切除低压缸运行风险分析及应对策略探索

杨 阳

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

在我国电力产能过剩的情况下，随着国家对清洁能源消纳力度的增加，火电机组的调峰需求逐渐增大，一些欧洲发达国家火电机组的先进调峰经验[1-2]也渐渐进入国内火电行业视野。为响应国家火电灵活性改造政策要求，提高机组供热期深度调峰能力和供热能力，增强机组在电力市场的竞争力和盈利能力，国内一些电厂开始关注并实施低压缸切缸改造。同时，当前国内火电市场一些新机组在招标时就要求具有低压缸切除能力，以获得更大的热电比，提高市场竞争力。

“低压缸切缸”也称“低压缸零出力”，是将低压缸进汽切除，仅保留少量的冷却蒸汽，用于带走低压转子鼓风产生的热量，从而实现低压缸零功率运行的一种技术方法。由于低压缸进汽量极小，因此切缸后低压缸处于鼓风状态运行，必须采用喷水降温的方式对汽轮机排汽进行降温。

汽轮机在抽凝状态运行，存在低压缸最小冷却流量，以保证额定背压下的低压缸排汽容积流量充足。国内切除低压缸技术方案有两种，一种为直接将汽轮机抽凝工况下的低压缸最小冷却流量状态切换到最终切缸状态，另一种为在抽凝到切缸工况之间实现平滑过渡，并实现中间工况点的灵活性停留。

以上两种技术方案均有效降低了低压缸冷却蒸汽流量消耗，提高了机组供热能力、深度调峰能力、机组运行灵活性以及供热经济性。但是，由于低压缸运行条件苛刻，上述方案也面临着运行上的难度以及相应的不安全因素。

本文将对汽轮机切除低压缸运行存在的潜在风险因素进行详细分析，并提出相应的应对策略，旨在最大程度上确保汽轮机切缸工况下的运行安全性。

1 方案介绍

图1 连通管位置改造示意

连通管位置设计方案如图1所示，常规供热机组的连通管为单支结构，连通管调节阀(一般为蝶阀)带有最小流量的通流孔或机械限位，具备切除低压缸功能的机组连通管一般设计为连通管加小旁路结构，连通管及小旁路上均设置调节阀。连通管调节阀为完全密封式阀门，连通管旁路上的调节阀则需要留有通流孔或机械限位以及间隙，以防止低压缸完全闷缸。低压缸进汽侧装设压力测点和温度测点，低压缸进汽量作为重要的控制参数，可以通过低压缸进出口参数和弗留格尔公式计算，也可以在旁路上加装流量测量装置来测量，并在分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)上做数值显示。由于不能确保连通管调节阀的绝对密封性，若存在泄漏，则低压缸的进汽量等于连通管泄漏量与通过旁路的流量之和，因此通过加装孔板流量计等流量测量装置来测量低压缸进汽流量的方法，精确度存在较大不确定性，推荐采用弗留格尔公式计算低压缸进汽流量。

要使汽轮机具备切缸运行能力，在系统上不同于常规抽凝机组的设计还包括以下几个方面。

1.1 喷水系统

切缸状态下低压缸进汽量极小，因此切缸后低压缸处于鼓风状态运行，此时排汽温度过高，会损坏凝汽器或排汽装置，必须采用喷水降温的方式对汽轮机排汽进行降温。

喷头的雾化效果取决于喷头内压力是否处在合适的范围内。喷水管路是在汽轮机启动及事故工况下使用的，其配置容量远远超出切缸的需求，若将其用于切缸工况，将导致两种情况：(1)喷水雾化效果虽然好，但喷水过量，回流湿蒸汽会加快叶片水蚀速度;(2)喷水虽然适量，但雾化效果不好，仍然会加快叶片水蚀速度。因此需要增加切缸专用的小喷水管路，保证喷水适量和雾化效果。

1.2 设置末3级鼓风监测测点

切缸后低压缸进汽流量小，末级、次末级、次次末级叶片均有可能处于做负功状态，鼓风发热较为严重，若叶片温度，尤其是动叶温度超过叶片自身许用温度，将会导致叶片损坏，给机组运行带来安全风险，故需装设末级、次末级、次次末级热电偶，分别监测末级、次末级、次次末级动叶进口温度。

