第七章汽轮机运行doc文档格式.docx
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大型汽轮机负荷在35%~100%范围内变动时,调节级后汽温变化可达100℃,所以,在负荷变化时,转子和汽缸上将产生温差和热应力。
降负荷时,蒸汽温度降低,转子表面和汽缸内壁产生拉应力;
增负荷时,情况相反。
可见,汽轮机经历一个升、降负荷循环,其部件就承受一压一拉应力循环。
对于现代大型汽轮机,降负荷运行一般都采用变压运行方式(复合变压运行),采用这种运行方式,在低负荷期间,汽轮机通流部分温度变化不大,其部件的热应力也不大。
所谓汽轮机的热冲击是指蒸汽与汽缸、转子等部件之间在短时间内进行大量的热交换,金属部件内温差迅速增大,热应力增大,甚至超过材料的屈服极限,严重时,一次大的热冲击就能造成部件的损坏。
汽轮机部件受到热冲击时产生的热应力,取决于蒸汽和部件表面的温差、蒸汽的放热系数。
造成汽轮机热冲击的主要原因有以下几种。
1启动时蒸汽温度与金属温度不匹配。
2极热态启动造成的热冲击。
3甩负荷造成的热冲击。
二热变形
汽轮机在启停及变工况运行时,由于蒸汽对各部件加热(或冷却)的程度不同,使得汽缸、转子在径向和轴向上都会形成温差,从而产生热变形,使通流部分的间隙发生变化而导致摩擦,严重时,可能造成设备的损坏。
1上、下缸温差引起的热变形
2汽缸法兰内、外壁温差引起的热变形
3汽轮机转子的热弯曲
转子发生热弯曲后,不仅会使机组产生异常振动,还可能造成汽轮机动静部分摩擦。
为了防止或减小大轴热弯曲,启动前和停机后,必须正确使用盘车装置。
冲转前应盘车足够长时间;
停机后,应在转子金属温度降至规定的温度以下方能停盘车。
此外,大型机组都应装备转子挠度指示装置,可直接测量大轴弯曲度。
三热膨胀
1汽缸的绝对热膨胀
汽缸膨胀时以死点为基准,在滑销系统引导下,既满足了汽缸在三个方向的膨胀,同时也保证了汽轮机和发电机转子与定子部分以及轴承中心的一致,从而保证机组不致因膨胀不均匀而产生不应有的应力,或使机组发生振动。
汽轮机的横销只允许轴承座和汽缸作横向膨胀;
纵销只允许其纵向膨胀。
另外,在汽缸和轴承座之间还设有立销,立销只允许汽缸在沿垂直方向膨胀。
汽轮机转子是以推力盘为死点,沿轴向前后膨胀的。
当工况变化时,推力盘有时靠工作瓦块,有时靠非工作瓦块,在计算通流部分间隙时,要考虑推力间隙的影响。
启动时,汽缸膨胀的数值取决于汽缸的长度、材质和汽轮机的热力过程。
由于汽缸的轴向尺寸大,故汽缸的轴向膨胀成为重要的监视指标。
对于大型汽轮机来说,法兰壁比汽缸壁厚得多,因此汽缸的热膨胀往往取决于法兰的温度。
在启动时,为了使汽缸得到充分膨胀,通常用法兰加热装置来控制汽缸和法兰的温差在允许范围内。
2汽缸与转子的相对膨胀
汽轮机启停和工况变化时,转子和汽缸分别以各自的死点为基准膨胀或收缩。
大型汽轮机具有又厚又重的汽缸和法兰,相对来说,汽缸的质量大而接触蒸汽面积小,转子质量小而接触面积大,也就是它们的质面比不同,所谓质面比是指转子或汽缸质量与被加热面积之比。
此外,转子转动时,蒸汽对转子的放热系数比对汽缸的要大,所以质面比小的转子随蒸汽温度的变化膨胀或收缩都更为迅速。
在开始加热时,转子膨胀的数值大于汽缸,汽缸与转子间发生的热膨胀差值称为汽轮机相对胀差。
若转子轴向膨胀大于汽缸,则称为正胀差,反之称为负胀差。
