125MW機組調節級后壓力高及出力不足的熱力分析

蔡小燕，　楊紅霞，　李胤祺

上海汽輪機廠有限公司　上?！?00240

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125MW機組調節級后壓力高及出力不足的熱力分析

蔡小燕，楊紅霞，李胤祺

上海汽輪機廠有限公司上海200240

針對某電廠125MW汽輪機在大修后出現調節級后壓力和溫度高、最大出力不足的現象，總結了可能出現的各種影響因素。經過高壓缸揭缸檢修，發現其調節級損傷嚴重，高壓隔板的嚴重變形導致高壓缸通流面積減?。煌瑫r性能試驗結果顯示調節級效率嚴重降低。經過詳細的熱力計算，分析出各環節對該機組調節級后壓力升高及出力的影響，結果發現，高壓缸隔板變形導致通流面積減小是影響調節級后壓力升高的主要原因；調節級噴嘴面積及高壓缸壓力級通流面積的減小，導致了機組最大進汽量降低，使機組最大出力下降。經過變形修復，機組實際運行時調節級后壓力和溫度達到正常值，并能夠帶滿負荷。分析方法和結果為以后其他機組出現類似問題提供了一些參考。

調節級； 壓力； 出力； 熱力分析； 調節級損傷； 隔板變形

某125MW汽輪機組為上海汽輪機廠生產的N125-13.24/535/535型、超高壓、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、沖動式凝汽式汽輪機組。2002年機組大修期間進行了低壓缸通流改造，在低壓缸缸體尺寸基本不變的前提下，更換低壓缸新型隔板、靜葉、動葉和轉子等通流部件，以提高低壓缸的通流效率，從而降低機組的熱耗，改造后，汽輪機型號為N130-13.24/535/535。

2013年10月，該機組進行了常規大修，在大修啟動運行后發現，調節級后壓力增大，機組的出力能力下降，不能夠帶滿額定負荷。

高負荷時，調節級后壓力超壓一般可能出現的原因： ① 測量儀表出現問題；② 機組工況偏離正常設計范圍；③ 機組壓力級積垢嚴重，導致通流面積減??；④ 機組的泄漏量很大，導致機組進汽量明顯增大；⑤ 壓力級葉片損傷變形，導致通流面積減小及通流效率降低。

機組最大出力下降的主要原因： ① 機組調節級噴嘴汽道變小，導致機組進汽能力下降；② 調 節級壓差變小，導致機組進汽能力下降；③ 機組通流效率變低，使機組做功能力降低。

通過檢查，可以排除儀表不準確及工況偏離正常設計范圍的可能。為了進一步診斷存在的問題，查找原因，對機組高壓缸進行揭缸檢修，發現機組高壓缸的調節級噴嘴汽道堵塞，且壓力級損傷嚴重，隔板有嚴重變形，但是機組通流積垢并不明顯。根據此情況，利用修復前的實測數據，對影響機組調節級后壓力和機組出力的因素進行分項熱力分析，并對修復后的機組性能水平及是否能夠帶滿負荷進行評估計算。

1　高壓缸現場實測情況

揭缸檢修時發現了如下一些問題。

(1) 調節級上半缸右側噴嘴，即4閥對應的噴嘴組，有螺釘卡住某噴嘴汽道，導致噴嘴破壞(如圖1所示)，影響機組的最大出力。同時其它各噴嘴組也出現相應損傷。調節級噴嘴喉寬的設計值為19.4mm，而各噴嘴的實測喉寬見表1。調節級噴嘴的各噴嘴組通流面積與設計值相比見表2。

圖1　螺釘卡住的噴嘴

由表2可知，1閥和3閥對應噴嘴組的通流面積減小較多。機組在3VWO(汽輪機3個調氣門全開)工況時，噴嘴通流實際面積相對于3VWO設計值減小8.63%，機組在4VWO(汽輪機4個調氣門全開)工況時，考慮螺釘阻塞4閥對應的噴嘴組某一汽道，噴嘴通流實際面積相對于4VWO設計值減小11.34%。

