聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)中壓缸壁溫下降原因分析及應(yīng)對(duì)策略

0引言

在雙碳背景下，擁有效率高、污染少、靈活性高、電網(wǎng)調(diào)峰性能突出等一系列特點(diǎn)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組成為近年來(lái)各地新建能源項(xiàng)目的主要選擇^[1]。

廣東惠州LNG電廠二期建設(shè)3×460 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)一拖一分軸機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)是三菱重工的M701F4型'汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠(DTC)制造的三壓再熱雙缸向下排汽抽凝供熱汽輪機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)CC150-13.2/3.0/1.5/566/566，額定負(fù)荷150MW，由于啟停靈活、電網(wǎng)調(diào)峰性能突出的特點(diǎn)，通常采用“兩班制”運(yùn)行，即日開(kāi)夜停，機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)分為熱態(tài)、溫態(tài)、冷態(tài)。項(xiàng)目自2019年全面投產(chǎn)至今，廠內(nèi)技術(shù)骨干通過(guò)技術(shù)分析和改造解決了眾多設(shè)計(jì)中存在的缺陷和不足，極大地提高了機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性，但仍存在一些難題至今未能有效解決。

汽輪機(jī)作為發(fā)電廠主要設(shè)備之一，其壽命和運(yùn)行安全對(duì)于發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全具有重大意義，目前M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組普遍存在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)中壓缸排汽口壁溫下降問(wèn)題，嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文旨在找到此問(wèn)題的根源并提出應(yīng)對(duì)策略。

1 溫降現(xiàn)象

如圖1所示，#4機(jī)某次冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中'中壓排汽口下半內(nèi)壁溫度(后文簡(jiǎn)稱(chēng)“中排下壁溫”)出現(xiàn)兩次明顯的溫度下降，第一次出現(xiàn)在燃機(jī)升至暖機(jī)負(fù)荷且汽輪機(jī)未沖轉(zhuǎn)時(shí)，汽機(jī)中排下壁溫在30 min內(nèi)由149℃下降至49℃'溫降幅度達(dá)到100℃;第二次下降出現(xiàn)在汽輪機(jī)掛閘開(kāi)始沖轉(zhuǎn)時(shí)，溫降約25℃。

查看歷史曲線發(fā)現(xiàn)三臺(tái)汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)中排下壁溫均存在異常下降現(xiàn)象。不同啟動(dòng)狀態(tài)下，中排下壁溫異常下降幅度有所區(qū)別，熱態(tài)啟動(dòng)溫降幅度約20 ℃ '隨著啟動(dòng)狀態(tài)的變化直至冷態(tài)啟動(dòng)溫降幅度擴(kuò)大至100℃，溫度下降持續(xù)時(shí)間約30 min。

綜上所述，可以判斷中排下壁溫驟降并非個(gè)例或偶發(fā)問(wèn)題，在排除測(cè)點(diǎn)異常問(wèn)題后，推測(cè)可能是有積水或冷凝水進(jìn)入該區(qū)域所致。

2原因分析

第二次中排下壁溫度下降相較于第一次溫降明顯緩和許多，第一次溫降幅度大'對(duì)汽輪機(jī)的損傷更嚴(yán)重，本文將著重分析第一次溫度驟降的原因。

汽輪機(jī)高中壓缸剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，中壓進(jìn)汽管位于中壓缸入口下方，中壓缸為全周進(jìn)汽，在第五級(jí)后設(shè)置一抽汽管用于抽汽供熱，最后在中壓缸全周排汽腔室上方為中壓排汽管。此外，圖中接口1和接口2為中壓缸缸體接至外缸疏水，接口3為閥桿漏汽接至中壓排汽缸的接口。中排下壁金屬溫度測(cè)點(diǎn)位于中壓缸排汽腔室下壁最低處。

第一次中排下壁溫驟降發(fā)生在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，此時(shí)燃機(jī)處于暖機(jī)負(fù)荷，汽輪機(jī)未掛閘沖轉(zhuǎn)，各個(gè)主汽閥主調(diào)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。