1.3 轴封加热器再循环

部分抽凝机组的抽汽供热回水流至除氧器或低压加热器位置，导致轴封加热器冷却水量不足，需要通过再循环回路增加轴封加热器的冷却流量，以保证正常运行。

1.4 增设叶片颤振监测装置

需要增设叶片颤振监测装置，以实时监测末级叶片的叶顶间隙、叶片振幅，振动频率、叶片温度。

1.5 控制逻辑

控制逻辑的主要内容如下：

1)将新增各压力、温度测点接入数字电液(Digital Electro Hydraulic, DEH)控制系统，根据工况的不同，增加相应的报警保护逻辑，用来保护低压缸和末级叶片；

2)梳理抽凝运行逻辑中不适用于切缸工况的逻辑，逻辑判断机组处于切缸工况时，对这些逻辑予以屏蔽；

3)根据切缸后的机组电、热负荷特性，优化调整机组自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)负荷相应控制逻辑，确保机组安全、稳定运行；

4)设置切缸状态喷水保护逻辑，精确控制喷水量，从而实现对汽轮机排汽温度的精确控制。

2 潜在风险

低压缸切除及灵活运行的潜在风险主要在四个方面：叶片颤振、动静碰磨、叶片鼓风发热和叶片水蚀。

2.1 叶片颤振

叶片颤振是在汽流激振力的作用下，由于汽固耦合作用所形成的自激振动，这种振动非常剧烈，振幅远超叶片的常规振动。叶片处于颤振状态运行，叶片发生疲劳断裂的时间将大大提前，为汽轮机运行带来附加风险。

叶片颤振一般出现在小容积流量下，汽轮机切缸状态下低压缸末级叶片的振动就非常容易落在易颤振区域，加之低压缸进汽量极少，流场不稳定，容易造成汽流激振力的波动，更容易发生叶片颤振。因此必须采取相应措施，避开易颤振区域。

2.2 动静碰磨

汽轮机切缸状态下变工况运行，末级叶片、内缸温度变化大，温度分布不均，引起叶顶间隙的改变，有出现动静碰磨的风险。图2展示了某机组切缸过程中末级叶片叶顶间隙的变化。

图2 某机组切缸过程末级叶片叶顶间隙变化

2.3 叶片鼓风发热

切缸状态运行下，低压缸末级、次末级甚至次次末级叶片都处于做负功状态，鼓风发热严重，叶片局部温度有可能超过许用温度，这会引起叶片刚度降低，导致叶片共振区接近工作转速，产生共振风险。另外，排汽温度超过排汽装置或凝汽器的许用值，还会对其造成损坏。

2.4 叶片水蚀

如图3所示，低压缸排汽容积流量较小时，会在排汽区形成回流。切缸状态下，必须通过喷水来抑制汽轮机排汽温度，这会导致喷水被回流卷吸，喷水产生的水滴被回流夹带，打在末级叶片的出汽边根部，造成较为严重的水蚀。此区域离心应力水平高，水蚀后裂纹扩展快，随着运行时间的日积月累，叶片的安全风险会逐渐增大，水蚀达到一定的程度即会造成叶片断裂事故，给汽轮机的运行安全带来较大的风险。

图3 汽轮机低压缸排汽区域回流示意[3]

3 低压缸切除及灵活运行潜在风险的预防

3.1 叶片颤振及动静碰磨的预防

3.1.1 基于理论研究成果避开颤振危险区域

国内外对叶片颤振均有一定的理论研究。张扬军等[4]分析了叶片间相角和成组叶片边缘的气弹稳定性对蒸汽轮机叶片颤振的影响；姜伟等[5]基于流固耦合的时域分析法对叶片颤振问题进行了数值模拟分析研究。

基于国内外在汽轮机叶片颤振方面的理论研究成果，部分改造厂商推测了发生概率较高的颤振容积流量区域，给定一个如图4阴影区域所示禁止运行区域，机组在运行过程中避开该区域。

图4 颤振发生区示意图

这种基于纯理论的做法存在一定的弊端。首先，叶片颤振作为叶轮旋转机械领域的一大难题，其诱发的精确条件和在特定边界条件下引发的精确结果至今仍在探索中，未有定论，因此禁止运行区域的设定存在很大的不确定性。其次，由于需要考虑不确定性，禁止运行区域的设置较为宽泛，大大影响了汽轮机切缸运行的灵活性，给电厂运行设置了较大的障碍。最后，由于末级叶片存在众多的形式，如自由叶片、拉筋成组叶片、整圈自锁叶片等，叶片形式的不同决定了诱发颤振的条件和难易程度不同。因此基于理论研究成果的方法在适用性方面存在较大的争议。

