。在存在熱撓曲期間，如再起動，將會產生異常振動，甚至引起動靜摩擦。最大熱撓曲一般發生在停運后2 h左右，在此期間，盡量避免再起動。
為了消除給水泵的熱變形，對於由汽輪機驅動的給水泵，汽輪機通常具有盤車設備，應進行連續盤車，在不具備盤車條件時，可在起動前對水泵進行預熱，使水泵溫度均勻分佈，並儘可能使吸入管道中的水溫接近除氧器中的水溫，以減小對水泵的熱衝擊。為此，可加裝一台輔助循環泵，從除氧器流經給水泵和吸管再回到除氧器進行循環，這樣可以有效地保證給水泵安全起動和降低給水泵的壽命損耗。
1.4給水泵可靠性
負荷頻繁大幅度變化對給水泵可靠性的影響主要表現在以下四個方面。
1）給水泵的殼體。大容量給水泵在啟、停或工況突然變動時，壓力和溫度將發生劇烈變化，因而泵體也會產生很大的溫度應力和不均勻熱變形，甚至使轉子與殼體之間同心度受到破壞。單殼體給水泵承受這種熱衝擊的能力較差，容易產生振動、磨損和泄漏等事故，因此通常採用雙殼體筒形結構。雙殼體給水泵對稱性好，不容易產生不均勻變形。另外因內外殼體之間充滿泵出口的高壓水，所以內殼體結合面的密封十分可靠。但在負荷頻繁大幅度變化時給水泵的外殼體要長期承受因壓力和溫度變化而產生的交變應力，因此必須具有足夠的疲勞強度。
2）轉子振動。隨著機組容量的不斷增大，鍋爐給水泵也在向大容量和高轉速方向發展。與此同時，振動在給水泵的各種事故中佔有的比例越來越大。導致振動的原因非常複雜，有設計製造方面的原因，也有安裝運行方面的原因。對經常變負荷運行的機組尤應注意以下問題。
大容量機組的給水泵一般採用汽輪機拖動。負荷頻繁大幅度變化，給水泵要在頻繁的低速盤車和給水溫度急劇變化的情況下運行。低速盤車時，因泵內密封間隙兩側沒有壓差，所以異物一旦混入就很難排出，如長時間滯留在密封間隙內勢必會損傷葉輪和密封環，甚至可能引起抱軸事故。另外，由於給水溫度急劇變化以及管路熱應力的作用，殼體會產生過大變形，因此也可能引起損傷和抱軸事故。為解決這種問題，除選用合適的材料及硬度外，往往在密封環表面加工出螺旋形溝槽，以便將混入的異物沿螺旋形溝槽排出來，使密封表面不受損傷。但由於這種密封環表面形狀不是平面，所以對轉子的振動特性有很大影響。有時可能會使振動衰減，有時反而會產生不穩定振動。因此分析轉子振動必須考慮密封環的動態特性，這種振動分析應包括穩定性分析和不平衡響應分析。通過穩定性分析確定在運行轉速範圍內不存在臨界轉速，通過不平衡響應分析確定在轉子產生不平衡時轉子各部位振動隨轉速變化的幅值，以便對密封環及軸承的形狀進行研究改進。
另外，降負荷運行的機組給水泵經常需要在低流量工況下運行，這時容易產生汽蝕和壓力脈動，並且往往會因此而引起泵體和管路振動。當泵內產生汽蝕時，不穩定的汽蝕空腔周期性地堵塞葉輪流道，因而形成不穩定流動和壓力脈動。這種壓力脈動作用於葉輪的葉片和蓋板引起水泵振動。當給水泵的流量降低到一定程度時，在葉輪的進、出口處會產生不穩定的二次迴流，由此引起的壓力脈動往往會使泵體和管路產生振動，在某些情況下甚至可能在泵吸入側引起強烈的液柱喘振。