結(jié)合上述汽輪機(jī)中壓缸結(jié)構(gòu)'推測(cè)冷凝水的來(lái)源有如下幾種原因:

①汽缸內(nèi)疏水不合理,停機(jī)后有積水殘留;

②軸封蒸汽帶水或在缸內(nèi)冷凝;

③中壓聯(lián)合汽閥內(nèi)漏,蒸汽從中壓進(jìn)汽管進(jìn)入后凝結(jié);

④中壓缸抽汽口下方疏水管倒流進(jìn)入;

⑤高中壓缸外缸疏水(接口2)倒流進(jìn)入;

⑥閥桿漏汽管(接口3)流入。

2.1 原因①分析

查看各機(jī)組多次冷態(tài)啟動(dòng)前上一次停機(jī)后汽缸各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖,停機(jī)后汽缸內(nèi)各點(diǎn)溫度均緩慢下降,直至機(jī)組送軸封蒸汽前無(wú)突降,說(shuō)明沒(méi)有冷凝水流入汽輪機(jī)中壓缸內(nèi)使溫度突降。機(jī)組在啟動(dòng)前凝汽器已抽真空,中排下壁溫呈現(xiàn)上漲趨勢(shì),無(wú)突降現(xiàn)象,中壓缸內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)且與凝汽器壓力相同,對(duì)應(yīng)飽和溫度約為39.0℃。

三臺(tái)機(jī)分別取近期某次冷態(tài)啟動(dòng)前中壓缸溫狀態(tài),如表1所示,中壓排汽口下半內(nèi)壁金屬溫度遠(yuǎn)高于飽和溫度,缸內(nèi)各區(qū)域最低壁溫也遠(yuǎn)高于飽和溫度,說(shuō)明缸內(nèi)不存在積水。

2.2 原因②分析

查看#4機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)前送軸封后的溫度變化趨勢(shì) 歷史曲線,中排下壁溫僅在送軸封初期有15℃小幅度下降,隨后軸封供汽維持溫度215℃ ,壓力40 kpa,中排下壁溫保持上漲,直至機(jī)組啟動(dòng)前已漲至149.0 ℃ , 未出現(xiàn)溫度突降,軸封供汽和中排下壁溫已遠(yuǎn)超飽和溫度,由此判斷軸封蒸汽無(wú)帶水或冷凝情況。

2.3 原因③分析

假若有蒸汽從中壓進(jìn)汽管進(jìn)入中壓缸,必然也會(huì)造成進(jìn)汽口壁溫變化,但通過(guò)查看不同機(jī)組不同時(shí)間冷態(tài)啟動(dòng)的歷史曲線得知,從機(jī)組啟動(dòng)到?jīng)_轉(zhuǎn)前,中壓缸進(jìn)汽口上下內(nèi)壁溫均無(wú)明顯變化,且三臺(tái)汽輪機(jī)均出現(xiàn)閥門(mén)內(nèi)漏的可能性比較低,故排除中壓聯(lián)合汽閥內(nèi)漏導(dǎo)致冷汽由中壓進(jìn)汽管進(jìn)入的可能性。

2.4 原因④分析

如圖2所示,中壓缸五級(jí)有一抽汽口,在中壓缸抽汽口下方管道設(shè)有一組疏水接至疏水集管二。

若在暖機(jī)初期鍋爐起壓后,大量冷蒸汽和部分不凝結(jié)氣體經(jīng)主汽管道疏水管排入凝汽器疏水?dāng)U容器內(nèi)導(dǎo)致疏水?dāng)U容器內(nèi)壓力升高,而中壓缸內(nèi)負(fù)壓和凝汽器負(fù)壓相當(dāng),則有可能形成壓差為冷蒸汽經(jīng)疏水管倒流入中壓缸提供動(dòng)力,中壓缸抽汽口下方管道疏水閥在啟機(jī)時(shí)保持打開(kāi)狀態(tài),故此處存在倒流的可能性。

