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关于汽轮机阀门管理的优化及实现

    汽轮机配汽机构既是重要的调节装置,也是重要的热力设备,其配汽方式、控制方式、设备性能直接影响机组的调节特性和经济性。虽然近年来普遍采用了DEH系统,机组自身的控制水平得到了明显的提高,但配汽特性设计不良的问题在一定程度上影响了机组调节控制功能的安全性。

    汽轮机处于单阀控制时,汽轮机各高压调阀以相同开度同时参与调节。在低负荷时,高压调阀开度较小,因而造成较大节流损失,不利于机组长期经济运行。因此将汽轮机从单阀运行切换至顺序阀运行是一个非常重要的措施。

    1 调节阀管理优化前情况

    广东国华粤电台山发电有限公司(以下简称国华台电)3号机是上海汽轮机有限公司生产的亚临界600MW四缸四排汽(157)型机组,4只高调阀对应4组喷嘴,机组原设计的高压调节阀开启顺序为:GV3+GV4(同步开启)→GV1→GV2,最小部分进汽度为50%(进汽弧段连续),见图1。

    按照西屋公司原设计方案投入顺序阀,同类型机组普遍出现了1号、2号瓦瓦温升高或振动增大问题,给机组的安全运行带来了很高风险。所以,有必要结合机组实际状态,提出较为科学合理的方案,实现汽轮机的顺序阀平稳切换和安全运行,达到节能降耗目的。

    2 原设计方案的故障机理分析

    上海汽轮机有限公司生产的亚临界600MW汽轮机组在采用原调节阀配汽方案时,汽流力除产生推动转子旋转的扭矩外,在部分负荷下还将产生很大的附加横向汽流力,图2为部分进汽下横向力示意图,图3为在部分进汽横向汽流力作用下,轴承的工作状况示意图。

    由轴瓦水平和垂直汽流力与蒸汽流量关系可知,附加横向汽流力随着第3号、4号高调阀的开大而增大,当3号、4号高调阀接近全开而其它两阀尚未开启时达到最大,这个力的最大值达196N左右,因此高压转子上所受到的力除转子自身的重力外,还增加了由于部分进汽引起的横向力。

    转子在这一合力作用下,轴心位置发生偏移。通过对高压缸调节级进行详细的热力计算分析后得知,这一偏移使1号、2号轴承侧隙发生了很大变化。如图3所示,进油油楔面积大大减小,轴承供油量不足,导致机组1号、2号瓦瓦温升高,同时由于轴承左右的支撑刚度相对于上下要小得多,致使轴承振动大幅增加,这是原设计方案影响机组安全运行的主要原因。

    另外,随着机组容量的增大,配汽剩余汽流力产生的倾覆力矩使得推力瓦的各个瓦块受力不均匀程度突显起来,从而导致受力大的瓦块进油油楔面积减小,个别推力瓦块的温度也会升高。

    要从根本上消除对机组安全性的影响,最大限度地提高机组经济性,应该寻求新的配汽方案,以消除或降低调节级部分进汽时引起的附加汽流力。

    3 配汽方案优化

    3.1 阀门特性试验与分析

    为确保3号机单阀至顺序阀成功切换,国华台电于2007年9月7-13日完成了3号机1-4号高调阀的特性试验。

    试验选择480MW的负荷点,热工专业人员将1号、2号、3号、4号高调阀切为手动控制,手动改变某一个高调阀的阀位,调整锅炉燃烧状况,保持主蒸汽压力在16.75MPa,负荷则在360~540MW之间缓慢变化。

    通过上述的办法,测取高调阀的流量特性曲线,掌握在不同的阀序下主机振动、瓦温、高压缸上下缸温差、推力瓦温、胀差等参数的变化情况,比较不同阀门组合方式对机组安全运行的影响,确定合适的顺序阀开启阀序。

    3.1.1 高调门特性分析

    从试验可知,1-4号高调阀特性相似,但也存在差别。4号高调阀通流面积大于其它3个调门,当主蒸汽压力为16.75MPa时,4号高调阀全开流量为569.5t/h,1号高调阀为542.7t/h,2号高调阀为545。9t/h,3号高调阀为544.0t/h。因此在顺序阀逻辑设置时,必须选取合适的重叠度,防止高调阀在40%阀位以上时动作速度过快而导致阀门大幅摆动或者EH油压波动。