表1　修復前噴嘴的實測喉寬　mm

表2　修復前各噴嘴組面積

(2) 調節級動葉的進汽邊和出汽邊出現較大程度損傷，如圖2所示。性能試驗結果顯示，3VWO工況下，調節級效率比大修前下降20%，由于調節級效率下降，導致高壓缸的效率下降約3個百分點[1]。

圖2　調節級動葉情況

(3) 高壓缸的各壓力級隔板和動葉出現較大程度的損傷及變形，特別是隔板出汽邊變形較嚴重，如圖3所示。由于隔板變形使高壓缸壓力級通流面積變小，影響調節級后壓力。

圖3　高壓缸某隔板(黃色標記處為損傷嚴重)

通過實測的各隔板葉片喉部寬度，計算出隔板通流面積，各隔板的通流面積與設計值相比，減小最大達到17%，具體數據見表3。

壓力級隔板及動葉型線出現較大程度損傷及變形，導致壓力級效率下降。性能試驗結果顯示，3VWO工況下，大修后，調節級后到二抽的通流效率為80%，而設計值為83.2%，高壓缸壓力級通流效率降低3.2個百分點[2]。

表3　修復前壓力級隔板通流面積比較

2　調節級后壓力升高分析

機組大修后，發現機組調節級后壓力增大，帶滿負荷時，調節級后壓力出現超壓。針對汽輪機組[2]，造成調節級后壓力升高主要有幾個因素： ① 汽輪機通流部分發生積垢或變形，造成了通流面積減??；② 汽輪機通流葉片變形造成通流效率降低；③ 系統泄漏嚴重使機組進汽量顯著升高。

性能試驗結果顯示，100%負荷時，機組的不明泄漏率為0.26%[1]，數值比較小，所以主要從通流面積及通流效率方面分析造成該125MW機組調節級后壓力升高的原因。

(1) 壓力級通流面積減小的影響。該機組壓力級隔板變形使壓力級通流面積減小，使調節級后壓力升高。根據修復前壓力級隔板喉部直徑的實測數據，計算機組額定工況下的調節級后壓力，并與原機組設計值進行比較，計算結果見表4。由表可知，額定工況下，壓力級隔板通流面積的減小，使調節級后壓力比設計值提高了約9%。

表4　通流面積減小對調節級后壓力參數影響

(2) 調節級型線損傷的影響。由于調節級噴嘴和動葉出現了較嚴重損傷，調節級效率明顯降低。根據性能試驗結果，3VWO工況下，調節級效率降低20%[1]。在此情況下，計算機組在額定工況下的調節級后壓力，并與原機組設計值進行比較，結果見表5。由表可見，調節級型線損傷對調節級后壓力升高有明顯影響，調節級后壓力比設計值提高了約2%。

表5　型線損傷對調節級后壓力參數影響

(3) 高壓缸壓力級通流效率的影響。根據性能試驗結果，3VWO工況下，高壓缸壓力級型線的損傷使高壓缸壓力級通流效率降低3.2個百分點[1]。在此情況下，計算機組在額定工況下壓力級通流效率降低對調節級后參數的影響，并與原機組設計值進行比較，對比情況見表6。由表可知，高壓缸壓力級效率的降低對調節級后壓力升高的影響相對較小，約1%。

表6　高壓缸壓力級通流效率對調節級后壓力參數影響

綜上分析可知，造成該125MW機組調節級后壓力超壓的主要原因是壓力級隔板變形造成的通流面積減小，使調節級后壓力升高9%；調節級和壓力級損傷帶來的效率降低也影響調節級后壓力。

