调门运行特性对超临界660MW机组经济性影响的试验研究

        0 前言
        汽轮机阀门组的工作方式有两种：一种是节流（单阀）调节，一种是喷嘴（顺序阀）调节。节流调节是全周进汽，转子和汽缸周向受热均匀，因此热应力较小，可以适应负荷的快速变化以及机组的快速启动。节流调节的缺点是在低负荷时，各个阀均部分开启而产生较大的节流损失，使机组的热效率要比各阀全开时低得多。
        在喷嘴调节方式下，所有的调节阀中只有一个是部分开启的，其它的阀门基本上不是全开，就是全关，因此节流损失只发生在一个阀上，这样就得到了较高的低负荷运行效率。
        喷嘴调节是汽轮机普遍采用的调节方式，但由于喷嘴调节在任何功率下，有些进汽弧段是关闭或部分开启的，破坏了汽轮机进汽的周向均匀布置，在启动以及负荷大范围变动时易引起静子部件各部分受热不均，造成极大的热应力。喷嘴配汽如果设计不合理，调节级在部分进汽时还会产生较大的配汽不平衡汽流力，给机组的运行带来不利影响［1］。据统计，近几年，国内若干台亚临界和超临界600MW以上容量等级的机组，在试生产期结束以后，在单阀切顺序阀运行的过程中，出现了一系列由于喷嘴配汽设计不当而引发的轴系故障问题。常见的异常现象主要有：汽轮机轴承金属温度与振动大幅度变化［2－4］、汽轮机轴向位移变化大［5］、调门在“阀点”处晃动［6］、调门损坏［7］、配汽方式切换时参数波动大［8］、顺序阀方式运行时协调响应能力差［9］、一次调频能力不足［10］等，这些异常现象的存在，导致机组运行中无法进行正常的调门运行方式切换，只能采用节流调节，从而导致调节阀节流损失大，严重影响机组运行的经济性。
        1 调门运行方式切换过程中的问题和原因
        1.1 调门结构和参数
        某厂的660MW机组是国产第一台超临界、单轴、三缸（高中压合缸）、四排汽、一次中间再热凝汽式660MW机组，机组型号为N660－24.2/566/566，调门设计数据如表1，调门结构与布置如图1所示。

表1 调门设计数据

        1.2 调门运行方式切换过程中的问题
        按制造厂要求，机组在168h试运完后半年期限内单阀运行，在半年期内性能试验时，或半年试运期完，调节阀的运行方式应该切换成顺序阀运行，以减小调门的节流损失，提高机组热效率。制造厂设计的顺序阀运行方式为GV3+GV4→GV1→GV2调门依次开启，但在进行机组性能考核试验时，在调节阀运行方式切换过程中，出现瓦温异常升高的问题。
        在540MW负荷下，机组进行从单阀到顺序阀的自动切换，切换后，轴向位移由0升至0.22mm、1号轴承瓦温由71.65℃升至112.57℃（跳机时的瓦温为113℃）、2号轴承瓦温由82.13℃升至110.83℃。机组调门的运行方式切换回单阀运行，1号、2号瓦温恢复正常。
        产生以上问题的原因是：机组在采用原顺序阀运行的配汽方案下，汽流力除产生推动转子旋转的扭矩外，在部分负荷下还将产生很大的附加横向汽流力，图2为在部分进汽横向汽流力作用下，轴承的工作状况示意图。附加横向汽流力随着GV3、GV4阀的开大而增大，当GV3、GV4阀接近全开而其它两阀尚未开启时达到最大，因此高压转子上所受的力除转子自身的重力外，还增加了由于部分进汽引起的横向力。转子在这一合力作用下，轴心位置发生偏移，这一偏移使1、2号轴承侧隙发生了很大变化，如图2所示，进油油楔面积大大减小，轴承供油量不足，导致机组1号、2号瓦瓦温升高，这是原设计方案对机组安全运行造成影响的主要原因。要从根本上消除对机组安全性的影响，实现顺序阀运行，以最大限度地提高机组经济性，应该寻求新的配汽方案以消除或降低调节级部分进汽时引起的附加汽流力。