3.1.2 基于动应力试验避开颤振危险区域

采用无线电遥测技术对叶片动应力进行测试，是一种较为传统的测量叶片动应力的方法。该方法通过贴应变片的方式测量并分析叶片动应力。

由于发射机装在缸内，由电池供应电力，一般该系统工作的时间只有几天左右，因此机组安装调试完成后必须尽快进行试验，并对机组切缸后所有可能的运行工况全部进行运行测试，以得出切缸状态下的危险工况，在以后的切缸运行中予以避开。

这种方法也常用于长叶片的开发测试。这种测试方法也存在一定的弊端，由于应变片粘贴牢固性往往不足以承受叶片3 000 r/min旋转状态下的离心力作用和蒸汽的高速冲击，试验中应变片可能脱落，导致无法达到预期目标。

3.1.3 叶片振动在线监测

叶片振动在线监测在硬件层面一般由采集端和监控端两部分构成。

采集端架构如图5所示，由转速传感器、电涡流传感器、前置采集模块、数据处理系统模块和服务器构成，电涡流传感器与转速传感器配合，能够实现对叶片振幅、频率及叶顶动静间隙的监测，温度传感器可以安装用来辅助测量叶片的金属温度。

监控端结构如图6所示。振动信号、转速信号、温度信号由工控机通过通信协议连接至DEH控制系统。通讯卡件接入电厂DEH显示，也可通过网络协议传输至交换机，连接到电厂生产实时信息系统，或者通过网闸、虚拟私人网络设备和电信调制解调器连接至该系统提供商，进行远程诊断服务。

图5 叶片振动在线监测系统采集端

图6 叶片振动在线监测系统监控端

该系统采用了叶尖定时原理[6]，通过测量叶片到达传感器的时间及相应的同步共振及异步振动的算法，计算出叶片的振动参数。这种技术之前用于航空发动机涡轮叶片的开发测试，后被用于汽轮机长叶片的开发，在核电汽轮机、供热机组、深度调峰机组上有广阔的应用前景。

将该技术用于汽轮机低压缸切缸运行，不仅能够实时测量叶片的振幅、频率，而且可以解决叶顶间隙的实时监控问题。由于其具有实时监控、长期监控的特点，汽轮机一旦出现颤振，相应数据将被记录，并在以后的运行过程中予以避开。同时在振幅、叶顶间隙超过许用值时，通过发出报警的方式，协助运行人员迅速改变机组运行工况，从而避免汽轮机进入危险工况运行。

因此，相比基于理论推测颤振危险区域和叶片动应力试验的方法，该方案具有较大的技术优势。然而目前该方案硬件成本较高。

3.2 叶片鼓风发热的控制

汽轮机在抽凝状态运行，存在低压缸最小冷却流量，这个最小冷却流量的设定主要考虑额定背压下低压缸排汽要有足够的容积流量，防止末级叶片进入鼓风状态。考虑到低压缸进汽量过少引起汽流激振力的变化诱发叶片颤振问题，对于常规抽凝机组，主机厂一般不允许机组在流量低于低压缸最小冷却流量的情况下运行。

当汽轮机向切缸状态切换，如图7所示，汽轮机低压缸的进汽压力越低，进汽量就越少，保证低压末叶片不做负功的最高背压就越低。因此，需要通过降低背压来控制叶片鼓风发热。

图7 低压缸切缸运行背压指导曲线

为了规避颤振风险，国内进行低压缸切缸改造的一般方案为从汽轮机抽凝工况下的低压缸最小进汽量状态快速切换到最终切缸状态。由于切缸状态下低压缸进汽量极低，因此很难通过运行调整的方式将背压降低至叶片完全不做负功状态，故末级、次末级，甚至次次末级叶片仍有可能处于鼓风状态运行。因此加装末级、次末级和次次末级热电偶是必要的。通过末3级动叶进口温度的监测，以及必要时增加低压缸冷却蒸汽量来防止叶片温度超过许用值。

上海电气及相关合作单位通过降低背压的方式，保障低压缸在更低的进汽量下充足的排汽容积流量，并通过叶片振动实时监测的手段规避颤振风险，实现抽凝到切缸工况的平滑过渡和机组在中间工况点的停留，这种灵活性切除低压缸的方式在汽轮机没有必要进行完全切缸时能够有效防止叶片鼓风发热和排汽超温。实际上只要背压可以优化到足够低的程度，这种运行工况就能无限接近低压缸切除工况，但其却具有不需要喷水减温的重大优越性。如图7所示，汽轮机在斜线阴影区域运行，末级叶片具有足够的容积流量，因此不会鼓风发热。黑色区域为通过叶片振动实时监测获得的出现颤振的区域，该区域不允许运行，浅色区域接近颤振区，不建议在这个区域长期运行。