3　機組最大出力不足分析

機組最大出力下降的主要原因： ① 機組調節級噴嘴汽道變小，導致機組進汽能力下降；② 調節級壓差變小，導致機組進汽能力下降；③ 機組通流效率變差，使機組做功能力降低。根據性能試驗結果，在大修后，該125MW機組在3VWO和4VWO時的主蒸汽進汽能力和出力比設計值都有大幅度降低，而且4VWO時降低更為明顯[1]。下面從進汽能力及做功能力兩個方面對影響因素進行分析。

(1) 調節級噴嘴面積變小的影響。根據修復前調節級噴嘴喉部直徑的實測數據，調節級各噴嘴組通流面積與設計值相比減小，在此情況下，3VWO和4VWO工況下的主蒸汽進汽能力相比原機組有所降低，從而影響機組出力，計算結果見表7。本次計算僅考慮噴嘴面積減小帶來的影響，未考慮調節級效率降低的影響。從結果可見，在3VWO工況下，調節級噴嘴面積減小使進汽量減少約4.4%，出力下降3.7%；4VWO工況下，進汽量減少約4.1%，出力下降3.3%。

表7　調節級噴嘴面積對出力情況影響

(2) 調節級效率降低的影響。調節級噴嘴和動葉型線都出現較嚴重損傷，調節級效率會降低。根據性能試驗結果，調節級效率約40%，跟設計值相比下降20%[1]。調節級效率的降低不會影響3VWO和4VWO工況下的進汽能力，但調節級效率的降低，會影響兩個工況下的出力。在此情況下，計算3VWO和4VWO工況下的出力，并與原機組進行比較，見表8。本次計算僅考慮調節級效率降低的影響，未考慮噴嘴面積減小帶來的影響。從結果可知，在3VWO工況下，調節級效率的降低，使機組出力下降1.2%；在4VWO工況下，機組出力下降0.8%。

表8　調節級效率對出力情況影響

(3) 壓力級通流面積減小的影響。機組高壓缸壓力級隔板變形，導致通流面積減小，引起調節級后壓力升高，調節級壓差變小，使機組的主蒸汽進汽量下降，從而影響該機組出力。根據修復前壓力級隔板喉部直徑的實測數據，計算3VWO和4VWO工況下的進汽量和出力，并與原機組進行比較，見表9。從結果可知，在3VWO工況下，機組主蒸汽進汽能力下降4.5%，出力下降3.7%；在4VWO工況下，機組主蒸汽進汽能力下降5.8%，出力下降4.7%。

表9　壓力級通流面積對出力情況影響

(4) 高壓缸壓力級效率的影響。機組高壓缸壓力級效率的降低，會影響機組的出力。根據性能試驗結果，在3VWO工況下，可知高壓缸壓力級型線的損傷，使高壓缸壓力級通流效率降低3.2個百分點[1]。在此情況下，計算3VWO工況下的出力，并與原機組進行比較，見表10。從結果可知，在3VWO工況下，高壓缸壓力級效率的降低，對機組出力的影響約為0.5%，相對很小。

表10　高壓缸壓力級效率對出力情況影響

根據性能試驗結果，在4VWO工況下，調節級效率很低，但高壓缸效率并沒有明顯降低，調節級后至二抽的通流效率為83.3%，略高于設計值[1]。由此可認為，在4VWO工況下，機組的進汽量和出力與原機組處于同樣水平。

綜上分析，調節級噴嘴面積減小及高壓缸的壓力級通流面積減小是造成機組最大進汽量和出力下降的主要原因，調節級效率降低和高壓缸壓力級效率的降低，對機組進汽能力和出力的影響稍小。

4　機組修復后情況

機組高壓缸揭缸檢查后，對調節級噴嘴和動葉、壓力級隔板進行了變形修復。通過修復，葉片其它部位損傷較小，調節級噴嘴和壓力級隔板都達到與設計值相當的水平。在此情況下，對修復后的調節級壓力及最大出力進行了評估計算。