    3.1.2 安全性分析

    从试验数据比较1号、2号支持瓦瓦温的情况为:关闭GV4的最高瓦温是67℃;关闭GV3的最高瓦温是83℃;关闭GV2的最高瓦温是82℃;关闭GV1的最高瓦温是83℃。比较1号、2号支持瓦处的轴振,4种情况下振动均变化不大;比较其它参数如高压缸上下缸温差、推力瓦温、轴向位移等均变化不大。

    3.2 开启顺序的选择

    从机理分析可知,非对称进汽导致了配汽剩余汽流力的产生,因此采用对称进汽的方式,可以抵消由于非对称进汽导致的配汽剩余汽流力。

    对称进汽的方式有4种开启顺序:

    ①GV1+GV4→GV2→GV3;

    ②GV1+GV4→GV3→GV2;

    ③GV2+GV3→GV1→GV4;

    ④GV2+GV3→GV4→GV1。

    按照国华公司对于统一各发电公司顺序阀运行方式的意见,结合国华台电3号机组阀门试验数据及机组本体的实际情况,选择了方式①的开启顺序。

    选取顺序阀阀序为GV1+GV4→GV2→GV3,通过试验测定GV1和GV4高调阀同时开启的特性曲线为图4所示。

    3.3 重叠度的设计

    一般而言,重叠度大,则调门的节流损失大,经济性差;重叠度小,则会使调门总流量特性的线性度变差,影响调节系统的稳定性。根据GV1和GV4高调阀总流量特性曲线以及GV2和GV3高调阀特性曲线,将前一阀门开至45%阀位作为后一阀门开启点比较合适,即当GV1和GV4高调阀开启至45%时,逐渐开启GV2,当GV2开启至45%时开启GV3,开启过程特性曲线见图5。

    4 方案实施

    根据实测的阀门流量特性,对DEH逻辑中单阀切换顺序阀的参数、逻辑等进行了修改,修改后的顺序阀特性曲线如图6所示。

    在2007年10月26日至2007年11月07日完成了3号机静止状态下的纯仿真、混合仿真试验及热态单阀与顺序阀互相切换试验。从整个试验切换过程看,机组切换过程中负荷波动最大为14MW,顺序阀运行后总给煤量大约减少了3.3t/h,高压缸振动略有增加但不超过0.1mm,整个轴系振动基本没有变化,1号、2号瓦温有所降低。总体上看,整个单阀与顺阀切换过程是平稳、安全的,顺序阀运行时高压缸效率提高了,煤耗降低了,试验取得了成功。

    5 顺序阀方式与单阀方式的经济性比较

    按照优化方案实现单阀顺序阀切换后,又进行了机组在单阀和顺序阀两种方式下带负荷的稳定性试验、高压缸效率试验,高压缸效率曲线见图7。

    从图7中可见,机组在负荷较低时,单阀方式下高调阀开度较小,节流损失较大,与顺序阀方式比较,高压缸效率较低,经济性较差,如:400~450MW负荷时单阀较顺序阀差4%~6%,煤耗差2.5~4g/kW·h;而机组负荷降至300MW时,高压缸效率相差则达到10%,煤耗差可到6.5g/kW·h。

    6 结语

    试验证明,机组高压调门顺序阀采用GV1+GV4→GV2→GV3方式能够更好地适应机组不同负荷的运行工况。国华台电3号机组顺序阀的投运,实现了在提高高压缸运行效率的同时,又保证了机组的安全、稳定运行,彻底克服了由于亚临界600MW机组轴系稳定性不良所造成的原顺序阀方式不能稳定投入状况的发生,也为国华台电4号、5号机组顺序阀的投运工作积累了详实、可靠的试验数据。

    参考文献

    (1)吴季兰。汽轮机设备及系统(M)。北京:中国电力出版社,2000。
    (2)饶纪杭,李子连。汽轮机控制系统(DEH)应用情况调查报告(J)。中国电力,2000,33(10):60-65。
    (3)吕继奎。国产引进型300MW机组顺序阀运行研究(J)。中国电力,2003,36(4):25-28。