600 MW超臨界汽輪機軸封汽溫對轉子壽命影響的研究

張高輝

(華電國際奉節發電廠，重慶 404600)

600 MW超臨界汽輪機軸封汽溫對轉子壽命影響的研究

張高輝

(華電國際奉節發電廠，重慶 404600)

大型火電機組參與電網調峰過程中，其汽輪機軸封系統參數變化致使軸封處轉子經常承受交變應力作用，導致轉子壽命損耗。以華電某電廠試運行中出現的問題為依據，說明火電廠現有系統在變負荷運行時，軸封汽溫的變化對轉子壽命的影響，并在運行和技術管理方面提出針對性的改進措施，對該類型機組開展壽命管理具有一定的借鑒意義。

調峰；轉子；軸封汽溫；壽命損耗

0 引言

目前，國民經濟的發展已邁上一個新臺階，作為經濟發展動力源泉的電網，其容量和峰谷差也日漸增大。由于國家提倡增大水電、風電等新能源的占比，使電網結構不斷發生變化，火電機組必然會深度參與調峰，在調峰過程中會出現汽輪機轉子壽命損耗問題[1]。針對該問題，大多研究集中于轉子整體的溫度場、應力場分布及梯度的變化方面，而對高中壓軸封處轉子表面溫度變化而影響轉子使用壽命的分析較少。

本文對華電某電廠超臨界機組調試期間軸封供汽溫度在不同負荷段的溫度變化情況，以及軸封汽溫與對應處轉子表面之間的溫差對轉子壽命的損耗情況進行比較研究，同時針對該機組的系統特性提出相應的改進措施。

1 軸封及關聯系統的概況

華電某電廠2 600 MW汽輪機為上海汽輪機廠生產的超臨界、中間一次再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、8級回熱、反動式汽輪機，型號為N600-24.2/566/566。該機軸封系統汽源分別由冷段再熱蒸汽和輔助蒸汽聯箱供給，通過冷段再熱蒸汽汽源控制站、輔助蒸汽汽源控制站、溢流控制站控制軸封母管壓力。輔助蒸汽分為高溫輔助蒸汽和減溫后低溫輔助蒸汽兩路汽源。機組正常運行時，高、中壓缸軸端汽封的漏汽經噴水減溫后，作為低壓軸端汽封和小機軸封供汽，多余漏汽經溢流站溢流到A凝汽器。在機組啟動、停機或低負荷運行階段，軸封系統啟動汽源來自輔助蒸汽系統。軸封主系統如圖1所示。高、中壓缸軸封段轉子表面金屬溫度可利用高中壓缸排汽溫度表征檢測，各負荷工況下高、中壓缸排汽溫度，見表1。

圖1 軸封主系統

負荷/MW600450300240高壓缸/℃298283291291中壓缸/℃360363368358

該廠每臺機組設置1臺輔助蒸汽聯箱，每臺機組輔助蒸汽系統的汽源共有4路。汽源1為啟動鍋爐來汽，用于系統初次啟動或鄰機停機時本機啟停用；汽源2為鄰機輔助蒸汽聯箱供汽，當鄰機運行時，該機啟停用；汽源3為本機四段抽汽供汽，機組正常運行時用；汽源4為本機冷段再熱蒸汽供汽，機組低負荷時冷再壓力大于1.2 MPa時，向輔助蒸汽供汽。

2 軸封汽溫和轉子表面溫差

該電廠自2016年9月首次并網發電以來，軸封供汽汽溫控制不穩定且在部分負荷段偏低。在機組啟動初期，該廠輔助蒸汽聯箱的汽源由啟動爐供給，管線長度大約600 m，造成輔助蒸汽聯箱溫度只能達到260 ℃左右；在低負荷階段，輔助蒸汽由冷段再熱蒸汽供汽。由于冷段再熱蒸汽至輔助蒸汽聯箱供汽調節閥節流損失大，造成輔助蒸汽聯箱溫度最大只有268 ℃；經調節閥節流后，供到高壓軸封汽溫在180～230 ℃之間。機組在冷態啟動時，是對轉子加熱的過程，其溫差逐漸減小，轉子壽命損耗也小。隨著機組負荷的不斷增大，高、中壓缸的排汽溫度不斷增加。調試過程中，在額定負荷(600 MW)時，該機組軸封系統未形成自密封狀態，機組高、中壓缸軸端汽封漏汽量較小，輔助蒸汽仍有較大供汽量。以上情況造成高壓軸封汽溫在189～260 ℃之間波動，軸封汽溫與高、中壓缸軸封處轉子金屬表面溫度存在較大溫差，并隨著工況的改變而變化。各負荷段軸封汽溫與高、中壓缸軸封處轉子表面的溫差統計見表2。

表2 不同負荷段軸封汽溫與對應軸封處轉子表面溫差統計

3 高、中壓缸軸封處轉子壽命損耗計算

機組運行時，軸封汽溫和轉子表面之間的溫差應保持最小，在各種軸封汽溫和轉子表面之間溫差之下，由于熱應力產生轉子裂紋的估算循環次數可由圖2中曲線確定。軸封汽溫和轉子表面之間的溫差隨不同的運行工況變化而變化，在一定的溫差Δt之下，運行一段時間所消耗的轉子使用壽命百分比計算公式如下