        2 调门运行方式的优化试验
        制造厂原设计的顺序阀运行方式为GV3+GV4→GV1→GV2调门依次开启，由于阀门运行方式自动切换过程中，出现的瓦温急剧升高的现象已严重影响机组的安全运行，因此在阀门优化试验中，采取更为稳妥的方法，即逐个阀门手动关闭试验。
        2.1 阀门关闭试验
        阀门关闭试验就是有选择地缓慢关闭处于单阀运行方式下的汽轮机的一到两个调门，通过观察这一过程中汽轮机轴承金属温度的变化、汽轮机转子振动的变化、每个汽门关闭时负荷的变化，确定能够满足汽轮机安全运行的顺序阀运行方式的阀序。

        试验过程中，模拟制造厂原设计的顺序阀工况，关闭GV2阀后，继续关闭GV1阀，GV3、GV4阀单阀方式运行。试验数据如表2所示。
表2 模拟原设计的顺序阀运行的试验数据
        此试验工况模拟了机组单阀切至顺序阀后的情形，GV1阀开度继续关小时，1、2号轴承右侧温度升高很快。随着GV1阀逐渐开大，下部进汽量增加，会使转子向上的推动力增加，右侧轴承温度渐渐降低，但由于GV2阀不进汽，转子仍然偏向右侧，右侧轴承温度偏高，随着GV2阀的逐渐开启，机组恢复单阀运行，转子的受力恢复平衡，右侧轴承温度恢复正常。分析出现这种现象的原因是高压缸上部进汽时，下部进汽量减少，产生不平衡气流力的作用。
        2.2 调门运行方式优化试验
        由于制造厂原设计的顺序阀运行方式导致机组瓦温高，不能正常运行，因此将阀门开启方式改为先开GV1和GV2阀、再顺序开GV3和GV4阀，始终保证转子向上的作用力充足，按这种方式切换后，机组瓦温不再异常升高，机组能够正常运行。
        更改热工控制程序，将调门的开启顺序改为GV1+GV2→GV3→GV4调门依次开启，机组实现了单阀向顺序阀的自动切换。顺序阀运行方式下，机组各工况下的运行数据如表3所示。

表3 调门顺序阀运行方式下的试验数据

        从表3可以看出，机组调节阀的运行方式由单阀改为GV1+GV2→GV3→GV4调门依次开启的顺序阀运行方式后，机组1号、2号瓦温和振动、机组的轴向位移正常，机组能够安全运行。
        3 不同调门运行方式下的机组经济指标比较
        机组投产后，由于在制造厂设计的顺序阀运行方式下，轴系存在故障，机组一直单阀运行，热耗率高，热效率低，经济性差。将机组改为上述顺序阀运行方式后，机组经济性提高，由热力性能试验结果比较了机组单阀运行和顺序阀运行的经济指标，如表4所示。

