喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响分析

2015-12-07孙建国卢布杨春宇白存军李越男刘金龙

科技创新导报 2015年27期

孙建国　卢布　杨春宇　白存军　李越男　刘金龙

摘要：目前，大规模接入的新能源电源和日益增大的电网峰谷差导致越来越多的大功率汽轮机不得不在采用喷嘴调节方式下进行快速深度变负荷运行。然而，由于不同类型机组的高调门喷嘴布置是不同的，导致喷嘴调节方式对汽轮机调节级叶片强度的影响也是不同的。该文通过对典型600MW级别机组和典型300MW级别机组的喷嘴组布置图进行调研，分析了喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响。指出了目前喷嘴调试方式下配汽规律设计存在的问题，并给出了相应的经济性解决建议方案。这对保证我国占主流的300MW级别和600MW级别机组的安全高效运行具有一定的借鉴意义。

关键词：300MW 600MW 汽轮机喷嘴调节叶片强度

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0103-03

目前，电网调峰存在的压力越来越大，压力不仅来自于不断增大的电网峰谷差，而且也来自于越来越大比例接入电网的风电等新能源电力[1]。因此，为了满足电网的安全高效运行，许多大功率机组（包括供热机组）不得不在喷嘴调节方式下进行快速深度变负荷运行[2]。目前，对于喷嘴配汽规律的研究大多都集中于顺序阀的安全投运方面，解决配汽规律设计不合理给机组低负荷运行带来的经济性及安全性问题。阀门组合开启规律不合理是机组实际低荷运行时面临的巨大挑战之一，对机组会产生安全性隐患，如瓦温高、振动大、阀体激振、阀门摆动、阀体脱落等[3-5]。同时，对机组的在经济性问题也会有影响，如无法正常投入顺序阀、重叠度不合理、开启组合不合理等[6-8]。最后，还会对机组的控制特性产生影响，如流量特性线性度差会影响“电网两个细则”考核[9-10]。实际研究表明，如果喷嘴调节方式设计不合理对机组调节级叶片强度的也会产生影响。文献[11]指出首先对汽轮机在不同配汽方式下调节级后温度变化情况进行了分析，然后计算了不同配汽方式下汽轮机调节级后转子的温度场和应力场。最后给出了汽轮机由节流配汽改为喷嘴配汽方式后的变负荷速度确定方法。由于汽轮机变工况计算是汽轮机问题研究的基础，因此，許多研究者也将研究侧重点转移至变工况计算方面[12-13]。然而，由于高调门喷嘴组布置差异性所带来的喷嘴配汽规律设计方法的调整等问题，目前还没有相关文献能够给出详细分析及计算。

然而，在我国北方运行着大量的调峰调频机组，其中占主流的为300MW级别和600MW级别机组；这些机组往往需要进行大范围的深度变负荷运行，此类机组在低负荷工况下运行的状况较多。因此，该文通过对典型600MW级别机组和典型300MW级别机组的喷嘴组布置图进行调研，分析了喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响。指出了目前喷嘴调试方式下配汽规律设计存在的问题，并给出了相应的经济性解决建议方案。这对保证我国占主流的300MW级别和600MW级别机组的安全高效运行具有一定的借鉴意义。

1 汽轮机调节方式概述

汽轮机调节方式从结构上看包括喷嘴调节、节流调节，从运行方式上看包括定压调节和滑压调节。节流调节即所有进入汽轮机的蒸汽都经过一个或几个同时启闭的调节阀，然后进入第一级喷嘴。节流调节的特点：（1）节流调节的结构较简单、制造成本低；（2）工况变动时，各级焓降（除最末级外）变化不大，故各级前的温度变化很小，从而减小了由温度变化而引起的热变形与热应力，提高了机组的运行可靠性和机动性；（3）在部分负荷下由于节流损失，机组经济性下降。因此，节流调节一般用在小机组以及承担基本负荷的大型机组上。然而，工况变动时，调节级汽室温度变化大，从而增加了由温度变化而引起的热变形与热应力，限制了机组的运行可靠性和机动性。对于调节级叶片来讲，汽轮机在工作过程中，动叶片承受着最大的静应力及交变应力，静应力主要是转子旋转时作用在叶片上的离心力所引起的拉应力。此外，由于蒸汽流的压力作用还产生弯曲应力和扭力，叶片受激振力的作用会产生强迫振动；当强迫振动的频率与叶片自振频率相同时即引起共振，振幅进一步加大，交变应力急剧增加，最终导至疲劳断裂。因此，机组变工况运行需要进行强度校核。强度核算一般包括零件应力计算、零件材料及其许用应力的选取和零件应力安全性的校核。

