大型汽輪機低壓后缸噴水系統(tǒng)運行分析

摘要 ：本文對大型汽輪機低壓后缸噴水系統(tǒng)進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(wěn)定運行有參考意義。

1 末級長葉片的采用及產(chǎn)生的問題

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(nèi)的焓降之乘積，由于汽輪機初終參數(shù)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(shè)計情況可知，單機容量的極限取決于低壓缸排汽區(qū)的環(huán)形面積，也即決定于末級葉片的長度。末級葉片長度的增大，使汽輪機功率得以提高，而且減少了作功級數(shù)，縮短了軸系長度，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低了制造費用，運行中的振動、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(jié)構(gòu)，低壓缸為雙分流布置，末級葉片長度為 1030mm。

較長的末級葉片使汽輪機容量得以提高，本身也承擔(dān)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%，可見其安全運行狀況非常重要。但實際上末級葉片工作的排汽區(qū)濕度較大，汽流速度已至超音速，葉片受到濕汽沖蝕的損傷 ；較大長度使葉片的振動疲勞應(yīng)力增大 ；而隨長度增大葉片鼓風(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，葉片的過熱會使安全運行受到嚴重威脅。

2 低壓后缸噴水系統(tǒng)的運行

2.1 噴水系統(tǒng)的作用

為了降低在低負荷時排汽區(qū)的溫度，保護汽輪機末級葉片的安全工作，大型汽輪機設(shè)置有低壓后缸噴水系統(tǒng)，如圖 1所示。低壓后缸噴水系統(tǒng)向雙流低壓缸每端噴水環(huán)上的噴咀提供凝結(jié)水，凝結(jié)水能使離開汽輪機末級葉片的蒸汽，在進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(yīng)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% 負荷時的小流量工況下，特別是在額定轉(zhuǎn)速空負荷狀態(tài)時。排汽高溫度的出現(xiàn)取決于通過葉片的（冷卻）蒸汽流量、凝汽器壓力和再熱溫度等參數(shù)。

2.2 噴水系統(tǒng)的組成

低壓后缸噴水系統(tǒng)主要包括下列部件 ：

a. 噴水調(diào)節(jié)閥

噴水調(diào)節(jié)閥是由薄膜執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成，其控制凝結(jié)水至低壓后缸噴水，正常運行中該閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)汽輪機所處工況要求投入噴水系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的電磁閥接通，空氣供至噴水調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)。這樣，凝結(jié)水通向低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)上的噴嘴，對低壓后缸進行噴水降溫。

b. 截止閥

在噴水調(diào)節(jié)閥的進口和出口處各裝有一截止閥。通常是打開的，當(dāng)控制閥出現(xiàn)故障時，關(guān)閉進、出口截止閥，控制閥可以從系統(tǒng)中解列，以對其進行檢修或更換。

c. 旁路閥

噴水調(diào)節(jié)閥有一旁路閥，它在調(diào)節(jié)閥故障或檢修時開啟，保障低壓后缸噴水正常投入。

d. 過濾網(wǎng)

調(diào)節(jié)閥后設(shè)有濾網(wǎng)以防止雜質(zhì)進入噴水系統(tǒng)堵塞噴頭或進入排汽缸。

e. 監(jiān)視儀表

低壓后缸噴水系統(tǒng)的監(jiān)視儀表中溫度變送器監(jiān)視低壓缸排汽溫度，以便判斷是否投入或切除噴水減溫。限位開關(guān)安裝在噴水調(diào)節(jié)閥上，當(dāng)閥門處于全開、全關(guān)狀態(tài)時，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(dǎo)流環(huán)上。來自噴水流量控制站的凝結(jié)水，用管道接至噴水環(huán)上的進水接口，再經(jīng)噴水環(huán)送到各個噴嘴。整個布置如圖 2 所示。

2.3 噴水系統(tǒng)的控制

在低負荷和零負荷時，低壓缸噴水系統(tǒng)降低汽機末級葉片的排汽溫度。低壓缸噴水系統(tǒng)不在轉(zhuǎn)子靜止或盤車狀態(tài)運行。當(dāng)汽機轉(zhuǎn)速增至 600r/min，電磁閥吸動，為壓縮空氣進入噴水調(diào)節(jié)閥的薄膜執(zhí)行機構(gòu)提供一個通道。當(dāng)空氣施力于調(diào)節(jié)閥的薄膜執(zhí)行機構(gòu)時，閥門打開使得凝結(jié)水經(jīng)噴嘴進入低壓缸。