在正常情况下,胀差比较小,但在启停和工况变化时,由于转子和汽缸温度变化的速度不同,可能产生较大的胀差,这就意味着汽轮机动静部分相对间隙发生了较大变化。
如果相对胀差超过了规定值,就会使动静间的轴向间隙消失,发生动静摩擦,可能引起机组振动增大,甚至发生掉叶片、大轴弯曲等事故,所以汽轮机启停过程中应严格监视和控制胀差。
为了避免因轴向间隙变化而使动静部分发生摩擦,不仅应对胀差进行严格的监视,而且对于多缸机组,应对各部分胀差对汽轮机的影响有足够的认识,特别要分析清楚汽缸和转子分别是怎样以各自的死点为基准进行有规则的膨胀。
影响胀差的主要因素有:
蒸汽参数的高低、轴端汽封内蒸汽的不同温度、汽缸热膨胀的情况、暖机时间以及真空的大小等。
总之,对于不同类型的机组,其膨胀系统可能有些差异,但只要掌握了机组的结构及膨胀原理,就能正确判断汽缸、转子的膨胀方向和动静间隙的变化规律,防止通流部分发生碰磨。
可见,汽轮机的启停和变工况运行是一个复杂的应力状态过程,必须根据制造厂对设备运行的要求和运行规程进行控制。
目前,一些较先进的大型机组,用转子的热应力作为指导启动运行的主要依据,为使汽缸变形和膨胀不成为启动的关卡,要在结构上采取一些措施,如在引进型300MW汽轮机的动静部分,采用大轴向间隙设计,允许大胀差运行;
采用薄汽缸、高窄形法兰的设计;
同时加强了叶栅动静部分的径向密封,以补救由于轴向间隙的放大而增加的级内漏汽损失,即保证了较高的机组效率,也大大缩短了机组的启动时间。
四汽轮机的寿命管理
汽轮机组的寿命管理是实现汽轮机组运行科学管理的一项重要工作。
汽轮机运行使用寿命控制的主要内容,就是在汽轮机运行、启停过程中及工况变动时,控制其蒸汽温度水平、温度变化幅度、变化速率,限制金属部件内的热应力,使机组寿命消耗率不超过要求的技术指标,保证机组在有效使用期内,其部件不致过早地产生变形裂纹和及时地进行检查处理,防止机组设备发生灾难性的断轴事故。
这是火力发电厂汽轮机运行人员可以控制的,应是运行工作极其重要的一方面。
㈠高温金属的材料特性
金属材料在高温下长期工作,其组织结构也会发生显著变化,引起力学性能的改变,出现蠕变断裂、应力松弛、热疲劳等现象。
金属在高温时所表现出来的性能和室温时的性能有很大差别,所以不能仅用金属材料在室温下的力学性能来评价和选用材料,必须研究和了解金属材料在高温时力学性能的变化。
1蠕变
金属在高温下,即使其所受的应力低于金属在该温度点下的屈服点,只要在这样的应力下长期工作,也会发生缓慢、连续的塑性变形,这种现象称为蠕变。
金属在蠕变过程中,塑性变形不断增长,最终导致在工作应力下的断裂。
故在高温下,即使承受的应力不大,金属的寿命也有一定的限度。
金属在温度变化频繁的条件下工作,如汽轮机组的启动—运行—停止—再启动的过程中,由于热疲劳的交互作用,也会使蠕变速度加快。
2应力松弛
部件在高温和某一初始应力作用下,若维持总变形不变,则随着时间的增加,部件内的应力会逐渐降低,这种现象称为应力松弛。
如汽轮机安装时,紧固的汽缸螺栓,其内有较大的初始应力,其变形是弹性变形;
在高温下螺栓逐渐发生蠕变,螺栓的总长度不变,弹性变形有一部分转变为塑性变形,螺栓逐渐失去紧固汽缸法兰的作用,产生应力松弛,达到一定程度,汽缸结合面就会漏汽。
3热疲劳
热疲劳是指部件在交变热应力的反复作用下最终产生裂纹或破坏的现象。
汽轮机在启停或变工况运行时,汽缸、转子等金属部件就会受到因温度变化而产生的交变热应力,经过一定数量的热应力循环,就会出现疲劳裂纹。
