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蒸汽流量計

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探討大型汽輪機中蒸汽流量計常見的問題

來源:作者:發表時間:2020-01-15

    摘要: 汽輪機通流改造是一項技術集成度高的系統工程,既要提高設備的經濟性、安全性,又要適應非改造部件和系統,還要滿足如深度調峰、低頻保護等的新要求。梳理了通流改造可研階段、設計和制造階段、安裝調試與試驗階段的改造范圍確定、螺栓材料選用、軸向定位等常見問題,總結提出了有效處理及預控措施,有利于發電企業今后更好地實施汽輪機通流改造工作。

    前 言
    我國資源特點導致煤電長期以來一直占據電源結構的核心地位,2017 年煤電裝機量為10.2億千瓦,占裝機總量58% ,煤電全年發電量為42 000 億 千瓦時,占比更是高達67% ,因此,提高煤電機組效率對我國能源發展戰略及環境保護具有重大意義。國家《煤電節能減排升級與改造行動計劃( 2014) 》明確了現役燃煤發電機組改造后的總體目標,對 300MW 和 600MW 等級亞臨界、超臨界機組的節能改造推薦因廠制宜采用汽輪機通流部分改造[1]。

    國內 300MW 和 600MW 等級汽輪機主要為早期引進型產品,或者是早期引進型機型國產優化改進型產品,汽輪機普遍存在高中低壓缸效率低于設計值、汽輪機熱耗率偏高、汽輪機高效負荷區間狹窄等問題,嚴重影響機組經濟性。同時,近年來國內煤電機組有效利用小時數持續下降,煤電機組平均負荷率不斷下降,并且需要經常性參與深度調峰。隨著技術的不斷進步,國內主要廠家先后采用了不同的先進的通流設計技術對 300MW 和 600MW 等級汽輪機進行了通流改造。2007 年至 2012 年前后,早期投產的 300MW 等級汽輪機已較大規模地進行了通流改造[2]。2012 年 起, 600MW 等級汽輪機開始進行了通流改造。

    汽輪機通流改造一般主要目的是提效、增容、大流量供熱,目前相關文獻主要側重于通流改造的經濟性研究和振動治理上。汽輪機通流改造是一項技術集成度高的系統性工程,從可研階段、項目執行階段到性能試驗階段,各階段工作中一點小小的紕漏都有可能導致通流改造效果打折。本文梳理了通流改造過程中一些常見問題,并提出了處理及預控措施,方便發電企業今后更好地實施汽輪機通流改造工作。

    1 可研階段
    1. 1 改造范圍確定
    在對經濟性和安全性影響較小的情況下,汽輪機通流改造應盡可能保留現有設備,改造設備與保留設備的機械接口基本保持不變,改造后的各技術參數應基本保持不變。改造范圍一般包括高中低壓缸內缸、隔板( 持環) 、轉子等,更準確的范圍確定應取決于原設備性能狀況和通流改造的技術路線。

    進行通流改造的汽輪機經濟性方面總體表現為熱耗率偏高,不同的汽輪機熱耗率偏高的原因會有所不同,除了高中低壓缸效率偏低外,有些還有高壓閥組壓損偏大[3]、背壓偏大[4]等問題。通流改造時需一并解決安全性問題,安全性問題一般有: (1) 汽門振動與閥桿斷裂問題[4]; ( 2) 缸體及軸系振動偏大問題; (3) 軸承溫偏高問題; (4) 螺栓、缸體等各部件裂紋問題; (5) 滑銷系統膨脹不暢問題。通流改造范圍應針對性地涵蓋原設備問題的解決。

    發電企業對汽輪機通流改造的個性化需求越來越突出,出現了單獨提高再熱蒸汽溫度和同時提高主汽、再熱蒸汽溫度的汽輪機通流改造,也出現了冷再和熱再超大抽汽流量供熱的汽輪機通流改造。這些個性化需求勢必擴大改造范圍,如更換高中壓外缸、更換高中壓導汽管、更換高中壓閥組、中壓調門參調等。蒸汽參數的提高會導致抽汽參數的變化,結合抽汽回熱系統設備的狀況對加熱器及管道進行評估并針對性地更換。

