長期低頻運行的汽輪機選型

唐 磊， 張賽敏， 張志軍， 王小艷

(湖南省電力設計院有限公司， 長沙 410007)

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長期低頻運行的汽輪機選型

唐 磊， 張賽敏， 張志軍， 王小艷

(湖南省電力設計院有限公司， 長沙 410007)

國外某電廠擬擴建100MW級機組，鑒于當地電網脆弱，機組將長期低于額定頻率運行。通過分析汽輪機長期低頻穩定運行需關注的問題，結合國內汽輪機產品特性和結構技術特點，提出采用135MW不調頻葉片反動式汽輪機選型方案。結果表明：機組長期低頻運行時該方案在機組熱效率、占地面積、建造成本等方面有一定優勢，可供類似工程參考。

汽輪機； 低頻運行； 共振； 不調頻葉片； 整鍛轉子

國外某火電廠始建于20世紀60年代，目前共有9臺汽輪發電機組，裝機容量為500MW(1臺100MW+8臺50MW)，機組已超設計壽命運行。該火電廠所在地區電網脆弱，額定頻率為60Hz，而實際運行頻率經常低于50Hz，全網電力頻率和電壓質量難以滿足該火電廠安全穩定運行的要求。這不僅極大地限制了電廠所在地區現代化工業發展進程，且隨時可能發生故障停機引起更嚴重后果。

如何解決長期低頻運行帶來的汽輪機軸系共振、葉片諧振、功率波動等問題[1-2]，目前還未見有相應的探討和研究成果。鑒于此，筆者通過分析電網長期低頻運行給汽輪機連續安全穩定運行造成的不利影響，結合我國各汽輪機生產廠家的產品特點和技術特點，提出了長期低頻工況下汽輪機選型推薦方案，以供項目設計參考。

1 汽輪機安全穩定運行需關注的問題

電網長期低頻運行且頻率波動過大，將對汽輪機轉子、動葉片和功率帶來不利影響，最終影響汽輪機的安全運行、使用壽命和經濟性。

1.1低頻運行對汽輪機轉子的影響

汽輪機轉子臨界轉速是汽輪機轉子發生特別大振動時對應的轉速。若汽輪機在臨界轉速下長期運行，將導致汽輪機轉動部件非正常振動過大，引起機組故障或發生事故。為保證汽輪機安全運行，機組的工作轉速應避開各階臨界轉速[1]。國內設計標準規定固定式汽輪發電機組軸系的臨界轉速應與工作轉速避開±15%；IEC標準規定軸系的臨界轉速應與工作轉速避開-6%～+10%。

正常情況下，電網頻率與汽輪機轉速成一一對應關系，即

n=60×f

(1)

式中：n為汽輪機轉速，r/min；f為電網頻率，Hz。

長期低頻運行容易使汽輪機轉速處于臨界轉速附近，轉子出現共振，使得汽輪機振動超標，影響機組的安全運行和使用壽命。

影響臨界轉速的因素很多，一般臨界轉速隨轉子剛性的增加而增大，隨質量的增加而減?。划斊啓C高壓轉子、中壓轉子、低壓轉子以及發電機轉子、勵磁轉子等連結成軸系后，其臨界轉速將更為復雜。為使汽輪機工作轉速避開臨界轉速，可以采用兩種方法：(1)采用單缸汽輪機，縮短轉子長度，增加軸系剛度，使汽輪機轉子臨界轉速避開電網頻率波動值一定范圍；(2)高、中、低壓轉子采用整鍛剛性轉子并采用剛性連接，低壓轉子與發電機轉子剛性連接，減少轉子的應力，以適應電網頻率波動時汽輪機變轉速運行工況。