(1) 修復后機組總體性能水平。根據修復后噴嘴和壓力級隔板喉部直徑的實測數據，進行機組額定工況下的性能計算，并與設計值進行了對比，見表11。從計算結果可知，機組修復后，機組的性能水平基本可達到原設計水平。而且，修復后的高壓缸壓力級的噴嘴面積相對于設計值有所變大，調節級后壓力會稍低于設計值。高壓缸各級做功情況與設計值對比情況見表12。由表可以看出，高壓缸各級的做功能力與原設計值相差不是很大，總功率相差2%。

表11　修復后機組額定工況下的性能數據

(2) 修復后最大出力分析。根據修復后噴嘴和壓力級隔板喉部直徑的實測數據，進行了機組最大流量工況的性能計算，并與設計值進行了對比，見表13。從計算結果可知，機組修復后，機組的最大進汽能力可達到原設計值420t/h，機組的最大出力為134215kW，接近于原設計值。高壓缸各級做功情況與設計值對比情況見表14。由表可以看出，高壓缸各級的做功能力與原設計值相差不是很大，總功率略高于設計值。

綜上所述，機組變形修復后，熱力分析結果顯示，機組調節級后的參數恢復正常，機組最大出力也接近于原設計值。經電廠實際運行顯示，修復后的調節級后壓力高及出力不足的現象得到了解決。

表12　修復后額定工況下高壓缸各級做功情況　kW

表13　修復后機組最大流量工況下的性能數據

5　總結

針對調節級后壓力高及出力不足的問題，分析了可能出現的各種影響因素。針對該機組，分析各影響因素對調節級后壓力升高的影響，從中可以發現，壓力級隔板的變形，導致通流面積減小，對調節級后壓力升高的影響最大。同時從進汽能力和做功能力兩方面考慮，分析出調節級噴嘴面積及高壓缸壓力級通流面積減小是導致機組最大進汽量降低及機組最大出力下降的主要原因。分析方法和結果，為以后其它機組出現類似問題提供一些可供借鑒的參考。通過性能評估計算，變形修復后，機組調節級后壓力恢復到正常值，機組也能夠滿足最大出力的要求，經電廠實際運行反饋，調節級后壓力高及出力不足的現象得到了解決。

表14　修復后機組最大流量工況下高壓缸各級做功情況　kW

[1] 陳勝利.2號汽輪機組設備和系統性能診斷試驗技術報告[R].西安： 西安熱工院，2014.

[2] 康松，楊建明，胥建群.汽輪機原理[M].北京： 中國電力出版社，2000.

[3] 楊剛，程石.汽輪機調節級后壓力高原因分析及處理[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2007，21(1)： 75-78.

Aiming at the shortage of maximum pressure and temperature output downstream the regulation stage of an overhauled 125MW steam turbine, different kinds of influencing factors that may arise are summarized. Through check by exposing the high-pressure cylinder, it is found that the regulation stage is damaged seriously with gross distortion of the high-pressure bulkhead resulting in reduced flow area in high pressure cylinder while performance test results show that the efficiency of regulation stage is reduced severely. After a detailed thermal calculation the impacts of various segments to pressure rise and capacity downstream the regulation stage of the unit are found by analyses. It is found that the deformation of high-pressure cylinder bulkhead may reduce the flow area and this is the main cause for pressure rise downstream the regulation stage. The reduction of jet area at regulation stage and of flow area at pressure stage in high pressure cylinder will lead to a cut of maximum unit output owing to that the maximum throttle flow of the unit is reduced. After restoration of the deformation, as the unit is put into practical running its pressure and temperature downstream the regulation stage could reach their normal values, and are able to bring the full load. Analytical methods and results could provide some

for future similar problems appeared in other units.

Regulation Stage； Pressure； Capacity； Thermal Analysis； Damage in Regulation Stage； Deformation of Bulkhead

2015年7月

蔡小燕(1988—)，女，碩士，主要從事汽輪機通流和熱力系統設計工作，

E-mail： caixy@shanghai-electric.com

TK263

A

1674-540X(2016)01-053-06