零部件上的孔、槽等地方,由于应力集中,将显著降低零件的疲劳强度。
4热冲击
金属材料受到急剧的加热和冷却时,其内部将产生很大的温差,从而引起很大的冲击热应力,这种现象称为热冲击。
热冲击与热疲劳不同,热疲劳承受的热应力远比热冲击小,而且需要在交变应力反复作用下才能使材料破坏。
热冲击时,材料承受的热应力很大,有时即使一次热冲击就会使部件损坏。
热冲击对部件损伤严重,汽轮机在启停和工况变化时应防止汽缸、转子等部件受到热冲击。
5金属的低温脆化
低碳钢和高强度合金钢在某些工作温度下有较高的冲击韧性,即有较好的塑性,但随着工作温度的降低,其冲击韧性将有所降低,当冲击韧性显著下降时的温度称为脆性转变温度(或称FATT)。
这是汽轮发电机组转子材料的重要特性,用它可以估计转子钢材在低温下的脆性性能。
钢材的这种脆化特性称为冷脆性。
金属材料冲击试验的断口可分为韧性断口和脆性断口两部分,两部分的比例与试验温度有关,温度越高,脆性断口所占百分比越小,金属的低温脆性转变温度就是脆性断口占50%时的温度。
金属材料的工作温度低于FATT时,在同样的条件下发生脆性破坏的可能性增大。
金属材料除了低温脆化特性外(冷脆性),还具有高温脆性特征。
一般来说,在高温短时载荷作用下,金属材料的塑性增加;
但在高温长时载荷作用下的金属材料冷却后,其塑性却显著降低,缺口敏感性增加,往往呈现脆性断裂现象,金属材料的这种特性,称为热脆性。
正是因为转子材料的这种高温脆化现象,使得转子在超高温下工作成为困难。
但随着冶金技术水平的提高,一批新型的耐高温转子材料正在被开发使用,如工作温度达593℃的高、中压转子材料,将使用温度上限由350℃提高至450℃的超净化低压转子材料,所有这些都有助于提高汽轮机运行的安全性和经济性。
㈡汽轮机寿命
汽轮机的寿命是指转子从第一次投运开始,直至应力集中处产生第一条通过低倍放大、用肉眼可观察到的微小宏观裂纹(称工程裂纹,约0.5mm长、0.15mm深)所经受的循环次数。
影响汽轮机寿命的因素很多,但总的来说,汽轮机寿命由两部分组成,即受到高温和工作应力的作用而产生的蠕变损耗,以及受到交变应力作用引起的低周疲劳寿命损耗。
㈢汽轮机寿命管理
为了更好地使用汽轮机,必须对汽轮机的寿命进行有计划的管理,汽轮机的寿命管理项目及具体措施如下。
1合理分配和使用汽轮机的寿命
汽轮机的寿命分配一般取决于汽轮机的结构和使用特点、启停次数、启停方式、工况变化、甩负荷带厂用电的次数等。
应根据不同机型及其运行方式进行分配。
在汽轮机设计寿命年限内,根据制造厂提供的寿命管理曲线,一般分配蠕变寿命损耗为20%,疲劳寿命损耗为80%。
汽轮机寿命分配要留有余地,一般情况下,寿命损耗只分配80%左右,其余20%以备突发性事故。
汽轮机寿命分配示例见表6-1。
表6-1汽轮机推荐的寿命分配数据(以设计寿命30年计算)
运行方式
损耗率(%)
年运行次数
累计运行次数
寿命损耗累积(%)
冷态启动
0.05
4
120
6
温态启动
0.01
1
30
0.3
热态启动
200
6000
60
大修前停机
三年一次
10
0.5
甩负荷带厂用电
0.10
三年二次
20
2
大幅度变负荷40%
0.005
50
1500
7.5
小幅度变负荷25%
0.00025
~530
~16500
Σ
80.3