1.2低頻運行對汽輪機動葉片的影響

汽輪機在運行過程中，動葉片經由隔板噴嘴出來的蒸汽流沖擊下形成轉子的轉動力矩，這種沖擊力對葉片是一種高頻率的激振力[1-2]。當激振頻率與葉片固有頻率重合即發生葉片共振，容易造成葉片尤其是末幾級葉片斷裂，危害汽輪機安全運行。電網頻率變化容易導致激振頻率偏離設計工況，使葉片落入諧振，致使汽輪機激振頻率與葉片固有頻率重合造成氣流激振，造成汽輪機葉片的斷裂，嚴重影響汽輪發電機組的安全運行，甚至引起汽輪機的毀損。因此，我國《汽輪機葉片振動強度安全準則》規定調頻葉片應在48.5～50.5Hz情況下長期運行[2]。而目前國內三大主機制造廠給出的汽輪機長期運行允許頻率波動范圍為-5%～3%。對應60Hz工頻，汽輪機長期運行頻率應控制在57～61.8Hz。因此，為了在電網頻率波動較大、低頻運行工況下保證汽輪機葉片安全，需要汽輪機制造廠家對汽輪機通流部件尤其是通流葉片設計方案重新進行研究和優化。

不調頻葉片強度足夠在共振條件下仍能正常工作，無需將葉片的共振頻率與激振頻率調開以避免共振[1]，其不受運行頻率變化的限制[2]，故汽輪機通流葉片全部采用不調頻葉片是一個有效降低電網頻率波動對葉片影響的方法。

1.3低頻運行對汽輪機功率的影響

汽輪機的一個重要特征參數是速度比x1[1]：

(2)

式中：u為汽輪機動葉片進出口平均直徑處的圓周速度，m/s；c1為汽輪機級噴嘴處氣流速度，m/s；汽輪機級效率η與速度比x1密切相關，且受噴嘴損失、動葉損失、余速損失、葉高損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進汽損失、漏氣損失、濕汽損失、進出口壓力損失、機械損失等各項能量損失影響。其中，余速利用使速度比在較大范圍內對輪周效率的影響顯著減弱[1]：對于沖動式汽輪機來說，因汽輪機內各級余速未完全利用，使得汽輪機效率-速度比呈非線性平方關系，導致汽輪機效率受轉速影響較大(見圖1)；對于反動式汽輪機，基于其結構特點，余速基本上可全部被利用，使得汽輪機效率-速度比呈非線性指數關系，轉速在較大范圍內變化時，其效率變化幅度很小(見圖2)。

由圖1、圖2可見：當低頻運行引起汽輪機轉速變化，進而導致汽輪機各級速度比變化后，由于余速損失的影響，沖動式汽輪機效率變化較大，導致汽輪機功率波動較大；而反動式汽輪機當速比在一定范圍內偏離最佳值時不會引起效率的明顯下降，汽輪機功率波動較小，故其適宜于工況變化較頻繁的地區使用[3-4]。

因此，若在長期低頻工況條件下選用沖動式汽輪機，需考慮其功率受轉速變化影響帶來的巨大波動，機組選取容量應比額定容量大；若選用反動式汽輪機，由于轉速變化對其功率影響不大，可選取額定容量與電廠要求容量大致相當的機組。

2 國內典型100MW級汽輪機產品特點

目前國內主要100MW級汽輪機廠家能生產沖動式汽輪機(雙缸)、沖動式汽輪機(單缸)和反動式汽輪機。各型汽輪機剖面示意圖見圖3～圖5。結合國內制造廠對其汽輪機產品介紹情況，各型100MW級典型汽輪機產品特點見表1。

表1 100MW級汽輪機產品特點表

3 長期低頻運行汽輪機選擇方案

3.1產品特點分析

綜合分析表1中各類100MW級汽輪機產品特點可知：

(1) 典型100MW級沖動式雙缸汽輪機軸系為多轉子剛性或半撓性聯接，臨界轉速影響因素復雜；且受末級動葉片影響，其轉速適應范圍較窄。另外，該機組出力受電網頻率波動影響大，導致單臺機組難以滿足本工程電廠容量需求。

