长期低频运行的汽轮机选型

唐 磊， 张赛敏， 张志军， 王小艳

(湖南省电力设计院有限公司， 长沙 410007)



长期低频运行的汽轮机选型

唐 磊， 张赛敏， 张志军， 王小艳

(湖南省电力设计院有限公司， 长沙 410007)

国外某电厂拟扩建100MW级机组，鉴于当地电网脆弱，机组将长期低于额定频率运行。通过分析汽轮机长期低频稳定运行需关注的问题，结合国内汽轮机产品特性和结构技术特点，提出采用135MW不调频叶片反动式汽轮机选型方案。结果表明：机组长期低频运行时该方案在机组热效率、占地面积、建造成本等方面有一定优势，可供类似工程参考。

汽轮机； 低频运行； 共振； 不调频叶片； 整锻转子

国外某火电厂始建于20世纪60年代，目前共有9台汽轮发电机组，装机容量为500MW(1台100MW+8台50MW)，机组已超设计寿命运行。该火电厂所在地区电网脆弱，额定频率为60Hz，而实际运行频率经常低于50Hz，全网电力频率和电压质量难以满足该火电厂安全稳定运行的要求。这不仅极大地限制了电厂所在地区现代化工业发展进程，且随时可能发生故障停机引起更严重后果。

如何解决长期低频运行带来的汽轮机轴系共振、叶片谐振、功率波动等问题[1-2]，目前还未见有相应的探讨和研究成果。鉴于此，笔者通过分析电网长期低频运行给汽轮机连续安全稳定运行造成的不利影响，结合我国各汽轮机生产厂家的产品特点和技术特点，提出了长期低频工况下汽轮机选型推荐方案，以供项目设计参考。

1 汽轮机安全稳定运行需关注的问题

电网长期低频运行且频率波动过大，将对汽轮机转子、动叶片和功率带来不利影响，最终影响汽轮机的安全运行、使用寿命和经济性。

1.1低频运行对汽轮机转子的影响

汽轮机转子临界转速是汽轮机转子发生特别大振动时对应的转速。若汽轮机在临界转速下长期运行，将导致汽轮机转动部件非正常振动过大，引起机组故障或发生事故。为保证汽轮机安全运行，机组的工作转速应避开各阶临界转速[1]。国内设计标准规定固定式汽轮发电机组轴系的临界转速应与工作转速避开±15%；IEC标准规定轴系的临界转速应与工作转速避开-6%～+10%。

正常情况下，电网频率与汽轮机转速成一一对应关系，即

n=60×f

(1)

式中：n为汽轮机转速，r/min；f为电网频率，Hz。

长期低频运行容易使汽轮机转速处于临界转速附近，转子出现共振，使得汽轮机振动超标，影响机组的安全运行和使用寿命。

影响临界转速的因素很多，一般临界转速随转子刚性的增加而增大，随质量的增加而减小；当汽轮机高压转子、中压转子、低压转子以及发电机转子、励磁转子等连结成轴系后，其临界转速将更为复杂。为使汽轮机工作转速避开临界转速，可以采用两种方法：(1)采用单缸汽轮机，缩短转子长度，增加轴系刚度，使汽轮机转子临界转速避开电网频率波动值一定范围；(2)高、中、低压转子采用整锻刚性转子并采用刚性连接，低压转子与发电机转子刚性连接，减少转子的应力，以适应电网频率波动时汽轮机变转速运行工况。

1.2低频运行对汽轮机动叶片的影响

汽轮机在运行过程中，动叶片经由隔板喷嘴出来的蒸汽流冲击下形成转子的转动力矩，这种冲击力对叶片是一种高频率的激振力[1-2]。当激振频率与叶片固有频率重合即发生叶片共振，容易造成叶片尤其是末几级叶片断裂，危害汽轮机安全运行。电网频率变化容易导致激振频率偏离设计工况，使叶片落入谐振，致使汽轮机激振频率与叶片固有频率重合造成气流激振，造成汽轮机叶片的断裂，严重影响汽轮发电机组的安全运行，甚至引起汽轮机的毁损。因此，我国《汽轮机叶片振动强度安全准则》规定调频叶片应在48.5～50.5Hz情况下长期运行[2]。而目前国内三大主机制造厂给出的汽轮机长期运行允许频率波动范围为-5%～3%。对应60Hz工频，汽轮机长期运行频率应控制在57～61.8Hz。因此，为了在电网频率波动较大、低频运行工况下保证汽轮机叶片安全，需要汽轮机制造厂家对汽轮机通流部件尤其是通流叶片设计方案重新进行研究和优化。

不调频叶片强度足够在共振条件下仍能正常工作，无需将叶片的共振频率与激振频率调开以避免共振[1]，其不受运行频率变化的限制[2]，故汽轮机通流叶片全部采用不调频叶片是一个有效降低电网频率波动对叶片影响的方法。

1.3低频运行对汽轮机功率的影响

汽轮机的一个重要特征参数是速度比x1[1]：

(2)

式中：u为汽轮机动叶片进出口平均直径处的圆周速度，m/s；c1为汽轮机级喷嘴处气流速度，m/s；汽轮机级效率η与速度比x1密切相关，且受喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏气损失、湿汽损失、进出口压力损失、机械损失等各项能量损失影响。其中，余速利用使速度比在较大范围内对轮周效率的影响显著减弱[1]：对于冲动式汽轮机来说，因汽轮机内各级余速未完全利用，使得汽轮机效率-速度比呈非线性平方关系，导致汽轮机效率受转速影响较大(见图1)；对于反动式汽轮机，基于其结构特点，余速基本上可全部被利用，使得汽轮机效率-速度比呈非线性指数关系，转速在较大范围内变化时，其效率变化幅度很小(见图2)。