总之,带基本负荷的汽轮机,每次冷态启动的寿命损耗率可以分配得大一些,一般控制在0.05%/次;
调峰机组的寿命损耗率主要消耗在热态启停中,每次启停的寿命损耗率可以分配得小一些,一般为0.01%/次。
2汽轮机转子寿命的监测与管理
每台汽轮机应以制造厂提供汽轮机寿命管理曲线为依据,绘制各种工况启动曲线。
每台汽轮机应建立并逐步完善转子寿命损耗数据库,根据制造厂提供的寿命管理曲线进行控制,使汽轮机寿命损耗处于受控状态,以指导运行人员进行开停机操作和运行参数调整及对异常工况的处理。
3减少汽轮机转子寿命损耗的原则
启动中预防汽轮机转子脆性损伤的方法:
⑴启动时应根据汽缸金属温度水平合理选择冲转蒸汽参数和轴封供汽温度,严格控制金属温升率;
⑵一般以中压缸排汽口处金属温度或排汽温度为参考,判断转子金属温度,特别是中压转子中心孔金属温度是否已超过金属低温脆性转变温度(FATT);
⑶汽轮机冷态启动时,有条件的可在盘车状态下进行转子预热,变冷态启动为热态启动;
⑷如制造厂允许,可采用冷态中压缸启动方式,以改善汽轮机启动条件;
⑸汽轮机超速试验,必须待中压转子末级中心孔金属温度达到FATT以上方可进行,一般规定汽轮发电机组带10%~25%额定负荷稳定暖机至少4h。
运行中减小汽轮机转子寿命损耗的方法:
⑴运行中避免短时间内负荷大幅度变动,严格控制转子表面工质温度变化率在最大允许范围内;
⑵严格控制汽轮机甩负荷后空转运行时间;
⑶防止主、再热蒸汽温度及轴封供汽温度与转子表面金属温度严重不匹配;
⑷在汽轮机启动、运行、停机及停机后未完全冷却之前,均应防湿蒸汽、冷气和水进入汽缸。
4加强可靠性管理,减少汽轮机寿命损耗
可靠性指标不仅反映了设计、制造、安装水平和质量,是技术改造和技术进步的重要依据,还直接反映了发电厂运行管理及设备维修状况,是现代化汽轮机运行管理的重要内容。
汽轮机设备大都是可维修的,其寿命分配也有很大共性。
在汽轮机使用寿命年限内,通过可靠性统计分析,可以找出因运行检修维护不当造成的寿命损耗,从而改善运行操作方法和检修维护方案,逐步由被动检修转变为状态监测和预知性维修,提高设备等效可用系数,减少等效强迫停用率,减少维修费用,延长汽轮机使用寿命,取得更大安全经济效益。
第二节汽轮机的运行要求
一蒸汽参数的允许变化范围
汽轮机的功能、容量、蒸汽流量、转速调节以及压力控制都是基于额定蒸汽参数下的运行。
汽轮发电机组可以在下述蒸汽压力和温度变动范围内运转,这些允许变化范围仅供紧急情况使用,故而要尽可能将这种不正常运行减至最小限度,尤其是压力和温度同时发生变动的情况,更须竭力避免。
㈠进口压力
在任意十二个月的运转期内,主汽阀进口处的压力须控制在不超过额定压力的平均压力。
在保持这一平均压力时,又不得使压力超过额定压力的1%,时间不得超过控制所需的合理时间。
在不正常条件下,进口处瞬时压力波动不得超过额定压力的30%,并且在十二个月的运转期内,这些超过额定压力的瞬时波动时间总和不得大于12小时。
㈡再热压力
高压汽轮机排汽口处的压力不得超过汽轮机高压缸排汽口最大压力的25%。
此最大压力是汽轮机高压缸流过额定压力的最大计算蒸汽流量及在正常条件运行时高压缸排汽口的压力。
用户必须为机组提供合适的安全阀。
㈢进口温度
在任意十二个月的运转期内,汽轮机主汽阀进口处的蒸汽温度平均值不得大于额定温度。
在维持这一平均值时,温度值不得大于额定温度8℃。