(2) 典型100MW級沖動式單缸汽輪機盡管其軸系短且為剛性聯接，能較好地適應變轉速運行，但受汽輪機動葉片限制，其轉速適應范圍較窄。另外，該機組出力受電網頻率波動影響大，導致單臺機組難以滿足本工程電廠容量需求。

(3) 典型100MW級反動式汽輪機軸系各轉子間均采用剛性聯接，能適應大范圍變轉速運行。其汽輪機動葉片為不調頻葉片，能適應大范圍轉速變化。另外，該機組出力受電網頻率波動影響少，可選擇合適容量的單臺機組以滿足電廠容量需求。

從各典型100MW級汽輪機軸系、動葉片、功率等方面分析，反動式汽輪機更能適應本工程汽輪發電機組長期低頻運行且頻率波動很大的需求，故筆者提出適應長期低頻運行的135MW反動式汽輪機選擇方案。

3.2長期低頻運行下反動式汽輪機方案

該技術方案采用135MW一次中間再熱抽汽凝汽式反動式汽輪機。汽輪機高、中、低壓轉子采用整鍛轉子，能很好地適應汽輪機變轉速運行；調節級采用新葉型及子午面型線通道，通流部分采用新型的反動式葉型，全部為不調頻葉片，使得汽輪機工作轉速接近臨界轉速時，仍能保證葉片強度安全要求，避免出現葉片事故，滿足當地大范圍電網頻率波動。另外，該135MW反動式汽輪機能在低頻運行工況下保證功率不會產生明顯的下降。根據項目裝機容量要求，可選用一臺135MW反動式汽輪機。

該方案在滿足電網長期低頻時機組安全穩定運行的前提下，汽輪機無需重新設計研發；汽輪發電機組低頻運行工況下熱效率較高；在滿足總出力條件下，一臺汽輪發電機組占地較少，適應改擴建項目場地控制要求；在滿足項目規劃容量的要求上，項目總體投資較少；工程安裝工程量較少，有利于縮短工期，降低建造成本。

4 結語

通過對某火電廠建設條件和國內汽輪機產品及可能方案的研究，經整體比較，初步提出采用汽輪機動葉片全部采用不調頻葉片的135MW反動式汽輪機的選型方案。后續設計中還將進一步對低頻、低壓運行工況下發電機、電氣設備和電廠輔助設備及附件選型進行研究，使得整個電廠能長期安全穩定運行。

[1] 黃樹紅, 孫奉仲, 盛德仁, 等. 汽輪機原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[2] 袁季修, 陳榮德, 白亞民. 對大型汽輪發電機頻率異常運行能力的要求[J]. 中國電力, 2001, 34(12): 32-36.

[3] 秦赟, 王海名. 沖動式與反動式汽輪機的優劣比較[J]. 應用能源技術, 2011(8): 1-6.

[4] 馬群. 淺談反動式汽輪機[J]. 貴州電力技術, 2003(10): 43-45.

[5] 隋永楓, 孫義岡, 丁旭東, 等. 不調頻葉片設計改型研究[J]. 熱力透平, 2010, 39(1): 19-21, 50.

Type Selection of Steam Turbines to Be Operated Under Long-term Low-frequency Conditions

Tang Lei, Zhang Saimin, Zhang Zhijun, Wang Xiaoyan

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

For a certain overseas power plant to be expanded to the capacity of 100MW class and operated under long-term low-frequency conditions due to the weak local power grid, an analysis was carried to the steam turbine for stable operation under above conditions. The 135MW reaction steam turbine with untuned blade was then proposed for the retrofit of unit considering the technical and structural features of domestic steam turbines. Results show that for steam turbines to be operated under long-term low-frequency conditions, the scheme proposed has certain advantages in the aspect of unit thermal efficiency, floor area and construction cost, etc., which may serve as a reference for similar projects.

steam turbine; low-frequency operation; resonance; untuned blade; integral rotor

2016-04-05

唐 磊(1983—)，男，工程師，研究方向為電廠熱能工程設計研究。

E-mail: tanglei323@126.com

TK262

A

1671-086X(2016)06-0399-04