大型汽輪機低壓后缸噴水系統運行分析

摘要 ：本文對大型汽輪機低壓后缸噴水系統進行分析并對維持低壓缸排汽溫度正常制定具體措施，對保障機組安全穩定運行有參考意義。

1 末級長葉片的采用及產生的問題

汽輪機的容量為流經通流部分的蒸汽量與其在汽輪機內的焓降之乘積，由于汽輪機初終參數受制造材料和自然環境的限制相對變化不大，所以蒸汽流量就成為機組容量變化的決定因素。從汽輪機的設計情況可知，單機容量的極限取決于低壓缸排汽區的環形面積，也即決定于末級葉片的長度。末級葉片長度的增大，使汽輪機功率得以提高，而且減少了作功級數，縮短了軸系長度，簡化了設備結構，降低了制造費用，運行中的振動、差脹、軸移都得到了很好的控制。如某超超臨界 660MW 間接空冷機組為三缸兩排汽結構，低壓缸為雙分流布置，末級葉片長度為 1030mm。

較長的末級葉片使汽輪機容量得以提高，本身也承擔了較大的工作負荷。大容量機組末級葉片的做功能力接近機組容量的 10%，可見其安全運行狀況非常重要。但實際上末級葉片工作的排汽區濕度較大，汽流速度已至超音速，葉片受到濕汽沖蝕的損傷 ；較大長度使葉片的振動疲勞應力增大 ；而隨長度增大葉片鼓風摩擦產生更多的熱量，要求有足夠的蒸汽流量將其帶走，否則排汽溫度升高，葉片的過熱會使安全運行受到嚴重威脅。

2 低壓后缸噴水系統的運行

2.1 噴水系統的作用

為了降低在低負荷時排汽區的溫度，保護汽輪機末級葉片的安全工作，大型汽輪機設置有低壓后缸噴水系統，如圖 1所示。低壓后缸噴水系統向雙流低壓缸每端噴水環上的噴咀提供凝結水，凝結水能使離開汽輪機末級葉片的蒸汽，在進入低壓缸排汽室之前降低溫度。通常，低壓缸排汽室中的蒸汽是濕蒸汽，其溫度是相應于出口壓力下的飽和溫度。然而，在小流量情況下，低壓缸末幾級長葉片做負功引起的鼓風加熱，使得排汽溫度迅速升高。這種不能接受的排汽溫度，經常發生在低于 10% 負荷時的小流量工況下，特別是在額定轉速空負荷狀態時。排汽高溫度的出現取決于通過葉片的（冷卻）蒸汽流量、凝汽器壓力和再熱溫度等參數。

2.2 噴水系統的組成

低壓后缸噴水系統主要包括下列部件 ：

a. 噴水調節閥

噴水調節閥是由薄膜執行機構和閥門組成，其控制凝結水至低壓后缸噴水，正常運行中該閥處于關閉狀態。當汽輪機所處工況要求投入噴水系統時，系統中的電磁閥接通，空氣供至噴水調節閥的執行機構。這樣，凝結水通向低壓缸排汽導流環上的噴嘴，對低壓后缸進行噴水降溫。

b. 截止閥

在噴水調節閥的進口和出口處各裝有一截止閥。通常是打開的，當控制閥出現故障時，關閉進、出口截止閥，控制閥可以從系統中解列，以對其進行檢修或更換。

c. 旁路閥

噴水調節閥有一旁路閥，它在調節閥故障或檢修時開啟，保障低壓后缸噴水正常投入。

d. 過濾網

調節閥后設有濾網以防止雜質進入噴水系統堵塞噴頭或進入排汽缸。

e. 監視儀表

低壓后缸噴水系統的監視儀表中溫度變送器監視低壓缸排汽溫度，以便判斷是否投入或切除噴水減溫。限位開關安裝在噴水調節閥上，當閥門處于全開、全關狀態時，向運行人員發出信號。