    1. 2 邊界條件確定
    邊界條件是設備廠家設計和性能考核試驗的基準,應通過試驗測試獲取擬考核工況點的實際值,尤其是高中壓閥組壓損、再熱器壓損、給水泵汽輪機效率、加熱器端差等。給定的邊界條件如與實際值偏差較大,將誤導設計及決策,影響通流改造的效果。如再熱器壓損給定值偏大會導致通流設計偏大,降低部分負荷時效率; 給水泵汽輪機效率給定值偏大會導致設計嚴重偏離實際運行,某機組給水泵汽輪機效率給定值為83% ,實際試驗值 THA 工況為62. 4% 、75% THA 工況為60. 8% 、50% THA 工況為38. 9% 。

    1. 3 熱耗率考核條款制定
    隨著火電機組利用小時數降低,發電企業一般都會根據不同負荷工況下的實際運行小時數,確定機組熱耗率考核權重,形成最終的加權熱耗率考核值[2]??己思訖酂岷穆蕦υO備廠家末級葉片選型、高壓調門與高壓缸匹配性提出了更高的要求,在當前負荷率偏低的情況下增強了發電企業的競爭力。然而,僅僅對加權熱耗率進行考核是不夠的,設備廠家為了增強自身的競爭力,往往會把全部重點放在如何降低占比大的低負荷熱耗率上而犧牲高負荷的熱耗率,這無疑削弱了發電企業的適應性。某廠一臺 600MW 汽輪機通流改造時僅對加權熱耗率進行考核,THA 熱耗率要高出設計值43. 7 kJ/( kW·h) ,詳見表 1。通流改造時既要對加權熱耗率進行考核,也要對 THA工況時熱耗率進行考核。

 

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    2 設計、制造階段
    2. 1 螺栓材料選用
    汽輪機通流改造設計時會盡可能利用現有的空間,如果同時又提升了參數,這勢必會使得設計上需要高強度、耐高溫的材料,尤其是一些高溫區域的螺栓。應慎重使用鎳基材料和鈷基材料的螺栓,這類材料普遍存在缺口敏感性,對冶金質量、熱處理工藝、螺栓制造工藝和檢修工藝要求較高,部分鎳基材料在某一溫度區間會出現負蠕變現象[5],這些問題都是導致螺栓斷裂的原因。

    當出現必須使用鎳基或鈷基螺栓時,應優化螺栓設計和嚴控檢修工藝: ( 1) 設計配置厚墊圈,以降低各工況下螺栓緊力變化; ( 2) 螺栓伸長量盡量控制在下限,緊固過程中伸長量不應超出上限; ( 3) 嚴格規范螺栓解體、安裝工藝,嚴禁使用火焰加熱、管子鉗、大榔頭,杜絕野蠻施工; ( 4) 采用專用的螺栓加熱棒,加熱螺栓有效長度段,控制螺栓內壁加熱溫度,防止加熱棒過熱受損致使螺栓內壁高溫氧化; ( 5) 對螺栓進行光譜分析、硬度測試、超聲測試和螺紋著色檢查,對光譜分析和硬度測試處打磨光滑; ( 6) 禁止使用含 Cl、S 等氧化元素的清洗劑、防咬劑。

    2. 2 轉子重量增加
    為了確保設計更加精準,汽輪機通流改造方案大多增加通流級數,有時會采用反動式設計取代原有的沖動式設計,如此轉子重量會大幅增加。轉子重量增加帶來的問題有: ( 1) 基礎承載、軸承懸掛在缸體上的低壓缸結構強度需要校核; ( 2) 盤車功率適應性需要校核,必要時增加頂軸油系統; ( 3) 對軸承進行降低比壓和提高巴氏合金溫度等級的改造,根據經驗,常規的可傾瓦軸承設計比壓應小于1. 45MPa,橢圓瓦軸承設計比壓應小于2. 0MPa; ( 4) 軸承比壓變化后,需要對各軸承的潤滑油和頂軸油進行重新分配,甚至需要調整潤滑油供油母管壓力; ( 5) 低壓轉子重量增加后起吊重量( 包括起吊設備) 超出行車荷載限值,某 600MW 亞臨界汽輪機通流改造時低壓通流采用反動式技術,新的低壓轉子重量加上起吊裝置重量分別為77. 2t、78. 5t,原配置的兩輛行車設計荷載均為 80t,對行車進行改造,將兩輛行車合并,對低壓轉子進行抬吊操作。

