刘正强――国内座缸式600-1000MW超超临界汽轮机低压缸五、六级抽汽温度高分析

国内座缸式600～1000MW超超临界汽轮机低压缸五、六级抽汽温度高分析中电投河南电力有限公司：刘正强2010年11月1概述中电投平顶山鲁阳发电有限公司与国电泰州电厂、大唐潮州电厂的汽轮机型号均为CCLN1000-25.0/600/600，系哈尔滨汽轮机厂与日本东芝公司合作设计、联合制造的一次中间再热、单轴、四缸、四排汽1000MW超超临界冲动凝汽式汽轮机。汽轮机低压缸采用双层缸结构，低压转子的四个轴承座与低压外缸下半缸焊接成一体并一起坐落在底部台板上（简称座缸式）。目前已投产运行的四台机组均发现汽轮机五、六段抽汽温度高于设计值约25～30℃的现象（见表1），影响机组的经济性和安全性。因此，有必要深入分析原因，找出可能存在的设计、制造、安装工艺等问题，以便平顶山鲁阳发电有限公司#1、2汽轮机在基建期加以改进。表1国内1000MW超超临界汽轮机五、六级抽汽温度设计值与实测值对比机组负荷MW五抽设计温度℃五抽实际温度℃五抽温度偏差℃六抽设计温度℃六抽实际温度℃六抽温度偏差℃某厂#3机组500216.223316.8137.516022.5750211.5233.221.7134159.325.31000207230.323.3130.5156.325.8某厂#4机组500216.224225.8137.515416.5750211.5249.938.4134156.722.7100020725043130.516635.5某厂#1机组1000205.3232.527.2134.2158.824.6某厂#2机组1000205.3234.329134.2161.727.5由表1可见，某厂#3、#4机组五、六级抽汽温度在负荷升高过程中，实测蒸汽温度与设计温度偏差逐渐增大，最大温差发生在机组100%负荷条件下，其中#3机组为43℃，#4机组为35.5℃。2低压缸五抽、六抽温度偏高的试验分析2.1初步判断（1）考虑是否存在参数测量问题。通过对抽汽参数分析，发现抽汽点与加热器进汽点参数相吻合，可以排除。（2）考虑低压缸进汽级效率偏低。低压进汽室内流道不光滑，多处布有连接和加固构件，使汽流进入低压缸时出现较大的压损，还会使低压缸进汽汽流的分配不均匀。这些通流结构问题会导致低压缸前面几个级段的效率降低，造成五抽、六抽温度偏高。（3）考虑是否存在低压缸内漏汽导致抽汽温度偏高。汽轮机低压缸五抽、六抽的抽汽口分别位于低压缸进汽室两侧,若出现低压进汽室隔板密封不严密或汽缸中分面存在间隙等原因而形成漏汽，会使温度和压力较高的蒸汽进入五抽、六抽的抽汽腔室，抬高这两级抽汽的温度。2低压缸五抽、六抽温度偏高的试验分析2.1初步判断例如：国内某600MW超超临界汽轮机（25MPa/600℃/600℃一次中间再热、单轴、两缸两排汽、凝汽式）五抽温度设计值为307.3℃,试验值为324～326℃,高于设计值17～19℃;六抽温度设计值为224.8℃,试验值为253～254℃,高于设计值29～30℃。在机组检修中，发现低压内汽缸进汽与五抽间隔密封面有漏汽痕迹,低压缸的内缸变形比较严重，见下图1。图1汽轮机低压进汽室汽轮机在真空下变形隔板密封不严密经过初步分析判断，低压缸内存在着异常漏汽导致五抽、六抽温度偏高。对照低压缸的结构，分析可能原因：①汽轮机汽封间隙变化；②进汽室隔板密封不严密；③低缸结合面或喷嘴室中分面漏汽或汽封左右间隙变化，④低压内缸疏水管断裂。2.2试验情况根据泰州电厂#1机组1000MW的试验数据，可以发现其机组的低压缸进汽温度、七抽温度与设计值基本吻合，但是五抽、六抽温度偏高约25～30℃(见表2)，通过调研发现其它机组存在同样的问题,并且国内许多600MW机组普遍存在低压缸第五、六级抽汽温度比设计值高25～60℃的问题。为了分析抽汽温度偏高与低缸效率的关系，低压缸通流效率取设计值进行计算，即已知级段前的进汽压力、温度和级段后压力、温度，可求得级段的等熵焓降和通流效率，汽轮机组的性能试验数据及计算结果见表2。