大型汽輪機低壓后缸噴水系統運行分析

摘要 ：本文對大型汽輪機低壓后缸噴水系統進(jìn)行分析并對維持低壓缸排汽溫度正常制定具體措施，對保障機組安全穩定運行有參考意義。

1 末級長(cháng)葉片的采用及產(chǎn)生的問(wèn)題

汽輪機的容量為流經(jīng)通流部分的蒸汽量與其在汽輪機內的焓降之乘積，由于汽輪機初終參數受制造材料和自然環(huán)境的限制相對變化不大，所以蒸汽流量就成為機組容量變化的決定因素。從汽輪機的設計情況可知，單機容量的極限取決于低壓缸排汽區的環(huán)形面積，也即決定于末級葉片的長(cháng)度。末級葉片長(cháng)度的增大，使汽輪機功率得以提高，而且減少了作功級數，縮短了軸系長(cháng)度，簡(jiǎn)化了設備結構，降低了制造費用，運行中的振動(dòng)、差脹、軸移都得到了很好的控制。如某超超臨界 660MW 間接空冷機組為三缸兩排汽結構，低壓缸為雙分流布置，末級葉片長(cháng)度為 1030mm。

較長(cháng)的末級葉片使汽輪機容量得以提高，本身也承擔了較大的工作負荷。大容量機組末級葉片的做功能力接近機組容量的 10%，可見(jiàn)其安全運行狀況非常重要。但實(shí)際上末級葉片工作的排汽區濕度較大，汽流速度已至超音速，葉片受到濕汽沖蝕的損傷 ；較大長(cháng)度使葉片的振動(dòng)疲勞應力增大 ；而隨長(cháng)度增大葉片鼓風(fēng)摩擦產(chǎn)生更多的熱量，要求有足夠的蒸汽流量將其帶走，否則排汽溫度升高，葉片的過(guò)熱會(huì )使安全運行受到嚴重威脅。

2 低壓后缸噴水系統的運行

2.1 噴水系統的作用

為了降低在低負荷時(shí)排汽區的溫度，保護汽輪機末級葉片的安全工作，大型汽輪機設置有低壓后缸噴水系統，如圖 1所示。低壓后缸噴水系統向雙流低壓缸每端噴水環(huán)上的噴咀提供凝結水，凝結水能使離開(kāi)汽輪機末級葉片的蒸汽，在進(jìn)入低壓缸排汽室之前降低溫度。通常，低壓缸排汽室中的蒸汽是濕蒸汽，其溫度是相應于出口壓力下的飽和溫度。然而，在小流量情況下，低壓缸末幾級長(cháng)葉片做負功引起的鼓風(fēng)加熱，使得排汽溫度迅速升高。這種不能接受的排汽溫度，經(jīng)常發(fā)生在低于 10% 負荷時(shí)的小流量工況下，特別是在額定轉速空負荷狀態(tài)時(shí)。排汽高溫度的出現取決于通過(guò)葉片的（冷卻）蒸汽流量、凝汽器壓力和再熱溫度等參數。

2.2 噴水系統的組成

低壓后缸噴水系統主要包括下列部件 ：

a. 噴水調節閥

噴水調節閥是由薄膜執行機構和閥門(mén)組成，其控制凝結水至低壓后缸噴水，正常運行中該閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當汽輪機所處工況要求投入噴水系統時(shí)，系統中的電磁閥接通，空氣供至噴水調節閥的執行機構。這樣，凝結水通向低壓缸排汽導流環(huán)上的噴嘴，對低壓后缸進(jìn)行噴水降溫。

b. 截止閥

在噴水調節閥的進(jìn)口和出口處各裝有一截止閥。通常是打開(kāi)的，當控制閥出現故障時(shí)，關(guān)閉進(jìn)、出口截止閥，控制閥可以從系統中解列，以對其進(jìn)行檢修或更換。

c. 旁路閥

噴水調節閥有一旁路閥，它在調節閥故障或檢修時(shí)開(kāi)啟，保障低壓后缸噴水正常投入。

d. 過(guò)濾網(wǎng)

調節閥后設有濾網(wǎng)以防止雜質(zhì)進(jìn)入噴水系統堵塞噴頭或進(jìn)入排汽缸。

e. 監視儀表

低壓后缸噴水系統的監視儀表中溫度變送器監視低壓缸排汽溫度，以便判斷是否投入或切除噴水減溫。限位開(kāi)關(guān)安裝在噴水調節閥上，當閥門(mén)處于全開(kāi)、全關(guān)狀態(tài)時(shí)，向運行人員發(fā)出信號。

f. 噴嘴和噴水環(huán)

噴嘴和噴水環(huán)安裝在低壓缸排汽導流環(huán)上。來(lái)自噴水流量控制站的凝結水，用管道接至噴水環(huán)上的進(jìn)水接口，再經(jīng)噴水環(huán)送到各個(gè)噴嘴。整個(gè)布置如圖 2 所示。

2.3 噴水系統的控制

在低負荷和零負荷時(shí)，低壓缸噴水系統降低汽機末級葉片的排汽溫度。低壓缸噴水系統不在轉子靜止或盤(pán)車(chē)狀態(tài)運行。當汽機轉速增至 600r/min，電磁閥吸動(dòng)，為壓縮空氣進(jìn)入噴水調節閥的薄膜執行機構提供一個(gè)通道。當空氣施力于調節閥的薄膜執行機構時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)使得凝結水經(jīng)噴嘴進(jìn)入低壓缸。