    2. 3 軸系振動控制
    汽輪機通流改造后常常存在振動問題,如汽封間隙過小引起的動靜碰磨、質量不平衡、汽流激振[6]等,嚴重影響機組安全運行。針對這些常見的引起軸系振動異常的因素,在通流改造設計、制造階段應做好以下幾方面工作: ( 1) 設計采用合適的汽封及汽封間隙,發電企業應將保留設備的特性詳實地反饋給改造廠家,切莫盲目地采用小間隙汽封及減少汽封間隙; ( 2) 盡可能減少轉子的剩余不平衡量,單根轉子高速動平衡的試驗精度為不低于1. 0mm/s[7],過臨界及超速時的振動值均要符合標準; ( 3) 選擇非常好的配汽方式,兼顧機組經濟性、軸承瓦溫和轉子振動,以最大程度減小蒸汽靜態力; ( 4)采用防汽流激振汽封并合理設計汽封間隙,減少運行期間汽流激振力,如采用碎波技術的汽封; ( 5) 選用油膜動特性系數交叉耦合項小、穩定性好的軸承[8],增大軸承阻尼力。

    2. 4 深度調峰適應性
    大型煤電機組深度調峰已成為普遍現象,浙江省大型煤電機組的深度調峰至40% THA 基本全部實現。為適應機組深度調峰的需要,通流改造需在經濟性、安全性兩方面開展如下工作: (1) 將低負荷熱耗率納入考核范疇,改造廠家設計時充分降低低負荷熱耗率; (2) 采用合適的末級葉片表面硬化措施,設置合理的低負荷運行方式,以防止低排汽流量下末級葉片出汽側發生的回流汽蝕; (3) 增加低壓缸外缸剛性,合理調整低壓軸封間隙,避免低負荷時高真空下低壓軸封處的碰磨,某 600MW 機組通流改造后曾發生低壓軸封碰磨導致軸振高而跳機事件; (4) 通流改造配置熱應力控制模塊,避免出現機組深度調峰時,運行人員因操作量大而忽視對主機參數的監視,出現汽溫大幅下降、缸體溫度差偏大等異常時沒有及時發現并調整的現象。

    2. 5 低頻保護
    如果電網系統頻率下降時處理不當而將機組跳閘,則此時機組跳閘造成的電網功率短缺將進一步導致頻率降低,因而形成連鎖反應,嚴重時最終導致電網崩潰。1996 年 7 月及8 月美國西部電力系統大停電、1999 年 7 月 29 日臺灣大停電都是機網嚴重不協調的典型案例。限制汽輪機頻率異常運行的主要因素是汽輪機葉片諧振問題[9],通流改造時應明確提出低頻保護的要求: ( 1) 低頻保護不投跳; ( 2) 即使投跳閘,低頻保護投跳定值應低于電網低頻減載裝置最后一輪定值; ( 3) 特殊情況下當低頻保護需要跳閘時,保護動作時間必須符合《GB/T31464 電網運行準則》中關于汽輪發電機頻率異常允許時間規定。

    2. 6 新舊設備接口匹配
    任何改造與非改造部件間的配合或系統中改造后的熱力參數與原參數之間的配合,在銜接處即形成接口,一般遵循改造部件適應非改造部件原則。

    常見的系統接口及處理方法有: ( 1) 改造后抽汽參數變化,尤其在提參數通流改造中重點關注,應結合對加熱器、抽汽管路、疏水管路的評估,針對性地更換加熱器、抽汽管道、疏水調節閥、疏水管道,避免通流改造后出現加熱器和抽汽管路超溫超壓運行、管道壓損大、疏水不暢等現象; ( 2) 通流改造機組增容后,額定負荷時發電機的發熱量增加,原有的定子冷卻水系統及氫氣冷卻系統應進行適應性評估,尤其是對夏季工況的評估,必要時進行兩個冷卻系統的擴容改造; ( 3) 高度關注熱工測點安裝特性的變化,防止出現測點接錯、定值設定錯誤等問題,如獲取各轉子材質相同的靶板以校核軸系位移、差脹、振動等測點特性,對比改造后轉速盤齒數,區分新舊軸向定位方式等。

   常見的機械接口及處理方法有: ( 1) 汽門改造及外缸更換時保證各管道接口外,還應校核接口處的推力和力矩,并校核鋼結構及支吊架載荷; ( 2) 高壓轉子與機頭小軸( 主油泵小軸或盤車小軸) 接口、低壓轉子與發電機轉子( 或盤車齒輪) 接口,可先采用現場加工小軸和盤車齒輪凸肩的辦法,時間允許也可以將其返至改造廠家裝配并隨轉子進行高速動平衡; ( 3) 保留外缸時,內缸與外缸裝配接口是影響安裝質量和工期的關鍵所在,盡可能地給設備廠家創造精確接口測繪的條件,第一時間完成新舊設備的試裝工作,檢查各螺栓孔是否對應、軸向定位是否到位、膨脹間隙是否充足等。