在帶負荷運行時，低壓后缸噴水系統(tǒng)繼續(xù)起作用，直至汽輪發(fā)電機負荷增至 15%，溫度變送器監(jiān)視低壓后缸溫度正常，噴水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。

在停機過程中，負荷降至 15% 額定負荷時，噴水調(diào)節(jié)閥打開使得凝結(jié)水經(jīng)噴嘴進入低壓缸。當(dāng)汽輪機打閘并且轉(zhuǎn)速降至 600r/min 時噴水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉并切斷噴至排汽缸的凝結(jié)水。如果至電磁閥的空氣或電信號斷路，噴水調(diào)節(jié)閥趨向關(guān)閉位置，此時可手動操作旁路閥繼續(xù)為低壓缸噴嘴供水。通常，噴水系統(tǒng)被設(shè)定在 600r/min 到 15% 額定負荷的范圍內(nèi)運行，只要在將噴水調(diào)節(jié)閥放置在“自動”位置，這要求即能自動實現(xiàn)。

3 低壓缸排汽溫度高保護的作用及事故分析

汽輪機在啟動和帶低負荷的工況運行時排汽溫度升高，會使末級葉片及低壓缸溫度升高甚至過熱，當(dāng)排汽溫度過高時，可能造成葉片損壞以及機組差脹、振動和軸承溫度等出現(xiàn)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)鎖開啟低壓后缸噴水調(diào)閥 ；低壓缸排汽溫度達 121℃延時 1 分鐘汽輪機跳閘，保護邏輯圖如圖 3 所示。

據(jù)統(tǒng)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速升至2900r/min，排汽溫度高，汽輪機跳閘 ；再次掛閘沖轉(zhuǎn)升至2900r/min，排汽缸溫度高，汽輪機跳閘。 （2）某 660MW 汽輪機DCS 突然無顯示，機組跳閘，恢復(fù)后沖轉(zhuǎn)至 3000r/m， “排汽缸溫度高”保護動作，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(xiàn)低缸噴水調(diào)閥未自動開，手動開啟噴水調(diào)閥旁路門時， “低缸排汽溫度＞ 121℃”動作機組跳閘。

由此可見該類事故對大型機組運行影響很大，為了防范事故的出現(xiàn)，一般要求汽輪機在啟、停階段和低負荷時，對低壓缸排汽溫度認真監(jiān)視 ；進行事故處理快速減至低負荷時要及時開啟低壓后缸噴水調(diào)節(jié)閥和旁路閥，并且控制減負荷的速度和幅度要適當(dāng)。

4 凝泵改變頻運行對低壓后缸噴水的影響

大型機組凝結(jié)水泵均采用變頻運行方式，這樣減少了啟動沖擊，降低了廠用電率，提高了運行的經(jīng)濟性，同時也影響著低壓后缸噴水的運行效果。低壓后缸噴水所取的凝結(jié)水來自凝泵的出口門后、凝結(jié)水調(diào)閥之前，由于凝結(jié)水流量隨著機組負荷而變化，當(dāng)凝泵工頻運行時，低負荷下凝結(jié)水調(diào)閥的關(guān)小使凝泵有較高的出口壓力，能滿足低壓后缸噴水量的需要 ；但在凝泵變頻運行時，低負荷下凝泵在低轉(zhuǎn)速運行出口壓力較低，低壓后缸的噴水量相應(yīng)減少，此時低壓缸排汽溫度就更要密切監(jiān)視。對此應(yīng)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，低壓后缸減溫水以及其他用戶所用冷卻水量達到要求，凝泵變頻控制設(shè)計合理的#低運行轉(zhuǎn)速（一般在 900r/min 左右），保證凝泵出口壓力不至太低。 （2）在機組啟動過程和快速減至低負荷運行時，及時開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，要加強對低壓缸排汽溫度的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)升高及時采取措施予以調(diào)整。 （4）巡回檢查時對就地排汽溫度表注意核對，按要求進行排汽溫度高熱工保護試驗，檢查報警信號及噴水調(diào)節(jié)閥動作正常。 （5）在正常負荷范圍運行時，應(yīng)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。