联合循环汽轮机中压缸壁温下降原因分析及应对策略

0引言

在双碳背景下，拥有效率高、污染少、灵活性高、电网调峰性能突出等一系列特点的燃气-蒸汽联合循环发电机组成为近年来各地新建能源项目的主要选择^[1]。

广东惠州LNG电厂二期建设3×460 MW燃气-蒸汽联合循环一拖一分轴机组，燃气轮机是三菱重工的M701F4型'汽轮机为东方汽轮机厂(DTC)制造的三压再热双缸向下排汽抽凝供热汽轮机，型号为LCC150-13.2/3.0/1.5/566/566，额定负荷150MW，由于启停灵活、电网调峰性能突出的特点，通常采用“两班制”运行，即日开夜停，机组启动状态分为热态、温态、冷态。项目自2019年全面投产至今，厂内技术骨干通过技术分析和改造解决了众多设计中存在的缺陷和不足，极大地提高了机组运行安全性和经济性，但仍存在一些难题至今未能有效解决。

汽轮机作为发电厂主要设备之一，其寿命和运行安全对于发电厂经济效益和生产安全具有重大意义，目前M701F4联合循环机组普遍存在机组启动时汽轮机中压缸排汽口壁温下降问题，严重威胁机组运行的安全性和经济性，本文旨在找到此问题的根源并提出应对策略。

1 温降现象

如图1所示，#4机某次冷态启动过程中'中压排汽口下半内壁温度(后文简称“中排下壁温”)出现两次明显的温度下降，第一次出现在燃机升至暖机负荷且汽轮机未冲转时，汽机中排下壁温在30 min内由149℃下降至49℃'温降幅度达到100℃;第二次下降出现在汽轮机挂闸开始冲转时，温降约25℃。

查看历史曲线发现三台汽轮机启动时中排下壁温均存在异常下降现象。不同启动状态下，中排下壁温异常下降幅度有所区别，热态启动温降幅度约20 ℃ '随着启动状态的变化直至冷态启动温降幅度扩大至100℃，温度下降持续时间约30 min。

综上所述，可以判断中排下壁温骤降并非个例或偶发问题，在排除测点异常问题后，推测可能是有积水或冷凝水进入该区域所致。

2原因分析

第二次中排下壁温度下降相较于第一次温降明显缓和许多，第一次温降幅度大'对汽轮机的损伤更严重，本文将着重分析第一次温度骤降的原因。

汽轮机高中压缸剖面结构如图2所示，中压进汽管位于中压缸入口下方，中压缸为全周进汽，在第五级后设置一抽汽管用于抽汽供热，最后在中压缸全周排汽腔室上方为中压排汽管。此外，图中接口1和接口2为中压缸缸体接至外缸疏水，接口3为阀杆漏汽接至中压排汽缸的接口。中排下壁金属温度测点位于中压缸排汽腔室下壁最低处。

第一次中排下壁温骤降发生在汽轮机冲转前，此时燃机处于暖机负荷，汽轮机未挂闸冲转，各个主汽阀主调阀均处于关闭状态。

结合上述汽轮机中压缸结构'推测冷凝水的来源有如下几种原因:

①汽缸内疏水不合理,停机后有积水残留;

②轴封蒸汽带水或在缸内冷凝;

③中压联合汽阀内漏,蒸汽从中压进汽管进入后凝结;

④中压缸抽汽口下方疏水管倒流进入;

⑤高中压缸外缸疏水(接口2)倒流进入;

⑥阀杆漏汽管(接口3)流入。

2.1 原因①分析

查看各机组多次冷态启动前上一次停机后汽缸各个测点温度变化趋势图,停机后汽缸内各点温度均缓慢下降,直至机组送轴封蒸汽前无突降,说明没有冷凝水流入汽轮机中压缸内使温度突降。机组在启动前凝汽器已抽真空,中排下壁温呈现上涨趋势,无突降现象,中压缸内为负压状态且与凝汽器压力相同,对应饱和温度约为39.0℃。

三台机分别取近期某次冷态启动前中压缸温状态,如表1所示,中压排汽口下半内壁金属温度远高于饱和温度,缸内各区域最低壁温也远高于饱和温度,说明缸内不存在积水。

2.2 原因②分析

查看#4机冷态启动前送轴封后的温度变化趋势 历史曲线,中排下壁温仅在送轴封初期有15℃小幅度下降,随后轴封供汽维持温度215℃ ,压力40 kpa,中排下壁温保持上涨,直至机组启动前已涨至149.0 ℃ , 未出现温度突降,轴封供汽和中排下壁温已远超饱和温度,由此判断轴封蒸汽无带水或冷凝情况。

2.3 原因③分析

假若有蒸汽从中压进汽管进入中压缸,必然也会造成进汽口壁温变化,但通过查看不同机组不同时间冷态启动的历史曲线得知,从机组启动到冲转前,中压缸进汽口上下内壁温均无明显变化,且三台汽轮机均出现阀门内漏的可能性比较低,故排除中压联合汽阀内漏导致冷汽由中压进汽管进入的可能性。