在不正常条件下,汽轮机主汽阀进口处的温度不得超过额定温度14℃,在十二个月的运转期内的时间总和不得超过400小时。
如有温度波动,则波动的最大值不得超过额定温度28℃,时间不超过15分钟,并在十二个月运转期内的时间总和不大于80小时。
在保持上面所述的温度规定下,还须做到同时进入汽轮机各主汽阀的蒸汽温差必须保持在14℃以下。
在不正常情况下,差值允许达到42℃,但时间不得超过15分钟,且两次发生这种不正常情况的时间间隔至少4小时。
㈣再热温度
在任意十二个月的运转期内,汽轮机再热进口处的蒸汽温度平均值不得大于额定再热温度。
在保持这一平均值时,再热温度不超过额定值8℃。
在不正常运行条件下,再热温度不得超过额定值14℃,在十二个月运转期内的时间总和不超过400小时。
如有波动,则波动的最大值不超过额定再热温度28℃,时间不超过15分钟,并在十二个月运转期内的波动时间总和不大于80小时。
在维持上述再热温度平均值的条件下,同时进入汽轮机各高温再热阀的蒸汽温差必须保持在14℃之内。
在不正常情况下,这一温差允许高达42℃,但时间不得超过15分钟,且两次发生这种不正常情况的时间间隔至少相隔4小时。
㈤高中压合缸
由于主蒸汽进口及再热蒸汽进口被安置在同一汽轮机汽缸上,故主蒸汽及再热蒸汽进口之温差必须加以控制,以使设备能达到设计的最理想寿命。
主蒸汽和高温再热蒸汽的温差不得偏离额定条件的28℃。
在不正常条件下,这一偏离值允许高达42℃,但仅限于再热温度低于主蒸汽进口温度。
一般来说,这些限制是在接近满负荷时使用。
当负荷减少时,假设再热温度低于主蒸汽温进口温度,在这种情况下,当负荷接近空载时,温差可达83℃。
但要避免短暂的温度周期性波动。
二汽轮机的蒸汽品质
㈠汽轮机蒸汽品质
蒸汽中存在的腐蚀性杂质,会导致汽轮机部件由于腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳及腐蚀-侵蚀而损坏。
必须严格控制腐蚀剂、盐和酸(包括有机酸和二氧化碳)。
杂质的沉淀还会导致热力损失,叶片效率降低,影响压强分布,阻塞阀门中的间隙和密封。
如欲避免这些情况所引起的各种损坏、长期停机及昂贵的修理费用,则必须对整台汽轮机内蒸汽的品质严加控制。
此外,还须采取有效措施,以防对厂内设备、管道所采取的化学清洗程序中的杂质进入机内。
㈡正常运行的要求
运行时的正常限制值和理想值
参数
单位
正常极限
理想值
在25℃下游,强酸阳离子交换器
传导率取样,在取样点连续测量
μS/cm
<
0.2
0.1
钠③(Na)
μg/kg*
5
硅(SiO2)
μg/kg
铁(Fe)
铜④(Cu)
①为了避免任何腐蚀或效率损失,实际运行数值应在正常值以下,最好能达到理想值。
②理想值仅为连续运行可以达到的数值,正常值为正常运行时的允许的最大值。
③如果固体碱化剂(NaOH,Na3PO4)仅在非正常情况下使用,就不需要连续的进行检测钠。
④如果蒸汽-水循环没有铜合金的话,就没有必要监控铜。
*1μg/kg=1ppb
三调节级叶片的运行要求
1为增加调节级叶片的可靠性,要求下述转子和调节级叶片在汽轮机使用之初,必须通过至少六个月的全周进汽方式运行。
⑴凡具有侧装式调节级叶片的新转子;
⑵凡具有侧装式调节级叶片的备用转子;
⑶凡具有侧装式调节级叶片的更换的转子;
⑷凡新装侧装式调节级叶片的旧转子;
⑸具有销钉固定式调节级叶片的额定功率在30万千瓦以上的机组。
2六个月的运行周期是以上述转子和叶片的接触条件为基础的。