    3 安裝、調試、試驗階段
    3. 1 軸向定位
    軸向定位包括軸系軸向定位和缸體軸向定位兩方面內容,軸向定位堅持三大原則: 改造部件適應非改造部件、可調部件適應非可調部件、靜止部件適應轉動部件。非改造部件軸向定位應在全冷態收縮到位后進行,必要時需要滑銷系統檢修后重新吊回轉子裝復推力軸承進行。以圖 1 所示的某600MW 四缸汽輪機通流改造為例,軸向定位的常規工序如下: ( 1) 根據發電機轉子定位尺寸及改造后前后差脹變化定位低壓 2 轉子,并調整低壓 2 軸向通流間隙定位低壓內缸 2; ( 2) 由低壓內缸 2 通過中低壓連通管定位低壓內缸 1 和中壓外缸,并調整低壓 1 軸向通流間隙定位低壓 1 轉子,調整中壓軸封軸向間隙定位中壓轉子并調整推力軸承位置,調整中壓通流間隙定位中壓內缸; ( 3) 根據中壓轉子的位置定位高壓轉子,調整外缸上高壓軸封軸向間隙定位高壓外缸,調整高壓軸向通流間隙定位高壓內缸; ( 4) 調整主油泵小軸軸向間隙定位前軸承箱。這些設備的定位一般通過靠背輪墊片、軸向定位鍵( 環) 、貓爪橫銷等實現,鑒于中低壓連通管螺栓孔、膨脹節有一定的間隙補償量及各環節調整手段豐富,一般可優化為分缸初調、軸系復核。

 

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    3. 2 保護邏輯修訂
    通流改造后新的設計、新的設備會有新的保護邏輯和定值修訂,如修訂不合適,或達不到保護設備的目的,或容易導致機組跳閘。常見的保護邏輯修訂有: (1) 軸向位移、差脹定值修訂; ( 2) 保護末級葉片用的凝汽器背壓保護邏輯修訂及后缸減溫水投運邏輯修訂; ( 3) 為保護調節級葉片,特殊閥序下主蒸汽壓力保護邏輯修訂; ( 4) 中調參調供熱時,大流量供熱情況下中調門開度保護邏輯修訂、中壓閥組壓差保護邏輯修訂、一抽與高排壓力保護邏輯修訂。

    3. 3 性能考核試驗
    通流改造后的性能考核試驗雖然和新機組的性能考核試驗內容是相同的,但是試驗條件遠沒有新機組的試驗條件理想。為給通流改造創造良好的試驗條件,可做好如下幾方面: (1) 做好閥門檢修工作,將系統外漏和內漏控制在 ASME標準控制范圍內,重點有凝結水蒸汽流量計后的各疏水和放水閥、加熱器的事故疏水閥、各氣動疏水閥、定排和連排閥門、安全閥等; (2) 做好關鍵性能試驗測點的整治工作,重點是各蒸汽流量計的校核,蒸汽流量計一般有凝結水蒸汽流量計、主汽和再熱汽減溫水蒸汽流量計、密封水進回水蒸汽流量計、給水泵汽輪機進汽蒸汽流量計、軸封系統蒸汽流量計等,確保凝結水蒸汽流量計旁路隔離嚴密及蒸汽流量計后無水回流至蒸汽流量計前;(3) 試驗宜安排在環境溫度較低的季節進行,避免出現試驗期間背壓偏高且無法調低、試驗背壓修正曲線無法獲得、熱耗率的背壓修正量偏大現象; (4) 為了深度挖掘通流改造的節能成果,需進行包括滑壓優化試驗、冷端優化試驗、變背壓試驗在內的性能診斷試驗。

    4 結 論
    本文梳理了汽輪機通流改造各個階段的常見問題,總結提出了處理及控制措施。通流改造是一項系統性工程,只有將可研階段、設備采購階段、設計階段、生產制造階段、施工階段、調試階段和性能考核階段的每一項工作做到盡善盡美,才能最大程度地發揮改造的效果、提高設備本質安全。

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