2.4 原因④分析

如图2所示,中压缸五级有一抽汽口,在中压缸抽汽口下方管道设有一组疏水接至疏水集管二。

若在暖机初期锅炉起压后,大量冷蒸汽和部分不凝结气体经主汽管道疏水管排入凝汽器疏水扩容器内导致疏水扩容器内压力升高,而中压缸内负压和凝汽器负压相当,则有可能形成压差为冷蒸汽经疏水管倒流入中压缸提供动力,中压缸抽汽口下方管道疏水阀在启机时保持打开状态,故此处存在倒流的可能性。

为验证上述可能,查看#4机近期某次冷态启动过程相关参数变化情况如下:机组启动前中压缸抽汽口下方管道疏水管后温度约为21℃ ,无明显变化趋势,疏水集管二温度约150℃ ,呈缓慢下降趋势(辅汽暖管打开部分疏水阀导致疏水集管二温度较高,辅汽疏水阀关闭后温度下降),中排下壁温出现骤降时疏水集管二温度下降速率有明显提高,同时中压缸抽汽口下方疏水管后温度开始出现升高趋势,说明有扰动导致温度场发生变化,故推测可能有蒸汽或不凝结气体倒流或中压缸内有蒸汽从疏水管流出,引起疏水集管二温度下降速率增加以及中压缸抽汽口下方疏水管后温度升高。

某次#4机冷态启动时进行相关试验,在燃机并网后关闭中压缸抽汽口下方管道疏水阀,发现在同一启动节点中排下壁温仍出现了相同幅度下降,因此,排除中压缸抽汽口下方疏水管倒流引起中排下壁温骤降的可能。

2.5 原因⑤分析

高中压缸外缸疏水接至凝汽器疏水扩容器,与原因④原理相同,当锅炉汽包起压后大量冷蒸汽夹杂部分不凝结气体进入疏水扩容器从而使疏水扩容器内压力升高,与汽轮机汽缸形成压差导致疏水不畅甚至出现冷汽逆流的情况,冷汽从接口2进入中排下壁致使温度骤降。

与原因④中现象类似,在中排下壁温出现突降前高中压外缸疏水管温度有明显的突然上升,表明存在蒸汽流过疏水管,在汽缸进汽前,蒸汽来源有两种可能性:1)高中压外缸疏水管蒸汽倒流;2)从其他地方进入的蒸汽经高中压缸疏水口(接口2)进入外缸疏水管引起温度上升。

某次#4机低温态启动时,进行如下试验:在燃机启动至并网前,关闭高中压外缸疏水阀,当燃机启动至3 000 r/min后,中排下壁温开始迅速下降,与过往冷态启动趋势一致,温降幅度也相差无几,故可确认,该疏水阀关闭时,中排下壁温仍会出现下降。因此,排除疏扩冷水冷汽倒吸造成中排下壁温下降的可能。

2.6 原因⑥分析

主蒸汽截止阀和调节阀阀杆漏汽接管如图3所示,高压调节阀第二段阀杆漏汽和中压小联合汽阀阀盖第一段漏汽汇集后接入中排,即接口3接入,两段漏汽管道均有较长距离的水平布置,此前我厂经过技术分析认为冷源来自高压调节阀第二段阀杆漏汽管积水,因此在#5机和#6机高压调阀阀杆第二段漏汽管加装了一处疏水口,即图3中疏水7,#4机暂未改造。

高压调节阀位于高压主调阀之后,当高压主汽阀存在内漏时才可能有蒸汽从高压主调阀阀杆漏汽管进入中压缸,三台机组高压主汽阀同时存在内漏的可能性较低,且#5机和#6机疏水改造后每次冷态启动前都会打开高压主调阀阀杆漏汽管疏水一、二次阀进行疏水,直至汽轮机3 000 r/min并网前关闭,经过多次启机验证此疏水操作对中排下壁温骤降的改善并不明显,中排下壁温在冷态启动时仍有接近100℃温降,故本文认为冷汽来自高压调节阀第二段阀杆漏汽管积水并非主要原因。

中压小联合汽阀结构如图4所示,阀盖第一段漏汽口位于阀前,与主蒸汽管道直接相连,中压主蒸汽可以由阀门漏汽口直接进入中压缸。在机组启动过程中,中压主蒸汽压力在壁温骤降前5 min从0开始迅速起压,骤降前2 min中压主蒸汽压力达到0.2 Mpa,此时中压小联合汽阀上阀座疏水即图3中疏水1打开,接下来的2 min内中压压力由0.2 Mpa快速上涨至1.5 Mpa,而中排下壁温在此时出现大幅下降。