表4 不同调门运行方式下的机组经济指标

        由表4可以看出，机组在单阀运行方式下，高压调门节流损失较大，因此顺序阀运行方式下的经济指标优于单阀运行的指标，机组热耗率低，高压缸效率高，中压缸效率差别不大。尤其是400MW、500MW低负荷工况，经济指标差别较大。400MW顺序阀工况，热耗率低162kJ/（kW•h），高压缸效率高9.125%，中压缸效率高0.408%；500MW顺序阀工况，热耗率低93.89kJ/（kW•h），高压缸效率高5.578%，中压缸效率高0.468%；对于600MW～660MW工况的单阀运行方式，高压调门开度较大，此时高压缸效率与顺序阀方式的高压缸效率比较接近，仅比顺序阀运行的高压缸效率低1.57%～1.8%，中压缸效率和机组热耗率都相差很小。
        机组在不同调门运行方式下，经济指标差别较大，因此在机组正常运行方式下，调门应该以顺序阀方式运行；在机组停机后重新启动、或热态启动和快速调峰时，考虑热应力的变化和机组轴系安全，调门可以单阀运行。机组目前的运行负荷，白天在500MW～550MW负荷之间，晚上在350MW～400MW负荷之间，都处于调门单阀与顺序阀运行经济指标差别比较大的区域，机组由单阀运行改为顺序阀运行方式后，节能效果明显。
        4 调门重叠度的优化设计
        4.1 调门重叠度的优化
        调门重叠度主要受到以下几个因素的影响：（1）调节级的效率；（2）总的流量特性的线性度；（3）阀门的提升力。
        机组投产后，由于缺少必要的数据作为日常运行指导，在顺序阀运行方式下，机组从600MW负荷就开始滑压运行。600MW负荷，主汽压力为22MPa；500MW负荷，主汽压力为21MPa。机组没有充分发挥超临界参数、高效率运行的优势，同时由于调门重叠度调整不合理，调门过早开启，在低负荷下，加大了节流损失，导致机组热效率下降。
        在性能试验过程中，要求机组定压运行，在500MW工况下，机组定压运行，主汽压力23.8MPa，GV1阀开度71.7%，GV2阀开度69.2%（控制开度70%），GV3阀开度5.4%；在400MW工况下，主汽压力19.7MPa，GV1、GV2阀开度65%，GV3阀开度5.1%。在500MW以下负荷，GV3阀开度很小，造成较大的节流损失，重叠度设计不合理。根据试验工况调整过程，在背压5kPa～8kPa之间，机组定压运行，GV1和GV2阀能够带500MW负荷，因此对调门重叠度进行调整，使得在500MW以下负荷，只开GV1、GV2阀，GV3阀不开，这样会减少调门节流损失，同时达到提高运行主汽压力和循环热效率的目的。
        4.2 调门重叠度调整试验
        调整前，在汽机进汽量目标值77.32%时，GV3阀开度2.22%；在进汽量目标值88.66%时，GV4阀开始开启。调整后，在汽机进汽量目标值大于82%时，GV3阀开始开启，在进汽量目标值为83%时，GV3阀开度8.15%；在进汽量目标值92%时，GV4阀开始开启。
        调整后，机组负荷由534MW减至495MW时，GV3阀开度由9.8%减至0，当负荷为495MW时，GV1、GV2阀开度为83.2%、81%，主汽压24.1MPa，主汽温561.9℃；机组负荷由496MW逐渐加至550MW，在进汽量目标值大于82%时，GV3阀开始开启，此时负荷变化不大，2min负荷增加10MW，GV3阀流量曲线修改后对负荷变化率影响不大，增减负荷特性良好，增减负荷过程中，未见大的负荷波动现象。调门重叠度调整前后的高压缸效率和调门开度见表5。

表5 调门重叠度调整前后试验数据

        由表5试验数据可知，调门重叠度调整后，在机组负荷低10MW的前提下，高压缸效率稍有增加。同时可以维持较高的运行主汽压力，有利于提高机组的循环热效率。由于机组目前的平均运行负荷，白天在500MW～550MW负荷之间，晚上在350MW～400MW负荷之间，调门重叠度调整后，减少了节流损失，提高了运行的主汽压力，机组循环热效率得到提高，具有很好的节能效果。
        5 结论
        超临界660MW机组按照制造厂原设计的顺序阀运行方式，在从单阀切换到顺序阀的过程中，出现瓦温急剧升高的现象，影响机组安全、经济运行，致使机组投产后，一直单阀运行，调门节流损失大，同时由于机组单阀滑压运行，超临界参数的优势没有得到充分发挥，导致机组热效率低，造成了较大的能源浪费。通过模拟试验，确定GV1+GV2→GV3→GV4调门依次开启的方式，成功完成从单阀到顺序阀运行方式的切换。热力性能试验结果表明，机组在顺序阀运行方式下，在500MW以下负荷，节能效果明显。结合机组日常运行和调门重叠度调整不合理的情况，对GV3、GV4阀重叠度进行了调整，使得机组在500MW以下负荷运行，GV1和GV2阀全开、GV3阀不开即满足需要，减少了节流损失，并相应提高机组运行主汽压力，保证机组超临界参数运行、高效率运行的优势得以发挥。
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