如到时不正常压力及温度还存在,则全周进汽的运行方式尚须继续,直至达到稳定的参数为止。
这一时期结束,汽轮机便须转为正常的部分进汽。
具备阀门管理性能的机组,这时便可采用效果最佳的喷嘴调节方式运行。
四机组运行限制及注意事项
㈠一般注意事项
1在蒸汽进入汽轮机以前,应根据转子的初始温度来决定采用冷态启动或热态启动。
2当采用冷态启动程序时,可利用“冷态转子升温程序”图表来决定转子的升温时间。
在紧急状态下,运行人员往往会企图使机组更快地与电网耦合,但此时应加注意的是,根据转子启动时的初始温度所决定的升温时间不容缩短。
3当采用热态启动程序时,应控制主汽阀入口处的蒸汽状态,使调节级后蒸汽温度和金属温度相匹配。
在任何情况下,调节级后蒸汽温度均不得比当地金属温度高111℃或低56℃。
4汽轮机运行时背压过高,会损坏叶片并引起旋转部件和静部件之间的摩擦。
所允许的最大背压随负荷而定,由机组的负荷—背压限制曲线确定。
5运行时应严格遵守“控制整定值指导”中规定的调节阀最终开启程序。
任何其它程序均将导致第一级叶片发生故障。
6切勿在一侧汽室的主汽阀开启而另一侧汽室的主汽阀关闭时运行。
但这一限制不适用于极短的时间,例如测试阀杆的动作是否灵活时。
7切勿在汽轮机一侧的再热截止阀和(或)调节阀开启而另一侧的再热截止阀和(或)调节阀关闭时运行。
这一限制不适用于极短的时间,例如测试阀杆的动作是否灵活时。
8如果汽轮机一侧的再热截止阀或调节阀不能关闭,汽轮机负荷限制按已经降低的通流能力的百分数。
例如两个再热截止阀中的一个不能关闭,负荷降低50%。
如果四个再热调节阀中的一个不能关闭,负荷降低到75%。
9对汽包式锅炉的机组而言,如在主汽阀压力控制器(或限制器)停止使用的场合,主汽阀处的蒸汽压力在失控情况下跌至额定压力的90%(配备直流锅炉的机组为95%)以下,或如果主蒸汽温度或再热蒸汽温度在失控下降落83℃以上时,应卸除负荷,事故停机。
在使用压力控制器(或限制器)时的正常停机,可参阅“停机步骤”一节。
10汽轮发电机组的低压叶片共振转速范围如图6-6所示,如汽轮机在加速度过程中必须持速,应保证该转速不在共振区内。
如果在共振区内,则应将此转速降至共振区以下。
11对运行的两个主要要求是:
限制汽轮机中的热应力、限制由热差胀引起的部件摩擦。
因此,必须按照规程要求运行时严格限制各部件中的温差。
12为了使蒸汽室在汽轮机由主汽阀控制转换到调节阀控制前得到足够的加热,蒸汽室内表面的温度(由内表面的深孔热电偶测得)应等于或大于主蒸汽阀前蒸汽压力的饱和蒸汽温度,这样可以防止蒸汽室内因控制方式转换至调节阀控制而腔内压力升高时形成水滴。
这个加热过程在主蒸汽压力高时可能较难实现,因蒸汽流经主汽阀的导阀时将有较大的温度损失。
为使蒸汽室达到所需的温度必须保证在主汽阀入口处的蒸汽压力和温度满足“汽轮机主汽阀处的启动蒸汽参数”图表的要求。
例如当进口蒸汽压力为6.89MPa时,主汽阀门处的最低温度应为357℃,启动时使用减压蒸汽。
13在汽轮机运行的全过程中,均应注意蒸汽及金属热电偶的极限值。
14蒸汽室内的深孔热电偶与浅孔热电偶间的最大温差不应超过83℃。
15如果再热器采用减温喷水装置,则必须遵守以下运行条件:
以最大工况热平衡的蒸汽量(本机组应按额定压力计
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