為驗(yàn)證上述可能,查看#4機(jī)近期某次冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)參數(shù)變化情況如下:機(jī)組啟動(dòng)前中壓缸抽汽口下方管道疏水管后溫度約為21℃ ,無(wú)明顯變化趨勢(shì),疏水集管二溫度約150℃ ,呈緩慢下降趨勢(shì)(輔汽暖管打開(kāi)部分疏水閥導(dǎo)致疏水集管二溫度較高,輔汽疏水閥關(guān)閉后溫度下降),中排下壁溫出現(xiàn)驟降時(shí)疏水集管二溫度下降速率有明顯提高,同時(shí)中壓缸抽汽口下方疏水管后溫度開(kāi)始出現(xiàn)升高趨勢(shì),說(shuō)明有擾動(dòng)導(dǎo)致溫度場(chǎng)發(fā)生變化,故推測(cè)可能有蒸汽或不凝結(jié)氣體倒流或中壓缸內(nèi)有蒸汽從疏水管流出,引起疏水集管二溫度下降速率增加以及中壓缸抽汽口下方疏水管后溫度升高。

某次#4機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),在燃機(jī)并網(wǎng)后關(guān)閉中壓缸抽汽口下方管道疏水閥,發(fā)現(xiàn)在同一啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)中排下壁溫仍出現(xiàn)了相同幅度下降,因此,排除中壓缸抽汽口下方疏水管倒流引起中排下壁溫驟降的可能。

2.5 原因⑤分析

高中壓缸外缸疏水接至凝汽器疏水?dāng)U容器,與原因④原理相同,當(dāng)鍋爐汽包起壓后大量冷蒸汽夾雜部分不凝結(jié)氣體進(jìn)入疏水?dāng)U容器從而使疏水?dāng)U容器內(nèi)壓力升高,與汽輪機(jī)汽缸形成壓差導(dǎo)致疏水不暢甚至出現(xiàn)冷汽逆流的情況,冷汽從接口2進(jìn)入中排下壁致使溫度驟降。

與原因④中現(xiàn)象類(lèi)似,在中排下壁溫出現(xiàn)突降前高中壓外缸疏水管溫度有明顯的突然上升,表明存在蒸汽流過(guò)疏水管,在汽缸進(jìn)汽前,蒸汽來(lái)源有兩種可能性:1)高中壓外缸疏水管蒸汽倒流;2)從其他地方進(jìn)入的蒸汽經(jīng)高中壓缸疏水口(接口2)進(jìn)入外缸疏水管引起溫度上升。

某次#4機(jī)低溫態(tài)啟動(dòng)時(shí),進(jìn)行如下試驗(yàn):在燃機(jī)啟動(dòng)至并網(wǎng)前,關(guān)閉高中壓外缸疏水閥,當(dāng)燃機(jī)啟動(dòng)至3 000 r/min后,中排下壁溫開(kāi)始迅速下降,與過(guò)往冷態(tài)啟動(dòng)趨勢(shì)一致,溫降幅度也相差無(wú)幾,故可確認(rèn),該疏水閥關(guān)閉時(shí),中排下壁溫仍會(huì)出現(xiàn)下降。因此,排除疏擴(kuò)冷水冷汽倒吸造成中排下壁溫下降的可能。

2.6 原因⑥分析

主蒸汽截止閥和調(diào)節(jié)閥閥桿漏汽接管如圖3所示,高壓調(diào)節(jié)閥第二段閥桿漏汽和中壓小聯(lián)合汽閥閥蓋第一段漏汽匯集后接入中排,即接口3接入,兩段漏汽管道均有較長(zhǎng)距離的水平布置,此前我廠經(jīng)過(guò)技術(shù)分析認(rèn)為冷源來(lái)自高壓調(diào)節(jié)閥第二段閥桿漏汽管積水,因此在#5機(jī)和#6機(jī)高壓調(diào)閥閥桿第二段漏汽管加裝了一處疏水口,即圖3中疏水7,#4機(jī)暫未改造。

