超临界汽轮机单顺阀切换问题的一些探讨

一、引言

　　我厂汽轮机是由是哈尔滨汽轮机厂自主开发的、具有自主知识产权的超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式660MW汽轮机组，采用积木式的设计，保留了湿冷机组的技术特点如反动式叶片、整锻转子、多层汽缸、数字电液调节等。其结构紧凑，经济性好，适合中国国情，具有很高的运行效率和安全可靠性。

二、单阀/顺序阀(SIN/SEQ)

　　单阀/顺序阀切换的目的是为了提高机组的经济性和快速性，实质是通过喷嘴的节流配汽(单阀控制)和喷嘴配汽(顺序阀控制)的无扰切换，解决变负荷过程中均匀加热与部分负荷经济性的矛盾。单阀方式下，蒸汽通过高压调节阀和喷嘴室，在360°全周进入调节级动叶，调节级叶片加热均匀，有效地改善了调节级叶片的应力分配，使机组可以较快改变负荷;但由于所有调节阀均部分开启，节流损失较大。顺序阀方式则是让调节阀按照预先设定的次序逐个开启和关闭，在一个调节阀完全开启之前，另外的调节阀保持关闭状态，蒸汽以部分进汽的形式通过调节阀和喷嘴室，节流损失大大减小，机组运行的热经济性得以明显改善，但同时对叶片存在产生冲击，容易形成部分应力区，机组负荷改变速度受到限制。因此，冷态启动或低参数下变负荷运行期间，采用单阀方式能够加快机组的热膨胀，减小热应力，延长机组寿命;额定参数下变负荷运行时，机组的热经济性是电厂运行水平的考核目标，采用顺序阀方式能有效地减小节流损失，提高汽机热效率。

　　对于定压运行带基本负荷的工况，调节阀接近全开状态，这时节流调节和喷嘴调节的差别很小，单阀/顺序阀切换的意义不大。对于滑压运行调峰的变负荷工况，部分负荷对应于部分压力，调节阀也近似于全开状态，这时阀门切换的意义也不大。对于定压运行变负荷工况，在变负荷过程中希望用节流调节改善均热过程，而当均热完成后，又希望用喷嘴调节来改善机组效率，因此这种工况下要求运行方式采用单阀/顺序阀切换来实现两种调节方式的无扰切换。以求得最好的运行工况。

　　我厂#1、#2机组投产以来，运行方式一直采用全周进汽的单阀运行方式，这样转子和定子的温差较小，在变负荷运行时温差影响较小，有利于机组初期的磨合。由于单阀运行，4个高压调节阀(GV)都参与开度调节，且一般高压调门开度不大(20%-50%)，蒸汽通过调节阀门时有较大的节流损失，而机组运行要求尽量减少调节阀门的节流损失，提高汽轮机的效率，提高经济性。而且阀门的节流损失在阀门接近全关或接近最大流量时达到最小。采用顺序阀门控制方式下，一般只有一个高压调节阀进行开度调节，其余的阀门保持全开或全关，这样减少了节流损失，提高机组热效率。

　　哈汽大部分现役机组其顺序阀设计次序基本全部为：GV1/GV2→GV3→GV4;关闭顺序阀的次序：GV4→GV3→GV1/GV2。汽机控制汽门示意图如下：

三、出现的问题及分析

　　我厂1号机组单顺阀切换过程中，从DCS监控画面取得的机组转速、负荷、1瓦x向、y向振动数值曲线分析，单阀切至顺阀运行后，1瓦轴振明显增大，增大幅度达40～50μm，同时伴随着1、2瓦回油温度上升约5～10度之间。比对分析，造成这些问题的原因以及国内其它机组普遍出现的问题有以下三点，并有针对性的理论结合试验提出解决方案。

　　1、采用顺阀运行喷嘴配汽时，调节级分为若干个喷嘴组，它们处于非对称性的部分进汽状态。汽流力合力不能相互完全抵消，及蒸汽除了在转子调节级叶轮上产生力矩而使转子旋转外，还有一个通过转子中心的合力，进汽的不平衡造成压力径向分布不均和转子转矩径向不平衡，轴承的稳定性降低及转子在汽缸中的位置不对中，因此，存在配汽剩余汽流力，这是产生汽流激振的根本原因。根据上述对力的分析，转子将受到不同方向的蒸汽激振和切向分力的影响，引起轴承受力变化，使轴系中各轴承载荷及转子挠度发生变化，严重时将使转子轴系产生不稳定运行，使转子失稳引起较大的振动，调门的动作又会使调节级的配汽剩余汽流力发生变化，往往会因轴系、通流结构设计及配汽特性调整不良等原因，使运行存在如轴瓦温度高、轴振不稳定、低频涡动、汽流激振动等一系列问题，影响机组的安全稳定运行，实际运行也证实了这一系列问题的存在。