3）軸封型式。鍋爐給水泵的軸封型式大致可以分為接觸式和非接觸式兩類，前者包括壓蓋填料密封和機械密封，後者包括節流襯套迷宮密封和浮動環密封。適應變負荷運行的需要，大容量機組的高壓、高速給水泵宜採用非接觸式軸封。尤其是節流襯套迷宮密封結構簡單、可靠性高、使用方便、壽命長。由於密封部份表面加工有螺旋形溝槽，間隙可以適當放大，因此不會因異物混入而損傷密封表面。另外由於間隙的加大可以取消軸套並且在主軸表面上也可以加工出螺旋槽，取消軸套后可以防止當密封水瞬間中斷、高溫水噴出時因軸套急劇熱膨脹而使間隙變小造成的抱軸事故。
節流襯套迷宮密封以凝結水作為密封水，密封水量的控制有溫度控制和壓力控制兩種方式。溫度控制方式是調整密封水量以控制泄漏水溫度在60 ℃左右，這時密封水不進入泵內；壓力控制方式是控制密封水的注入壓力，使它比泵的吸入壓力高0.1 MPa左右，這時密封水進入泵內。負荷頻繁大幅度變動的機組，給水泵暖泵次數較多，宜採用溫度控制方式以提高暖泵效率。
4）壓力脈動。當泵的流量降低到某一程度時，泵內流動就開始紊亂，主要是在泵葉輪的進、出口處出現二次迴流。當流量下降到最佳流量的1/2左右時葉輪進口處的液體就有很大的切向分速可達到園周速度的60%～70%，也就是產生了強烈的預旋。如果繼續降低流量達到最佳流量的1/3以下，則葉輪進口靠近前蓋板處將產生迴流，即已經流進葉輪葉片的一部份流體又向葉輪的吸入口迴流，這種強烈旋轉的二次迴流在主流的沖刷下又重新流向葉輪內部，在葉輪進口處形成旋渦。特別是當這些迴流混合時將產生很強的喘流，往往引起泵體和吸入管路振動，在某些情況下甚至會在吸入側引起強烈的液柱喘振。同樣，當流量降低時葉輪出口處也會出現二次迴流，即一部分流體自葉輪流出后又流回葉輪內部，形成葉輪出口部分的不穩定流動和壓力脈動，這種壓力脈動也引起振動，主要表現為泵體和管路的振動。為預防泵在降負荷時產生壓力脈動，應注意以下幾點：
(1)在設計時選擇合適的結構參數。①增大葉輪葉片出口與導葉進口之間的徑向間隙； ②適當增大葉輪輪轂直徑與頸部直徑之比，以降低葉輪進口處出現二次迴流； ③增大葉片包角。這樣可以加長葉片間流道的長度，減少流道擴散度，增加液流穩定性，減輕液流在擴散流道中產生脫流和旋渦的可能性，以便減輕葉輪出口處的壓力脈動； ④適當加大葉片出口角，這樣也有利於減輕出口壓力脈動。
(2)在運行方面要注意調節流量，盡量避免運行流量過低。
(3)在裝置設計方面注意增加管路系統剛性，防止管路振動。
2 除氧器
滑壓運行的除氧器，兩班制運行和大幅度改變負荷都會使殼體產生內外壁溫差和熱應力，在起停和負荷波動過程中，除氧器殼體和水箱都將承受交變應力，這種交變應力在腐蝕介質的作用下將會產生腐蝕疲勞，從而造成除氧器和水箱的壽命損耗。
近年來，國內外除氧器腐蝕裂紋問題都普遍存在。造成除氧器裂紋的原因，除材質和焊接因素外，腐蝕疲勞也是一個重要的因素。
為加強除氧器水箱的剛度，在水箱內部設置的三角支撐架，在工況變動時約束了水箱的變形，將會增加水箱的內應力，因此，國外已用加大箱體壁的辦法提高水箱的剛度，而盡量避免採用內撐結構。
為了減少除氧器的疲勞損傷，提高使用壽命，可採用如下的一些技術措施：
① 注意停用保護，控制水溫變化。在停機期間，利用除氧器水箱內的加熱管（又稱再沸騰）加熱凝結水，並保持一定的壓力和溫度。同時控制水質的含氧量在合格的範圍內。
② 控制水箱中水的pH值，並保持在8.5～9.6的範圍內。
③ 控制補給水的離子電導率，使其保持在規定的範圍內。