高壓調(diào)節(jié)閥位于高壓主調(diào)閥之后,當(dāng)高壓主汽閥存在內(nèi)漏時(shí)才可能有蒸汽從高壓主調(diào)閥閥桿漏汽管進(jìn)入中壓缸,三臺(tái)機(jī)組高壓主汽閥同時(shí)存在內(nèi)漏的可能性較低,且#5機(jī)和#6機(jī)疏水改造后每次冷態(tài)啟動(dòng)前都會(huì)打開(kāi)高壓主調(diào)閥閥桿漏汽管疏水一、二次閥進(jìn)行疏水,直至汽輪機(jī)3 000 r/min并網(wǎng)前關(guān)閉,經(jīng)過(guò)多次啟機(jī)驗(yàn)證此疏水操作對(duì)中排下壁溫驟降的改善并不明顯,中排下壁溫在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)仍有接近100℃溫降,故本文認(rèn)為冷汽來(lái)自高壓調(diào)節(jié)閥第二段閥桿漏汽管積水并非主要原因。

中壓小聯(lián)合汽閥結(jié)構(gòu)如圖4所示,閥蓋第一段漏汽口位于閥前,與主蒸汽管道直接相連,中壓主蒸汽可以由閥門(mén)漏汽口直接進(jìn)入中壓缸。在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中,中壓主蒸汽壓力在壁溫驟降前5 min從0開(kāi)始迅速起壓,驟降前2 min中壓主蒸汽壓力達(dá)到0.2 Mpa,此時(shí)中壓小聯(lián)合汽閥上閥座疏水即圖3中疏水1打開(kāi),接下來(lái)的2 min內(nèi)中壓壓力由0.2 Mpa快速上漲至1.5 Mpa,而中排下壁溫在此時(shí)出現(xiàn)大幅下降。

結(jié)合上述現(xiàn)象及分析得出如下推論:機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)閥體冷卻后中壓小聯(lián)合汽閥閥座和閥蓋漏汽管水平段內(nèi)存在一定量積水,且機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)閥體溫度較低,所以鍋爐一旦產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入閥門(mén)腔室,即會(huì)在腔室壁面及管道表面發(fā)生凝結(jié)換熱^[2],形成凝結(jié)水,當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)前后中壓蒸汽壓力快速上漲,對(duì)應(yīng)飽和溫度快速上漲,冷凝換熱加劇,由此產(chǎn)生了較多的凝結(jié)水,中壓主蒸汽攜帶著積水和閥體壁面的冷凝水從中壓小聯(lián)合汽閥閥蓋第一段漏汽管進(jìn)入中排下壁造成中排下壁溫驟降。

#5、#6機(jī)組打開(kāi)了閥桿漏汽管疏水仍出現(xiàn)溫度驟降的原因可能是主蒸汽壓力快速上漲時(shí)大量汽水和不凝結(jié)氣體進(jìn)入疏水?dāng)U容器,導(dǎo)致疏水?dāng)U容器和中壓缸存在一定的壓差造成疏水不暢,且疏水管管徑較小,無(wú)法及時(shí)將管道內(nèi)所有汽水排至疏水?dāng)U容

器,相對(duì)而言中壓缸內(nèi)真空度更高,所以大部分汽水仍進(jìn)入中排下壁處,最后經(jīng)高中壓外缸疏水流出,同時(shí)對(duì)中壓缸抽汽管下方疏水產(chǎn)生了一定的擾動(dòng),故導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)前高中壓缸外缸疏水管和中壓缸抽汽管下方疏水管溫度場(chǎng)發(fā)生變化。

在查看#5機(jī)組近期大修后第一次啟動(dòng)過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn),啟動(dòng)過(guò)程中中排下壁溫僅下降28℃ ,推測(cè)由于檢修時(shí)拆檢了閥門(mén)和管道,清除了積水,僅受到冷凝水影響,所以溫度下降幅度較小。由此判斷造成中排下壁溫驟降的主要原因是閥座、管道等積水和閥壁冷凝水。

3 結(jié)論

1)汽輪機(jī)在啟動(dòng)前中壓缸內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于飽和溫度,排除缸內(nèi)存在積水的可能性。