2 典型600MW级别机组喷嘴配汽分析

由于喷嘴调节在部分负荷下的效率高于节流调节，因此，喷嘴调节的应用在大容量机组和背压机组。相对节流配汽来讲，汽轮机在喷嘴配汽方式下进行变负荷过程中，汽轮机调节级后的温度变化量增大，导致调节级后转子的温度梯度及热应力最大，成为整个转子的最危险部位，这极大影响机组运行的安全性和负荷变化速度。对于600MW级别机组来讲，高调门一般都配置4组喷嘴组。因此，同参数600MW机组的调节后焓降差异性主要来自于高调门对应喷嘴组数目的差异性。以目前参数较高的典型600MW级别超临界机组为例，上汽厂的超临界NK600-24.2/566/566型和NK660-24.2/566/566型汽轮机虽然都配备4高调门喷嘴组；如图1-图3所示，机组高压部分有4个调节阀，但所对应4组喷嘴组数目是不同的。如图4所示，而哈汽厂超临界N660型汽轮机4高调门喷嘴组布置图差异性更大。因此，在机组部分进汽时，尤其是两阀点和三阀点，调节级叶片后的温度变化差异性也更大。当机组以对应较小数目喷嘴组的两个调门最先开启时，机组部分进汽面积小、调节级后焓降大，这与最先开启的两个高调门是对应喷嘴组数目最大的进汽策略对调节级叶片强度的影响是不同的。

3 典型300MW级别机组喷嘴配汽分析

在我国北方运行着大量的供热机组，其中占主流的为亚临界300MW级别机组，然而，这些机组往往在非供热期甚至是供热期也需要进行大范围的深度变负荷运行。因此，喷嘴配汽方式下的调节级叶片强度的安全性也极为重要。对于典型亚临界300 MW机组来讲，不仅高调门喷嘴组布置图的喷嘴数目具有差异性，而且在高调门数目上也具备差异性。如图5和图6所示，为上汽厂和哈汽厂都常用的2种典型亚临界300 MW机组。如图5所示，机组高压部分有4个调节阀，对应4组喷嘴；一般，机组的高调门对应喷嘴组的数目是有差异性的。如图5所示，机组高压部分有6个调节阀，对应6组喷嘴，其中，6组喷嘴对应的汽道数目是相同的。由于机组采用喷嘴配汽（部分进汽）时的进汽顺序原设计方案为#1+#2→#4→#5→#6→#3。因此，当机组改变进汽策略时，就需要考虑机组喷嘴配汽规律队调节级叶片强度的影响。以目前典型对角进汽方式为例，直接将机组的配汽方式改为#1+#6→#2→#3→#4→#5，对然局部进汽时的调节级配汽不平衡气流力会变小，机组轴系稳定性会得到明显改善；但是，调节后的焓降程度是不同的，对叶片强度的影响也是不同的。但如果改成将将机组的配汽方式改为#1+#6→#2+#3→#4+#5，虽然降低了机组的部分进汽时的经济性，但对机组的轴系安全性和叶片强度安全性是极为有利的。

4 针对叶片强度的喷嘴配汽优化设计建议

汽轮机叶片尤其是调节级叶片所处的工况条件及环境极为恶劣，主要表现在应力状态、工作温度、环境介质等方面。针对上述典型600 MW级别机组和典型300MW级别机组由于喷嘴组布置差异性带来的喷嘴配汽规律设计问题，可以从以下两方面做进一步的完善，防止由此给汽轮机的安全稳定运行带来隐患。第一，针对喷嘴组数目差异性较大的机组，机组喷嘴配汽规律的设计应该首先，考虑开启喷嘴数目较多的调节阀，这样不但可以增大进汽面积，还可以提高机组在第三个调节阀开启时的运行内效率；第二，对于六调门喷嘴组机组，在考虑机组轴系稳定性的同时，也要考虑对角进汽方式对叶片产生的二次冲刷问题，通过三对角进汽方式来增大低负荷区域的调节级部分进汽弧度，提高机组调节叶片强度的安全问题。

5 结论及展望

目前，越来越多的大功率汽轮机不得不在采用喷嘴调节方式下进行快速深度变负荷运行。然而，由于不同类型机组的高调门喷嘴布置是不同的，导致喷嘴调节方式对汽轮机调节级叶片强度的影响也是不同的。该文通过对典型600MW级别机组和典型300MW级别机组的喷嘴组布置图进行调研，分析了喷嘴调节方式对机组调节级叶片强度的影响。指出了目前喷嘴调试方式下配汽规律设计存在的问题，并给出了相应的经济性解决建议方案。这对保证我国占主流的300 MW级别和600 MW级别机组的安全高效运行具有一定的借鉴意义。

参考文献

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