汽轮机低压叶片损坏原因分析及防范措施

汽轮机低压叶片损坏原因分析及防范措施

范晓峰

上都发电公司 内蒙古锡林郭勒盟正蓝旗上都镇

027200

摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对汽轮机的应用也越来越广泛。本文就汽轮机低压叶片损坏原因及防范措施进行研究，采取控制机组辅助调峰时低压缸零出力投入与退出速率、控制机组负荷速率、控制汽轮机主再热汽温、控制汽轮机进汽方式等措施，可有效减少低压叶片的损坏，保障电网稳定运行。

关键词：汽轮机；叶片；磨损

引言

在双碳战略目标背景下，清洁能源装机量和发电量占比不断增加，火电机组积极开展转型升级，节能降耗改造、供热改造和灵活性改造的三改联动逐步推进，以满足节能降耗和消纳风电、光伏等清洁能源的要求。研究深度调峰和供热工况下汽轮机低压缸叶片的安全稳定运行问题具有重要的现实意义。

1低压叶片损坏的原因

根据相关数据，本文分析了机组跳闸的事故原因，其具体包括3个方面。（1）起因：2号低压电子末端叶片断裂，排汽倒流环脱落。（2）经过：汽轮机转子轴系质量大、不平衡及严重的动静磨损。（3）结果：轴系瞬间失衡，振动大跳闸。结合以上情况，我司根据相关理论和实际经验进行了仔细研究，发现低压叶片损坏与以下5点关系密切。（1）与机组辅助调峰时低压缸零出力频繁投入和退出有关。受电网负荷峰谷差较大影响，机组经常辅助调峰，频繁调峰导致供热不足。为满足供热需求，低压缸会频繁进行零出力投入与退出。在零出力切换过程中，LV阀关闭到20%前，低压缸次末级叶片温度变化较小（175MW负荷时LV阀开度100%，次末级温度在40℃左右，当负荷减至125MW，LV阀开度在20%时，温度也为40℃）。由此可确认，当LV阀开度大于20%时，蒸汽流量足够冷却次末级叶片；当小于20%后再关闭LV阀时，低压缸次末级叶片温度开始大幅上升，规程要求次末级叶片温度控制在120～140℃之间，蒸汽流量必须大于15t/h。因此，为防止低压叶片损坏，应控制低压缸零出力投入与退出温升温降。（2）与汽轮机负荷速率有关。压叶片出现损坏与汽轮机负荷速率有很大关系，其具体原因为：汽轮机叶片寿命缩短；汽轮机负荷调整，进气量发生变化，突增突减；转子和气缸受到冷却或加热过快；气缸内外温差变化较大；交变应力随之变大。（3）与汽轮机主再热气温有关。再热汽温突降或突增对汽轮机叶片影响较大，尤其是在负荷变动较大时，由于锅炉燃烧滞后，升负荷时速率较快，汽机调门将会瞬间开大，汽温会先降后升，当达到AGC负荷指令时，锅炉热负荷达到一个高值。主再热汽温、水冷壁壁温在此时均有一个飞速上涨的过程，应及时将主再热汽温控制在合理范围内，不可突增、突降。（4）与再热汽温变化有关。再热汽温温度的快速升高和降低会造成负荷变动较大。锅炉燃烧滞后会引起负荷时速率变化较快，汽机调门也会发生变化，瞬间开大，汽温受其影响会先降后升。锅炉热负荷升高到一定程度时会伴有AGC负荷指令。此时主再热汽温、水冷壁壁温均会超出合理范围，呈现飞速上涨的现象，应及时将主再热汽温控制在合理范围内，不可突增、突降。（5）与汽轮机进汽方式有关。汽轮机组各调速气门根据压力依次开启，而汽轮机负荷的调节是改变主蒸汽流量。汽轮机的进汽量通过开启若干个调速气门控制，各调速气门分别控制一组调节级的喷嘴。在机组运行的各种工况下，主气门均处于全开位置，而各调速气门随负荷的增减依次开启。如此，在负荷时只有未开足的调速气门存在节流损失，而其他几个全开的调速气门则没有节流损失，且在该方式下汽轮机内效率可保持在一定水平。该方式适用于负荷在175MW以上。当负荷低于175MW时，由于各调速气门开度较小，导致节流损失严重，汽轮机效率也将降低，并且随着机组进入辅调后，主汽流量也变小，调节级后压力也将变低，调节级理想焓降将变大，调节级后温度也因焓降变大而变低。因此，低负荷应及时控制进气量和各调速气门开度。当负荷变动时调节级后温度变化较大，由于调节级后温度随负荷变化而变化的特性，在升降负荷的过程中，转子和汽缸受到冷却或加热，内外温差增大，引起较大的交变应力，限制了机组的负荷变化速度，降低了机组的负荷适应性或机动性。