2)軸封蒸汽初期溫度較低,確有造成中排下壁溫輕微下降,但后續(xù)軸封溫度遠(yuǎn)高于飽和溫度,故不存在軸封帶水或冷凝的情況。

3)三臺(tái)機(jī)組主汽閥門(mén)均內(nèi)漏可能性較低,且在汽輪機(jī)進(jìn)汽前中壓缸進(jìn)汽口壁溫?zé)o明顯變化,排除閥門(mén)內(nèi)漏,蒸汽進(jìn)入中壓缸的可能性。

4)中排下壁溫驟降前中壓缸抽汽口下方疏水管和高中壓缸外缸疏水管溫度有明顯上漲,說(shuō)明流場(chǎng)發(fā)生了變化引起溫度變化,蒸汽起壓時(shí)大量冷汽和不凝結(jié)氣體排入疏水?dāng)U容器可能導(dǎo)致疏水?dāng)U容器與中壓缸存在一定差壓,推動(dòng)蒸汽從中壓缸抽汽口下方疏水管或高中壓外缸疏水倒流進(jìn)入缸內(nèi)。在相關(guān)啟機(jī)試驗(yàn)中分別關(guān)閉中壓缸抽汽口下方疏水閥和高中壓外缸疏水閥,結(jié)果中排下壁溫仍出現(xiàn)驟降,表明中排下壁溫驟降原因并非疏水管倒流,疏水管溫度變化也可能是缸內(nèi)有蒸汽經(jīng)疏水管流出。

5)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)后中壓小聯(lián)合汽閥閥座和閥蓋漏汽管水平段內(nèi)存在積水,啟動(dòng)過(guò)程中中壓蒸汽壓力快速上漲,在閥壁遇冷產(chǎn)生凝結(jié)水,最后中壓主蒸汽攜帶著積水和閥體壁面的冷凝水從中壓小聯(lián)合汽閥閥蓋第一段漏汽管進(jìn)入中排下壁造成中排下壁溫驟降,進(jìn)入中壓缸內(nèi)的水汽經(jīng)高中壓缸疏水管和中壓缸抽汽口下方疏水管流出,從而引起疏水管溫度明顯上漲。

4 應(yīng)對(duì)策略

當(dāng)機(jī)組尤其是大容量的調(diào)峰機(jī)組投入運(yùn)行后,由于電網(wǎng)晝夜負(fù)荷變動(dòng)幅度增大,故鋼的高溫持久塑性差,鋼的脆性?xún)A向增加,致使汽缸體容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋^[3]。若汽輪機(jī)中排下壁長(zhǎng)期處于惡劣的溫度 條件下將加劇裂紋產(chǎn)生,縮短汽輪機(jī)的使用壽命,嚴(yán)重影響機(jī)組安全性和生產(chǎn)效益^[4],因此,必須盡快采取有效的控制措施解決啟機(jī)時(shí)積水進(jìn)入中壓缸的問(wèn)題。針對(duì)以上結(jié)論提出如下應(yīng)對(duì)策略:

1)設(shè)備改造策略:如圖5所示,在主汽閥門(mén)漏汽管至中壓缸的管道上加裝電動(dòng)閥A,在疏水管上設(shè)置手動(dòng)閥B和電動(dòng)閥C,適當(dāng)調(diào)整中壓小聯(lián)合汽閥漏汽管坡度使積水更容易排出。

2)運(yùn)行策略:(1)保持疏水管上手動(dòng)閥B在常開(kāi)狀態(tài); (2)當(dāng)機(jī)組停運(yùn)后關(guān)閉電動(dòng)閥A,打開(kāi)電動(dòng)閥C,切換至疏水模式將管道內(nèi)殘留積水排盡;(3)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至3000r/min時(shí)打開(kāi)電動(dòng)閥A,關(guān)閉電動(dòng)閥C,切換至正常運(yùn)行模式。

[參考文獻(xiàn)]

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2024年第14期第1篇