结合上述现象及分析得出如下推论:机组长时间停运阀体冷却后中压小联合汽阀阀座和阀盖漏汽管水平段内存在一定量积水,且机组冷态启动时阀体温度较低,所以锅炉一旦产生蒸汽进入阀门腔室,即会在腔室壁面及管道表面发生凝结换热^[2],形成凝结水,当机组并网前后中压蒸汽压力快速上涨,对应饱和温度快速上涨,冷凝换热加剧,由此产生了较多的凝结水,中压主蒸汽携带着积水和阀体壁面的冷凝水从中压小联合汽阀阀盖第一段漏汽管进入中排下壁造成中排下壁温骤降。

#5、#6机组打开了阀杆漏汽管疏水仍出现温度骤降的原因可能是主蒸汽压力快速上涨时大量汽水和不凝结气体进入疏水扩容器,导致疏水扩容器和中压缸存在一定的压差造成疏水不畅,且疏水管管径较小,无法及时将管道内所有汽水排至疏水扩容

器,相对而言中压缸内真空度更高,所以大部分汽水仍进入中排下壁处,最后经高中压外缸疏水流出,同时对中压缸抽汽管下方疏水产生了一定的扰动,故导致冲转前高中压缸外缸疏水管和中压缸抽汽管下方疏水管温度场发生变化。

在查看#5机组近期大修后第一次启动过程时发现,启动过程中中排下壁温仅下降28℃ ,推测由于检修时拆检了阀门和管道,清除了积水,仅受到冷凝水影响,所以温度下降幅度较小。由此判断造成中排下壁温骤降的主要原因是阀座、管道等积水和阀壁冷凝水。

3 结论

1)汽轮机在启动前中压缸内温度远高于饱和温度,排除缸内存在积水的可能性。

2)轴封蒸汽初期温度较低,确有造成中排下壁温轻微下降,但后续轴封温度远高于饱和温度,故不存在轴封带水或冷凝的情况。

3)三台机组主汽阀门均内漏可能性较低,且在汽轮机进汽前中压缸进汽口壁温无明显变化,排除阀门内漏,蒸汽进入中压缸的可能性。

4)中排下壁温骤降前中压缸抽汽口下方疏水管和高中压缸外缸疏水管温度有明显上涨,说明流场发生了变化引起温度变化,蒸汽起压时大量冷汽和不凝结气体排入疏水扩容器可能导致疏水扩容器与中压缸存在一定差压,推动蒸汽从中压缸抽汽口下方疏水管或高中压外缸疏水倒流进入缸内。在相关启机试验中分别关闭中压缸抽汽口下方疏水阀和高中压外缸疏水阀,结果中排下壁温仍出现骤降,表明中排下壁温骤降原因并非疏水管倒流,疏水管温度变化也可能是缸内有蒸汽经疏水管流出。

5)机组长时间停运后中压小联合汽阀阀座和阀盖漏汽管水平段内存在积水,启动过程中中压蒸汽压力快速上涨,在阀壁遇冷产生凝结水,最后中压主蒸汽携带着积水和阀体壁面的冷凝水从中压小联合汽阀阀盖第一段漏汽管进入中排下壁造成中排下壁温骤降,进入中压缸内的水汽经高中压缸疏水管和中压缸抽汽口下方疏水管流出,从而引起疏水管温度明显上涨。

4 应对策略

当机组尤其是大容量的调峰机组投入运行后,由于电网昼夜负荷变动幅度增大,故钢的高温持久塑性差,钢的脆性倾向增加,致使汽缸体容易产生热疲劳裂纹^[3]。若汽轮机中排下壁长期处于恶劣的温度 条件下将加剧裂纹产生,缩短汽轮机的使用寿命,严重影响机组安全性和生产效益^[4],因此,必须尽快采取有效的控制措施解决启机时积水进入中压缸的问题。针对以上结论提出如下应对策略:

1)设备改造策略:如图5所示,在主汽阀门漏汽管至中压缸的管道上加装电动阀A,在疏水管上设置手动阀B和电动阀C,适当调整中压小联合汽阀漏汽管坡度使积水更容易排出。

2)运行策略:(1)保持疏水管上手动阀B在常开状态; (2)当机组停运后关闭电动阀A,打开电动阀C,切换至疏水模式将管道内残留积水排尽;(3)汽轮机冲转至3000r/min时打开电动阀A,关闭电动阀C,切换至正常运行模式。

[参考文献]

[1]丁阳俊.汽轮机启动过程优化研究[D].杭州:浙江大学, 2013.

[2] 陈永照,黄威,王宇翔,等.大型汽轮机高压进汽阀启动过程换热规律研究[J].动力工程学报,2014,34(4):275-279.

[3]段嘉光.消除铬钼钒钢铸件裂纹方法的研究[J].发电设备,1987(6):13-17.

[4]史进渊,李军,刘霞,等.我国大型汽轮机技术研究进展与展望[J].动力工程学报,2022,42(6):498—506.

2024年第14期第1篇