表2泰州电厂#1汽轮机五、六抽温度设计和试验数据汇参数名称低压缸进汽五级抽汽口六级抽汽口七级抽口五/六级抽汽口效率五/六/七级抽汽口效率设计压力MPa0.8420.2470.11980.0547设计温度℃348.7205.3134.283.6设计效率%92.9893.892.4595.9894.13焓kJ/kg3160.22879.32743.32619熵kJ/(kg·K)7.38177.42877.45127.48试验压力MPa0.86450.35820.22820.477试验温度℃350.38232.01158.5787.25试验效率/%102.7148.0648.03115.988.84焓kJ/kg3161.682929.142784.742657.45熵kJ/(kg·K)7.37457.36187.25777.64882.3造成五抽、六抽温度偏高原因的简要分析2.3.1低压缸膨胀过程曲线分析多台机组的五、六级抽汽温度存在异常，其规律具有共性。现以泰州电厂#1汽轮机组A级检修前后试验数据为例进行分析。下图2给出了泰州电厂#1机组低压缸的设计和试验膨胀过程线。蒸汽在低压缸膨胀做功过程中，焓值降低，熵值增加，但曲线显示在五、六、七段抽汽数据显示点即拐点处，在五、六段抽汽却出现熵值减小的趋势（见上表2），使得试验膨胀过程线在抽汽点处发生了较大的畸变，在低压缸进汽和五、六段抽汽及七段抽汽与设计曲线偏差较大。低压缸膨胀曲线图2.52.62.72.82.933.13.27.27.37.47.57.67.7熵MJ/kg.k焓MJ/kg设计值试验1试验2五级抽汽六级抽汽七级抽汽2.3造成五抽、六抽温度偏高原因的简要分析众所周知，蒸汽在汽缸中的膨胀过程，可近似地看成是绝热过程，而实际的绝热过程必定是熵增过程而非熵值减少。第五级抽汽点的熵小于低压缸进汽的熵，第六级抽汽点的熵小于第五级抽汽点的熵，显然缺乏理论依据。由于各抽汽点之间的膨胀过程线斜率代表了各级的效率状况，从表2可见，低压缸七抽处的缸效率约48%，明显偏低；低压缸进汽至五、六抽的缸效率分别为104%和149%，此两段抽汽的级段效率超出100%，显然违背了汽轮机通流部分的工作特性，但是低压缸前三级效率为88.84%。由此可以推论：试验时测得的五抽、六抽温度大幅度偏高的情况，并不能代表汽轮机通流内部主汽流的参数状况，将抽汽温度偏高现象归因于漏汽和测量数据没有代表性更为合理。当然，汽轮机通流效率偏低也会引起抽汽温度的升高，所以并不能排除两者同时存在的可能性。2.3造成五抽、六抽温度偏高原因的简要分析因此，低压缸膨胀曲线异常，说明在五、六级抽汽处存在不明热源进入，使得抽汽参数严重偏离设计值。通过深入分析，认为在内缸挠度最大的进汽区存在低压缸变形(水平)造成高温蒸汽短路，是第五级、第六级抽汽温度均偏高的直接原因。汽轮机通流效率偏低也会引起抽汽温度的升高，一般意义上讲，由于汽缸漏汽而抬升抽汽温度，由此造成的机组效率损失相对较小。若是通流部分效率下降，则将对机组效率产生严重的影响。实际测量的低压缸效率虽较设计值略偏低，但没有较大变化，可以排除缸效率偏低引起五、六级抽汽温度偏高的可能。表2显示，五、六级抽汽段低缸效率反常地大于100%，七抽级间效率明显较设计值偏低，所以将抽汽温度偏高现象归因于漏汽加热影响更为合理。3低压缸内漏原因分析3.1焊接应力释放导致低压内缸变形制造厂去除焊接式低压内缸的焊接应力不彻底，机组运行中应力继续释放，造成缸体变形。如果低压内缸出现热变形，可直接导致级间短路；同时引起径向动静间隙变化，通流间隙增大造成蒸汽短路，抽汽温度偏高，也可导致局部动静消失碰磨，机组振动超标。3.2温差大引起低压内缸变形低压内缸中间部位与低压缸各级抽汽室温差较大，造成内缸变形值超过设计值。低压缸水平面螺栓紧力不足，导致低压内缸变形引起内漏。