④ 控制機組負荷變化率，尤其是降負荷過程，一般情況下要求機組的負荷變化率不超過3%/ min。在起動過程中也要適當地控制水箱的溫升速度。
⑤ 注意加強無損探傷檢驗。
⑥ 選用合適的材料和工藝進行內壁塗鍍，並防止在運行中脫落。
⑦ 選用可焊性較好的材質（通常選用20g鋼），改進除氧器的結構設計，減小水箱的內應力。
3 高壓加熱器
高壓加熱器在起停和負荷變化時產生的熱應力主要發生在管板上。正常運行中管板上的熱應力，主要是由於給水溫度在加熱器中的升高在進出口側形成的溫差所引起的。管板上應力的大小取決於該項溫差的大小。滿負荷運行時，給水溫度升高約25～40 ℃，當汽機旁路投入運行時，因加熱器與再熱汽聯通，給水溫升可達到60～120 ℃。此外由於高壓加熱器蒸汽和凝結水之間溫度和放熱係數的不同，可在管板汽側引起附加應力。
在高壓加熱器投運的過程中，由於加熱器入口溫度突出升高，將會在管板上產生熱衝擊。在冷態起動時加熱器水室與給水箱水溫之差可達80～100 ℃，在起動時同樣會產生熱衝擊。
如果一台高壓加熱器單獨解列一定時間，溫度下降后再投運，給水與水室的溫差可能高達20 0 ℃，將會引起很大的瞬態熱應力。
當高壓加熱器滿負荷運行時，如遇給水泵掉閘，備用給水泵自動投運，給水泵和管道中的低溫水進入加熱器水室將會造成嚴重的熱衝擊。
在機組的起動和停機、大幅度負荷波動等過渡工況下，高壓加熱器管板的進水側是溫度突變的劇烈部位，併產生瞬態熱應力。因此投運與解列或增負荷與降負荷時的熱應力符號相反，所以管板承受的交變應力，從而導致管板的壽命損耗，疲勞裂紋將首先在應力最大部位的出水側管板直徑通道兩端管孔邊緣和入水側鄰近管孔中心的管孔邊緣處產生。
為了保證高壓加熱器熱應力及疲勞壽命損耗限定在允許的範圍之內，可採取如下的一些技術措施。
3.1適當控制溫度變化率
冷態起動或工況變化時，溫度變化率一般應限制在38 ℃/h，特殊情況下溫度變化率可達到93 ℃，不宜再高。當溫度突變50 ℃時，管板上的最大集中應力約為300 MPa，已接近管板材料的屈服極限。
現代大功率汽輪機，高壓加熱器投運通常都設有程序控制系統，按照給定的溫升速度控制進汽門開啟的速度，或間斷開啟，可以有效地控制溫升速度，使正常投入運行。
在加熱器啟動時，溫度尚未達到給水溫度之前，可打開給水出口旁路閥，按選定的溫升速率監視加熱器的溫升，當達到給水溫度並且穩定后，再打開給水出口閥以免發生水擊。
3.2保持加熱器排汽暢通
在加熱器啟動時，要保證排氣暢通，將加熱器內非凝結氣體排出，是保證加熱器正常工作的重要條件。加熱器內如有非凝結氣體聚集，不但會降低加熱器效率、而且還會加快部件的腐蝕。
監視加熱器終端溫差，可以判斷排氣是否暢通。但是當加熱器超負荷、管束泄漏或結垢時也會引起終端溫差增大，應予具體分析對待。
3.3避免加熱器超負荷運行
加熱器在超負荷工況運行時，蒸汽和給水都會加大加熱器的工作壓力，縮短加熱器的使用壽命。如兩台並聯的加熱器一台停運時，另一台將會嚴重的超負荷，這種工況應當避免。
3.4注意加熱器停用保護
當加熱器短時間停運時，應使汽側充滿蒸汽，水室內的給水應保持適當的pH值。
當加熱器長時間停運時，應在完全乾燥后在汽側充入乾燥的氮氣，以防止停運后的腐蝕，延長加熱器的使用壽命。