2低压叶片损坏的防范措施

2.1振动数据分析

（1）各轴承处振动均明显变化，其中低压转子两端轴承处振动变化最大，相邻的高中压转子和发电机转子两端轴承处振动变化相对较小。（2）故障前振动主要以1倍频振动分量为主，1倍频振动分量幅值、相位均相对稳定；故障后振动也主要为1倍频振动分量，1倍频振动分量幅值、相位均相对稳定。（3）振动变化主要为1倍频振动分量变化，1倍频振动分量幅值、相位均不同程度变化。（4）低压转子两端轴承处振动幅值、1倍频振动分量变化最大，相邻高中压转子和发电机转子两端轴承处振动幅值、1倍频振动分量变化相对较小。（5）低压转子两端轴承处振动同相分量、反相分量均明显变化，其中反相分量变化较同相分量变化数值大。（6）高中压转子两端轴承处振动同相分量、反相分量均变化，其中反相分量变化较同相分量变化数值大。（7）发电机转子两端轴承处振动同相分量、反相分量均变化，其中同相分量变化较反相分量变化数值大。

2.2生产试制

首先,叶片的安全变形区域得到大幅改善,叶身区域的板料得到充分拉延;其次,板料厚度的均匀性得到显著提高;最后,回弹量也得到显著降低。相比于原始工艺仿真方案而言,优化策略能够显著提升该汽轮机叶片的成形质量。生产试制结果表明,拉丁超立方抽样数值仿真试验获取抽样结果克里金模型构建优化变量和优化目标之间的关系遗传算法优化克里金模型的优化策略对实际零件的优化是有效的,能够提升汽轮机叶片的成形质量,减少试错成本。

2.3合理控制汽轮机主再热汽温

当负荷高于175MW时，AGC机组的调节速率必须达到调度规定要求，机组负荷速率大于3.5MW/min。汽缸温差应控制好主再热汽温，以保证加减负荷时，主再热汽温稳定或平缓变动。由于我厂是超临界机组，所有的主汽气温调整以煤水比作为粗调，一级、二级减温水作为细调，控制好中间点温度作为主线，想升负荷时，应提前控制过热度偏置，降低过热度。由于给水加负荷时响应较慢，应及时调整水煤比的正常范围值，必要时可将过热度自动解除，手动增加给水，以减缓煤量的增加幅度。及时降低过热器一级、二级减温水自动温度设定值1～3℃，并监视主再热汽温，必要时将减温水解除自动，手动方式调整。减温水应尽量保证一级、二级减温水调门均有一定的开度与调整余量，并且加减负荷时及时调整烟气挡板开度。凡是打好提前量，尤其是启上层磨时加煤应缓慢，根据煤量、气压曲线及时调整出力。启磨初期磨风量保证在较低（不堵磨），维持56～62t/h为宜，否则过大风量很可能对锅炉扰动太大。

结语

汽轮机低压叶片损坏的原因有许多，要切实保障汽轮机稳定安全和电厂的安全运行，应采取多重防范措施减少汽轮机低压叶片的损坏。低压叶片的正常运行能有效提升电力的正常运输，保护电力企业的根本利益，也会促进我国社会的健康稳定发展，为实现可持续发展作出一定贡献。

参考文献

［1］谢永慧，孟庆集.汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究［J］.西安交通大学学报，2002，36（9）：912-915.

［2］嵇安森，刘可亮.蒸汽品质对汽轮机叶片频率的影响［J］.汽轮机技术，2001，43（6）：369-370.

［3］陈瑞龙.汽轮机低压叶片断裂原因分析［J］.热力发电，2012，41（5）：99-101.