由图1、图2可见：当低频运行引起汽轮机转速变化，进而导致汽轮机各级速度比变化后，由于余速损失的影响，冲动式汽轮机效率变化较大，导致汽轮机功率波动较大；而反动式汽轮机当速比在一定范围内偏离最佳值时不会引起效率的明显下降，汽轮机功率波动较小，故其适宜于工况变化较频繁的地区使用[3-4]。

因此，若在长期低频工况条件下选用冲动式汽轮机，需考虑其功率受转速变化影响带来的巨大波动，机组选取容量应比额定容量大；若选用反动式汽轮机，由于转速变化对其功率影响不大，可选取额定容量与电厂要求容量大致相当的机组。

2 国内典型100MW级汽轮机产品特点

目前国内主要100MW级汽轮机厂家能生产冲动式汽轮机(双缸)、冲动式汽轮机(单缸)和反动式汽轮机。各型汽轮机剖面示意图见图3～图5。结合国内制造厂对其汽轮机产品介绍情况，各型100MW级典型汽轮机产品特点见表1。

表1 100MW级汽轮机产品特点表

3 长期低频运行汽轮机选择方案

3.1产品特点分析

综合分析表1中各类100MW级汽轮机产品特点可知：

(1) 典型100MW级冲动式双缸汽轮机轴系为多转子刚性或半挠性联接，临界转速影响因素复杂；且受末级动叶片影响，其转速适应范围较窄。另外，该机组出力受电网频率波动影响大，导致单台机组难以满足本工程电厂容量需求。

(2) 典型100MW级冲动式单缸汽轮机尽管其轴系短且为刚性联接，能较好地适应变转速运行，但受汽轮机动叶片限制，其转速适应范围较窄。另外，该机组出力受电网频率波动影响大，导致单台机组难以满足本工程电厂容量需求。

(3) 典型100MW级反动式汽轮机轴系各转子间均采用刚性联接，能适应大范围变转速运行。其汽轮机动叶片为不调频叶片，能适应大范围转速变化。另外，该机组出力受电网频率波动影响少，可选择合适容量的单台机组以满足电厂容量需求。

从各典型100MW级汽轮机轴系、动叶片、功率等方面分析，反动式汽轮机更能适应本工程汽轮发电机组长期低频运行且频率波动很大的需求，故笔者提出适应长期低频运行的135MW反动式汽轮机选择方案。

3.2长期低频运行下反动式汽轮机方案

该技术方案采用135MW一次中间再热抽汽凝汽式反动式汽轮机。汽轮机高、中、低压转子采用整锻转子，能很好地适应汽轮机变转速运行；调节级采用新叶型及子午面型线通道，通流部分采用新型的反动式叶型，全部为不调频叶片，使得汽轮机工作转速接近临界转速时，仍能保证叶片强度安全要求，避免出现叶片事故，满足当地大范围电网频率波动。另外，该135MW反动式汽轮机能在低频运行工况下保证功率不会产生明显的下降。根据项目装机容量要求，可选用一台135MW反动式汽轮机。

该方案在满足电网长期低频时机组安全稳定运行的前提下，汽轮机无需重新设计研发；汽轮发电机组低频运行工况下热效率较高；在满足总出力条件下，一台汽轮发电机组占地较少，适应改扩建项目场地控制要求；在满足项目规划容量的要求上，项目总体投资较少；工程安装工程量较少，有利于缩短工期，降低建造成本。

4 结语

通过对某火电厂建设条件和国内汽轮机产品及可能方案的研究，经整体比较，初步提出采用汽轮机动叶片全部采用不调频叶片的135MW反动式汽轮机的选型方案。后续设计中还将进一步对低频、低压运行工况下发电机、电气设备和电厂辅助设备及附件选型进行研究，使得整个电厂能长期安全稳定运行。

[1] 黄树红, 孙奉仲, 盛德仁, 等. 汽轮机原理[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[2] 袁季修, 陈荣德, 白亚民. 对大型汽轮发电机频率异常运行能力的要求[J]. 中国电力, 2001, 34(12): 32-36.

[3] 秦赟, 王海名. 冲动式与反动式汽轮机的优劣比较[J]. 应用能源技术, 2011(8): 1-6.

[4] 马群. 浅谈反动式汽轮机[J]. 贵州电力技术, 2003(10): 43-45.

[5] 隋永枫, 孙义冈, 丁旭东, 等. 不调频叶片设计改型研究[J]. 热力透平, 2010, 39(1): 19-21, 50.

Type Selection of Steam Turbines to Be Operated Under Long-term Low-frequency Conditions

Tang Lei, Zhang Saimin, Zhang Zhijun, Wang Xiaoyan

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

For a certain overseas power plant to be expanded to the capacity of 100MW class and operated under long-term low-frequency conditions due to the weak local power grid, an analysis was carried to the steam turbine for stable operation under above conditions. The 135MW reaction steam turbine with untuned blade was then proposed for the retrofit of unit considering the technical and structural features of domestic steam turbines. Results show that for steam turbines to be operated under long-term low-frequency conditions, the scheme proposed has certain advantages in the aspect of unit thermal efficiency, floor area and construction cost, etc., which may serve as a reference for similar projects.

steam turbine; low-frequency operation; resonance; untuned blade; integral rotor

2016-04-05

唐 磊(1983—)，男，工程师，研究方向为电厂热能工程设计研究。

E-mail: tanglei323@126.com

TK262

A

1671-086X(2016)06-0399-04