另一方面，在保证汽轮机运行安全的前提下，尽量降低低压缸的进汽温度，对于切除低压缸运行也有较大的好处。相同的低压缸冷却蒸汽量下，较低的进汽温度使得流经每一级低压叶片的蒸汽温度也相对较低，叶片的安全能够得到更大的保证。可以通过降低采暖抽汽压力，即中排压力的方式来实现更低的低压缸进汽温度，其原理如图8所示。该焓熵图中给出了切除低压缸运行状态下，相同低压缸冷却蒸汽量下蒸汽从中压缸进口到低压缸进口两种不同中排调整抽汽压力设定下的蒸汽膨胀线，由图8可见，过程2相对过程1采暖抽汽压力更低，其低压缸进汽温度也更低。

图8 两种不同采暖抽汽压力蒸汽膨胀线

图9 调节级压力或再热压力与推荐中排压力曲线及相应整定值

图9给出了基于理论计算的汽轮机调节级压力或再热压力与推荐中排压力(即采暖抽汽压力)的关系。汽轮机切除低压缸运行时，在满足热网抽汽压力的前提下按照该曲线运行，能够使低压缸进汽温度达到最低，确保汽轮机中压叶片安全。为了保证切缸运行时低压缸温度不至于过度升高，图中还给出了切缸状态调整抽汽压力上限，并将保护定值做进控制逻辑中，用于提醒运行人员。为防止中压叶片，尤其是中压末级叶片压差过大，并防止调整抽汽压力超限，还应对调整抽汽压力设置最低限制，对抽汽压力设置最高限制，并设置相应的逻辑保护。

3.3 叶片水蚀的预防

当汽轮机不能在图7所示斜线阴影区域运行时，低压末级叶片就会进入鼓风状态运行。一旦排汽温度超过允许值，喷水装置就会投入，以降低排汽温度，末级叶片出汽边根部水蚀就不可避免。因此最好的运行方式就是将运行背压控制在斜线阴影区域，喷水装置不投入运行。

如果因为客观运行条件的限制，不得不采取喷水措施，则建议精确控制喷水量，使得排汽温度能够略高于当前背压对应的蒸汽饱和温度，即使排汽存在一定的过热度，尽量减少排汽与喷水混合之后水滴的出现。这在一定程度上能够降低水蚀的影响。

为了降低水蚀对叶片的损害作用，国内在进行低压缸切缸改造方面也有引入叶片金属喷涂的方案[7]。一般意义上来说，几乎所有防水蚀措施都会或多或少降低叶片的强度等级。以超声速火焰喷涂为例，其所产生的高温可能导致叶片变形，并且喷涂的防水蚀效果与孔隙率、氧化物含量以及涂层成分均有关系，效果尚有待验证。另外，对叶片底部出汽边的高离心应力区域进行防水蚀处理，将牺牲叶片强度水平，一旦防水蚀失败，则有加速叶片断裂的风险。

4 结 论

本文介绍了汽轮机切除低压缸运行的潜在风险，重点介绍了针对这些潜在风险可以采取的解决方案，得出如下结论：低压缸切除及灵活运行存在叶片颤振、动静碰磨、叶片鼓风发热和叶片水蚀四个方面的风险。对于叶片颤振问题，可通过理论推测危险区域，使机组在运行中避开该区域，也可以通过叶片动应力试验发现危险工况，使机组在运行中避开该工况，还可以通过叶片振动在线监测系统实时监测并避开等方式予以防范，其中叶片振动在线监测系统具有较大的技术优势；动静间隙可通过电涡流传感器进行实时监控，原理与叶片振动在线监控系统测量振动相同；通过背压的控制能够避免低压末级叶片进入鼓风状态，避免喷水造成的末级叶片出汽边根部水蚀，实现灵活性切除低压缸；通过控制中排抽汽压力能够在保证中压缸叶片安全的前提下使低压缸进汽温度达到最低，降低低压缸切除难度；通过精确控制喷水量，使排汽具有一定的过热度，能够降低水蚀对叶片的伤害。