在帶負荷運行時(shí)，低壓后缸噴水系統繼續起作用，直至汽輪發(fā)電機負荷增至 15%，溫度變送器監視低壓后缸溫度正常，噴水調節閥關(guān)閉。

在停機過(guò)程中，負荷降至 15% 額定負荷時(shí)，噴水調節閥打開(kāi)使得凝結水經(jīng)噴嘴進(jìn)入低壓缸。當汽輪機打閘并且轉速降至 600r/min 時(shí)噴水調節閥關(guān)閉并切斷噴至排汽缸的凝結水。如果至電磁閥的空氣或電信號斷路，噴水調節閥趨向關(guān)閉位置，此時(shí)可手動(dòng)操作旁路閥繼續為低壓缸噴嘴供水。通常，噴水系統被設定在 600r/min 到 15% 額定負荷的范圍內運行，只要在將噴水調節閥放置在“自動(dòng)”位置，這要求即能自動(dòng)實(shí)現。

3 低壓缸排汽溫度高保護的作用及事故分析

汽輪機在啟動(dòng)和帶低負荷的工況運行時(shí)排汽溫度升高，會(huì )使末級葉片及低壓缸溫度升高甚至過(guò)熱，當排汽溫度過(guò)高時(shí)，可能造成葉片損壞以及機組差脹、振動(dòng)和軸承溫度等出現異常情況甚至引起強迫停機。為了防止這些不安全情況的產(chǎn)生，大型汽輪機運行技術(shù)標準中要求低壓缸排汽溫度＜ 79℃，溫度達 79℃報警，并聯(lián)鎖開(kāi)啟低壓后缸噴水調閥 ；低壓缸排汽溫度達 121℃延時(shí) 1 分鐘汽輪機跳閘，保護邏輯圖如圖 3 所示。

據統計，一些大型汽輪機運行中曾發(fā)生多起“排汽溫度高”跳閘事故 ：（1）某 600MW 汽輪機掛閘沖轉轉速升至2900r/min，排汽溫度高，汽輪機跳閘 ；再次掛閘沖轉升至2900r/min，排汽缸溫度高，汽輪機跳閘。 （2）某 660MW 汽輪機DCS 突然無(wú)顯示，機組跳閘，恢復后沖轉至 3000r/m， “排汽缸溫度高”保護動(dòng)作，汽輪機跳閘。 （3）某亞臨界 300MW 機組鍋爐滅火，快速減負荷至 27MW， “低缸排汽溫度＞ 79℃”信號發(fā)，發(fā)現低缸噴水調閥未自動(dòng)開(kāi)，手動(dòng)開(kāi)啟噴水調閥旁路門(mén)時(shí)， “低缸排汽溫度＞ 121℃”動(dòng)作機組跳閘。

由此可見(jiàn)該類(lèi)事故對大型機組運行影響很大，為了防范事故的出現，一般要求汽輪機在啟、停階段和低負荷時(shí)，對低壓缸排汽溫度認真監視 ；進(jìn)行事故處理快速減至低負荷時(shí)要及時(shí)開(kāi)啟低壓后缸噴水調節閥和旁路閥，并且控制減負荷的速度和幅度要適當。

4 凝泵改變頻運行對低壓后缸噴水的影響

大型機組凝結水泵均采用變頻運行方式，這樣減少了啟動(dòng)沖擊，降低了廠(chǎng)用電率，提高了運行的經(jīng)濟性，同時(shí)也影響著(zhù)低壓后缸噴水的運行效果。低壓后缸噴水所取的凝結水來(lái)自凝泵的出口門(mén)后、凝結水調閥之前，由于凝結水流量隨著(zhù)機組負荷而變化，當凝泵工頻運行時(shí)，低負荷下凝結水調閥的關(guān)小使凝泵有較高的出口壓力，能滿(mǎn)足低壓后缸噴水量的需要 ；但在凝泵變頻運行時(shí)，低負荷下凝泵在低轉速運行出口壓力較低，低壓后缸的噴水量相應減少，此時(shí)低壓缸排汽溫度就更要密切監視。對此應采用以下措施以保證低壓缸排汽溫度正常。

（1）為使啟、停階段和低負荷時(shí)，低壓后缸減溫水以及其他用戶(hù)所用冷卻水量達到要求，凝泵變頻控制設計合理的#低運行轉速（一般在 900r/min 左右），保證凝泵出口壓力不至太低。 （2）在機組啟動(dòng)過(guò)程和快速減至低負荷運行時(shí)，及時(shí)開(kāi)啟低壓后缸噴水旁路閥以保障噴水量足夠。 （3）汽輪機組在蒸汽流量較少的工況運行時(shí)，要加強對低壓缸排汽溫度的監視，發(fā)現升高及時(shí)采取措施予以調整。 （4）巡回檢查時(shí)對就地排汽溫度表注意核對，按要求進(jìn)行排汽溫度高熱工保護試驗，檢查報警信號及噴水調節閥動(dòng)作正常。 （5）在正常負荷范圍運行時(shí)，應檢查低壓后缸噴水關(guān)閉嚴密，以防止汽輪機可能受到的損壞，減少凝泵的功率消耗。