　　对此，消除配汽剩余汽流力便是解决问题的关键。从理论上分析力的矢量和以及对国内同类型机组的调查，我们提出解决方案：更改顺序阀开启顺序，将原GV1/GV2→GV3→GV4变为GV1/GV3→GV2→GV4。

　　2、汽轮机在顺阀运行时，先后开启的高压调门之间存在明显的重叠度，重叠度最小时为零，此时它的调节级效率最高，但流量特性最差，会引起机组在某些负荷不稳定。重叠度最大的曲线流量特性的线性度最好，但调节级效率最低。在顺序阀开启时，可能会存在某段流量范围内流量指令与实际蒸汽流量不成线性，这时需要开启下一个调门来修正，这就是阀门重叠度的设置。如下图所示：

　　实线所示为无重合度的情况，这不负荷调节系统的设计要求(调节系统的静态特性线要求两端速度变动率大，中间平滑过渡)，虚线所示为合理重合度的情况。

　　为了使配汽机构特性曲线比较平滑，一般在前阀尚未开完，其阀门压力重叠度为0.85～0.9时便提前开启后阀。调门重叠度的大小直接影响着配汽机构的静态特性。重叠度有两种：

　　1、行程重叠度

　　2、压力重叠度

　　一般情况下，当汽门开度达到60%时，汽门的通流能力达到总通流能力的90%以上，在“阀点”附近，先开启的调节汽门不可避免的存在40%左右的空行程，此时，高压调节阀极可能频繁出现大幅度晃动，严重影响机组的安全运行。

　　试验处理办法：顺阀运行方式下，进行负荷变动试验，升负荷、降负荷两个阶段，试验是机组协调控制投入，主蒸汽压力按滑压曲线确定，按正常变负荷速度，连续同向改变负荷，判断“阀点”处阀门的晃动情况，如果存在明显晃动，要对配汽特性曲线进行调整，通过修改配汽特性曲线找到机组运行的最佳配汽工况点，从根本上解决改问题。

　　2、配汽特性流量曲线改变，理想的配汽特性曲线在不同的配汽方式下表现出来的各个高压调节汽门虽然开度不同，但通过的总蒸汽流量是相同的，而在实际应用中，由于种种原因，切换前后总蒸汽流量将产生偏差，这种偏差直接反映到机组功率与主蒸汽参数的变化上。下图是通过运行过程中，机组行程、阀后流量实际测量值的单阀、顺阀的流量特性曲线图。

　　通过上图我们可以看出单、顺阀流量特性曲线的差别，以及各个高压调节阀的“阀点”在图中所对应的位置，并据此，在运行当中密切观察“阀点”处调阀晃动和机组振动、瓦温等情况，对曲线进行修正，以达到最佳流量曲线。

四、结论

　　将原顺序阀次序：GV1/GV2→GV3→GV4，改变为：GV1/GV3→GV2→GV4，对称进汽，消除配汽剩余汽流力，避免产生汽流激振，对机组滑压运行两种配汽模式的比较分析。试验设计单阀模式运行，维持负荷在额定之50%即300MW左右稳定运-~5-o.5h以上。全面记录汽轮机运行各参数，如主、再热蒸汽温度、压力、轴向位移、高压缸胀差、汽缸温度、调节级压力等，在单阀模式滑参数将机组负荷逐渐升至额定600MW，主蒸汽滑压范围11.40MPa～16.59MPa，温度保持533~C不变。过程中每50MW停留0.5h，全面记录运行各参数，期间回热系统全部投入、辅机系统及附属设备、汽机凝汽器终参数、轴承润滑状况等维持不变。在顺序阀方式下，按同样的主蒸汽滑参数曲线、运行方式进行比较试验，以得出适应该机组的流量特性曲线，并保证运行中不偏离该曲线，达到安全运行的需要。