圖2 軸封汽溫與轉子溫差消耗轉子壽命曲線

從圖2中可以看出：當Δt<72 ℃時，轉子由于溫差熱應力產生裂紋前的應力循環次數無窮大，此時由于溫差交變熱應力引起的轉子壽命損耗可以忽略不計；當Δt>72 ℃時，由于溫差交變熱應力引起的轉子壽命損耗很大，隨溫差的變大及運行時間的推移，很容易造成轉子低周疲勞損耗而減少使用壽命[2]。

機組在調峰運行時，負荷從300 MW升至600 MW再降至300 MW一個循環周期內，高壓缸排汽軸封段處最大溫差在111 ℃，汽輪機轉子變負荷一次的損耗壽命百分比K=0.010%，與汽輪機廠家設計值相同，影響可忽略；而對應中壓缸軸封段處溫差最大達到161 ℃，根據圖2可知,裂紋發生前估算的循環次數為2 700，則調峰一次對應的中壓缸排氣處轉子損耗壽命百分比K=0.037%。

從以上分析可知，該電廠調峰運行時，對中壓缸排汽軸封段轉子的使用壽命損耗影響較大，接近汽輪機正常變負荷運行時轉子損耗的4倍。因此，必須重視軸封汽溫的調整，使軸封汽溫與轉子表面的溫差小于111 ℃，甚至小于72 ℃，方能最大限度地發揮汽輪機轉子的使用價值，保證汽輪機的安全穩定運行。

4 改進措施

根據汽輪機側各系統的運行特性和機組調試過程中出現的問題，合理優化軸封供汽汽源參數，以保證軸封汽溫在不同運行工況下與高、中壓缸轉子之間的溫差控制在合理范圍內。機組運行應滿足以下要求：機組在并網前且冷態啟動時，汽輪機轉子處于暖機升溫過程，高壓軸封汽溫應控制在170～220 ℃范圍內；熱態、極熱態啟動時，應根據高壓缸和中壓缸排汽金屬壁溫情況，控制軸封汽溫與高、中壓缸排汽處壁溫差小于110 ℃；機組并網后且負荷在240 MW范圍之內，控制軸封汽溫在220～300 ℃范圍內；在負荷>240 MW時，應控制軸封母管溫度在270～360 ℃范圍內。

根據以上要求，對應的調整措施如下。

(1)在機組并網前且冷態啟動時，軸封供汽由該機輔助蒸汽聯箱供汽，利用軸封的高、低溫輔助蒸汽汽源，軸封汽溫應控制在170～220 ℃范圍內，高壓軸封母管壓力在25～45 kPa范圍內。

(2)熱態、極熱態啟動時，應及早投入高、低壓旁路閥，鍋爐未點火前,低壓旁路閥開度<5%，控制冷段再熱蒸汽壓力在1.0 MPa左右，高壓旁路閥后溫度在310～350 ℃，利用冷段再熱蒸汽向軸封供汽，控制軸封汽溫在300 ℃左右，鍋爐應盡快點火。

(3)機組并網在240 MW范圍內時，優先用冷段再熱蒸汽對軸封供汽；當冷段再熱蒸汽供軸封調節閥故障時，機組負荷<120 MW,應由輔助蒸汽高溫汽源對軸封供汽；輔助蒸汽聯箱優先采用相鄰機組接帶，若相鄰機組未運行時，輔助蒸汽由冷段再熱蒸汽接帶，盡可能控制輔助蒸汽壓力在0.8 MPa左右，保證冷段再熱蒸汽供輔助蒸汽調節閥開度>75%，從而提高軸封汽溫。

(4)機組負荷>240 MW時，針對機組四段抽汽管道逆止閥壓力損失大，帶不動小汽輪機的問題，對四段抽汽管道逆止閥進行檢修或更換。在此問題解決前，應優化小機汽源，保證四抽能夠接帶輔助蒸汽聯箱，保證軸封汽溫在270～360 ℃范圍內，或者采用冷段再熱蒸汽供軸封。

(5)投入軸封系統正常運行后，每隔2 h開啟高、低壓軸封供汽濾網無壓疏水門各1次，以防軸封蒸汽帶水。

(6)增加主蒸汽管至軸封母管供汽汽源，提高該機組軸封汽源的可靠性。

(7)在軸封汽源切換過程中應平穩操作，防止高壓軸封汽溫參數大幅波動。

(8)建立軸封汽溫與高、中壓缸排汽溫度的臺賬，定期分析溫差所帶來的轉子損耗數據并提交技術部門進行專題分析，制定出有針對性的檢修計劃。

5 結束語

軸封段轉子的交變溫差熱應力會使轉子產生疲勞裂紋而損耗。本文針對某電廠定量分析研究軸封汽溫與軸封段處轉子表面溫度之間的溫差對轉子的壽命影響，根據計算結果制訂了相應措施，并在技術管理上建立此方面的臺賬，不斷分析汽輪機轉子壽命損耗的累積時間和次數，制定出有針對性的檢修計劃，確保汽輪機在壽命管理上不留死角，為汽輪機長期、安全、穩定、經濟運行保駕護航。

[1]張志明.汽輪機啟動過程中安全經濟優化的研究[D].北京：華北電力大學,2006: 7-9.

[2]鄔文睿.超超臨界汽輪機轉子高溫強度的研究[D].上海：上海交通大學，2009：25-26.

(本文責編：劉炳鋒)

2016-12-28；

2017-02-26

TK 262

B

1674-1951(2017)03-0033-03

張高輝(1983—)，男，河南平頂山人，助理工程師，從事火電廠全能運行工作(E-mail:zhang_gaoh111@163.com)。