3.3低压外缸变形哈汽-东芝1000MW汽轮机低压外缸的结构特点是汽缸和轴承座一体化，低压外缸在高度真空状态下出现变形，引起转子中心变化影响径向动静间隙。经了解，上海汽轮机厂1000MW机组低压转子轴承座与汽缸分开，未出现五、六级抽温度偏高现象。4五段、六段抽汽温度高现象对机组影响4.1机组安全性降低低压缸存在变形，是动静径向摩擦的重要原因。哈汽-东芝1000MW汽轮机低压缸在低压缸真空度和温度提高、跨距加长、质量增加的情况下，表现出刚性不足问题，通过对五/六段抽汽温度高及试验数据分析，发现低压内缸存在变形，特别是在凝汽器真空度较高时，在大气压的作用下，低压缸的变形呈现如下趋势：（1）整体（汽缸中心）会有所下沉；（2）低压缸沿轴线向下弯曲；（3）低压外缸的横截面由圆形变成椭圆形，椭圆长轴在水平方向，短轴在垂直方向。低压缸变形后，上间隙减小造成动静碰磨，且通流径向磨损程度从低压(两侧)到高压(中间)逐渐加剧，机组振动易超标，威胁安全运行；下间隙增大造成蒸汽短路,抽汽温度超设计值。4.2机组经济性降低当低压缸变形导致部分汽封间隙增大、隔板密封不严密或汽缸中分面存在间隙时形成漏汽时，会使温度较高的蒸汽进入五、六段抽汽腔室。根据表2计算得出，低压缸进汽漏到五抽的漏汽流量约17.391t/h，机组功率损失约800kW；低压缸进汽漏到六抽这股漏汽流量约为7.75t/h，机组功率损失约为356kW。合计功率损失约为1156kW。5座缸式600～1000MW机组抽汽温度偏高问题的尝试解决方法及效果5.1低压内缸中分面增设密封结构鉴于机组实际运行中5#、6#抽汽管抽汽参数偏高，以及低压内缸中分面存在张口的状况，在低压内缸中分面增设密封结构。兰溪电厂4#机低压内缸中分面增设密封结构，低压部分的5#、6#抽汽温度有一定程度下降，就目前的运行情况看，此优化方案还是取得了成功。5.2汽封改造通过对蜂窝汽封、侧齿汽封和接触汽封进行研究，其中侧齿汽封效果明显。某厂在#2机组（600MW）B级检修中，通过对低压通流部分采用侧齿迷宫汽封进行了验证，2010年3月进行修后性能试验，机组热耗为7780.35kJ/kWh，比修前下降91.29kJ/kWh；高压缸效率提高了1.04个百分点，达到85.92%；中压缸效率提高了0.9个百分点，达到91.29%；低压缸效率提高了1.62个百分点，达到88.54%；五、六段抽汽温度均较修前有明显下降。其中，五段抽汽温度由283℃下降至273℃；六段抽汽温度由183℃下降至165℃。表3某1000MW机组优化后的低压部分通流间隙项目单位L（左）B（下）R（右）T（上）第19-21级隔板汽封（STQ19-21T/Q）mm1.001.401.401.90第19-23级隔板汽封（STQ22-23T/Q）mm1.401.801.802.00第18级动叶部汽封（STQ18T/Q）mm1.581.781.981.98第19级动叶部汽封（STQ19T/Q）mm1.832.032.232.23第20级动叶部汽封（STQ20T/Q）mm1.832.032.232.23第21级动叶部汽封（STQ21T/Q）mm3.303.503.703.70第22级动叶部汽封（STQ22T/Q）mm3.403.603.803.60第23级动叶部汽封（STQ23T/Q）mm11.812.012.212.05.3柔性安装通过有限元分析，汽轮机制造厂与电厂改变了低压缸动静间隙值，对低压缸第19级至21级隔板汽封、叶顶汽封的2点钟方向，适当增大0.2～0.5mm(考虑了汽缸自重、油膜厚度的影响)，有效防止动静碰磨导致的机组振动大问题。优化后的低压部分通流间隙见表3。6结论与建议6.1国内座缸式600～1000MW汽轮机低压缸五、六段抽汽温度偏高的主要原因是低压缸内部蒸汽泄漏。虽然通过低压内缸中分面增设密封结构、侧齿迷宫汽封改造能够取得一定效果，但需从根本上解决低压缸刚性不足和变形问题。6.2汽缸内部蒸汽泄漏主要原因是在真空等作用下低压缸动静部件变形量超过设计值，不但降低了机组运行经济性，而且容易导致动静摩擦，威