135 MW機組低壓缸切缸運行方式機組振動的分析調整

(大連泰山熱電有限公司，遼寧 大連 116000)

1 低壓缸切除進汽運行的風險介紹

1.1 小容積流量工況運行對機組運行安全性的影響

動葉根部開始出現脫流及其后容積流量更小的工況稱為小容積流量工況。

一般而言，隨著低壓缸末兩級葉片容積流量減小，首先會在動葉根部出口位置產生沿圓周方向的渦流，動葉根部流線出現向上傾斜，出現脫流現象；繼續減小容積流量，動葉根部出口位置的渦流區域與脫流高度增加；進一步減小容積流量，則不但渦流區域與脫流高度更大，而且會在噴嘴和動葉間隙出現渦流，這一渦流以接近葉頂圓周速度沿圓周方向運動；當相對容積流量減小至4%左右時，動葉后渦流區域幾乎充滿整個動葉流道，動葉內流線呈對角線，動葉、靜葉間間隙渦流擴大至大部分流道。

1.2 低壓缸末兩級葉片鼓風工況運行安全性分析

汽輪機級的容積流量大幅減小時，動葉進口相對速度減小，甚至為負值，需要消耗機械功加速動葉流道內的汽流，將汽流“壓出”動葉流道。汽輪機某級不對外做功，需要消耗機械功的運行工況稱為鼓風工況。葉片在鼓風工況下運行時，動葉起鼓風作用，有時動葉后的局部靜壓還會大于動葉前靜壓。隨著容積流量的減小，由于低壓缸末級通流面積大，最先達到鼓風狀態，容積流量進一步減小，鼓風狀態逐級向前推進。汽輪機葉片在鼓風工況下運行時消耗的機械工轉變為熱能，會加熱轉子和葉片。小容積流量工況時，蒸汽流量過小不足以帶走汽輪機鼓風熱量，就會引起低壓缸過熱，排汽缸變形等危及汽輪機安全的問題出現。

1.3 低壓缸末兩級葉片顫振工況運行安全性分析

受低壓缸末兩級葉片葉形彎扭，葉片長度大、葉頂薄、抗振性能弱等特點影響，葉片在小容積流量工況下運行時容易出現大負沖角運行，導致葉片顫振，甚至葉片損害斷裂，嚴重威脅機組安全運行。

根據相關低壓缸末級葉片動應力試驗結果，在相對容積流量減小的過程中，當相對容積流量達到一定值時，葉片振動應力開始迅速增加，之后達到最大值，進一步減小容積流量，振動應力逐漸減小，振動應力與相對容積流量呈非單調變化關系。基于常規理論分析，在制造廠規定的低壓缸最小冷卻蒸汽流量與低壓缸零蒸汽流量之間存在著風險點，因此要求中低壓缸導汽管蝶閥在低壓缸最小冷卻蒸汽流量之下應迅速關閉，避免在危險區停留。

1.4 末級葉片水蝕風險

在機組運行過程中，汽輪機末級動葉片工作在含有水滴的濕蒸汽中。工作條件相當苛刻，在離心力、蒸汽作用力、激振力及濕蒸汽所攜帶水滴沖刷的共同作用下，極易遭到水蝕，水蝕問題的存在不僅降低了汽輪機的熱效率，而且極易在水蝕區域造成應力集中萌生裂紋，如不及時加以防護，葉片水蝕損傷擴展可能會導致葉片的斷裂失效，造成機組設備損壞的嚴重事故。在供熱機組中，由于低壓缸進汽量的降低，水蝕現象加劇，因此制造廠規定的低壓缸最低進汽流量是有一定依據的，這類問題在供熱機組中特別是中低壓缸導汽管蝶閥開度較小時表現更為嚴重。

在低壓缸切缸以后，雖然進汽流量較少，但小容積流量工況時，蒸汽流量過小不足以帶走汽輪機鼓風熱量，就會引起低壓缸過熱，為防止低壓缸過熱，排汽室溫度升高，低壓缸噴水一直投入運行，形成的霧化水滴出現回流，回流夾帶的水滴對末級動葉片出汽邊形成水蝕，末級葉片承受最大的應力，水蝕發生后容易引起應力集中，從而導致葉片損壞的事故。

2 泰山135 MW機組振動實例分析

綜上所述，低壓缸切缸運行時可能存在葉片鼓風、顫振、水蝕加劇等問題。

如表1、表2所示，機組切缸運行方式，凝汽器真空高，低缸脹差大于5.0 mm，4X振動升高超過報警值。負荷240 t/h以下，旁路大開，低壓缸脹差大于5.0 mm，3X、4X振動開始升高。

表1 振動異常升高時機組參數

表2 振動異常升高時機組參數

2.1 原因分析

2.1.1 主蒸汽流量及旁路對機組振動的影響

當低負荷時主蒸汽流量低于240 t/h，低旁開度較大或全開，中壓缸進汽量較小，中壓缸末幾級葉片鼓風摩擦，產生熱量使中壓缸排汽溫度升高，即進入低壓缸的冷卻蒸汽溫度升高，對低壓轉子冷卻效果變差，引起低壓缸脹差增大，導致3X、4X大軸振動開始升高。

2.1.2 凝汽器真空及軸封供汽壓力對機組振動的影響

機組切缸運行，真空越高低壓缸鼓風越少，低壓缸噴水量越小，不易發生葉片水蝕，利于末級葉片安全。實際運行過程中，由于切缸后排汽量減少，凝汽器真空升高，對軸封供汽壓力要求提高，當軸封壓力不能滿足要求或者軸封供汽調節閥波動造成供汽壓力波動情況下，會有空氣從軸端漏入，前面闡述小容積流量工況下，會在噴嘴和動葉間隙出現渦流，因此，空氣進入末級葉片蒸汽產生的渦流區域，容易引起低壓缸末級鼓風摩擦生熱，導致末級排汽溫度升高，轉子與端部汽封碰磨引起振動增大。

真空較低，對軸封供汽壓力要求較低，空氣漏入量減少，鼓風較少，低壓缸末級排汽溫度降低，使低壓缸脹差降低。

2.2 控制措施

機組切缸運行方式下，當機組主蒸汽流量低于240 t/h并且低旁開啟時，應滿足中壓缸最小進汽量的要求，防止中壓缸排汽受阻，重點監視中壓缸排汽溫度及低壓缸脹差變化，發現持續上升應做如下調整。

1)限制高、低壓旁路開度或提高主蒸汽流量以增加中壓缸進汽量，減少中壓缸鼓風影響，控制中壓缸排汽溫度不能超過250 ℃。

2)降低主、再熱蒸汽溫度至515 ℃，低壓缸脹差應不超過5.0 mm，否則，應降低主、再熱蒸汽溫度至500 ℃運行。

3)開啟真空破壞門降低真空至-93～-95 kPa，控制減溫水投入量保證低壓缸排汽溫度與低壓缸中部汽溫溫差在2～5 ℃。注意不能采用降低軸封供汽壓力方法降低脹差，低壓軸封處大量空氣漏入，對轉子端部及汽封齒產生冷卻、急劇收縮，反而引起轉子與端部汽封碰磨振動增加。

4)檢查軸封壓力保持穩定、軸封供汽溫度宜按規定范圍的下限保持。高壓軸封2號汽室壓力保持在0.002～0.009 MPa。