f. 噴嘴和噴水環

噴嘴和噴水環安裝在低壓缸排汽導流環上。來自噴水流量控制站的凝結水，用管道接至噴水環上的進水接口，再經噴水環送到各個噴嘴。整個布置如圖 2 所示。

2.3 噴水系統的控制

在低負荷和零負荷時，低壓缸噴水系統降低汽機末級葉片的排汽溫度。低壓缸噴水系統不在轉子靜止或盤車狀態運行。當汽機轉速增至 600r/min，電磁閥吸動，為壓縮空氣進入噴水調節閥的薄膜執行機構提供一個通道。當空氣施力于調節閥的薄膜執行機構時，閥門打開使得凝結水經噴嘴進入低壓缸。

在帶負荷運行時，低壓后缸噴水系統繼續起作用，直至汽輪發電機負荷增至 15%，溫度變送器監視低壓后缸溫度正常，噴水調節閥關閉。

在停機過程中，負荷降至 15% 額定負荷時，噴水調節閥打開使得凝結水經噴嘴進入低壓缸。當汽輪機打閘并且轉速降至 600r/min 時噴水調節閥關閉并切斷噴至排汽缸的凝結水。如果至電磁閥的空氣或電信號斷路，噴水調節閥趨向關閉位置，此時可手動操作旁路閥繼續為低壓缸噴嘴供水。通常，噴水系統被設定在 600r/min 到 15% 額定負荷的范圍內運行，只要在將噴水調節閥放置在“自動”位置，這要求即能自動實現。

3 低壓缸排汽溫度高保護的作用及事故分析

汽輪機在啟動和帶低負荷的工況運行時排汽溫度升高，會使末級葉片及低壓缸溫度升高甚至過熱，當排汽溫度過高時，可能造成葉片損壞以及機組差脹、振動和軸承溫度等出現異常情況甚至引起強迫停機。為了防止這些不安全情況的產生，大型汽輪機運行技術標準中要求低壓缸排汽溫度＜ 79℃，溫度達 79℃報警，并聯鎖開啟低壓后缸噴水調閥 ；低壓缸排汽溫度達 121℃延時 1 分鐘汽輪機跳閘，保護邏輯圖如圖 3 所示。

據統計，一些大型汽輪機運行中曾發生多起“排汽溫度高”跳閘事故 ：（1）某 600MW 汽輪機掛閘沖轉轉速升至2900r/min，排汽溫度高，汽輪機跳閘 ；再次掛閘沖轉升至2900r/min，排汽缸溫度高，汽輪機跳閘。 （2）某 660MW 汽輪機DCS 突然無顯示，機組跳閘，恢復后沖轉至 3000r/m， “排汽缸溫度高”保護動作，汽輪機跳閘。 （3）某亞臨界 300MW 機組鍋爐滅火，快速減負荷至 27MW， “低缸排汽溫度＞ 79℃”信號發，發現低缸噴水調閥未自動開，手動開啟噴水調閥旁路門時， “低缸排汽溫度＞ 121℃”動作機組跳閘。

由此可見該類事故對大型機組運行影響很大，為了防范事故的出現，一般要求汽輪機在啟、停階段和低負荷時，對低壓缸排汽溫度認真監視 ；進行事故處理快速減至低負荷時要及時開啟低壓后缸噴水調節閥和旁路閥，并且控制減負荷的速度和幅度要適當。

4 凝泵改變頻運行對低壓后缸噴水的影響

大型機組凝結水泵均采用變頻運行方式，這樣減少了啟動沖擊，降低了廠用電率，提高了運行的經濟性，同時也影響著低壓后缸噴水的運行效果。低壓后缸噴水所取的凝結水來自凝泵的出口門后、凝結水調閥之前，由于凝結水流量隨著機組負荷而變化，當凝泵工頻運行時，低負荷下凝結水調閥的關小使凝泵有較高的出口壓力，能滿足低壓后缸噴水量的需要 ；但在凝泵變頻運行時，低負荷下凝泵在低轉速運行出口壓力較低，低壓后缸的噴水量相應減少，此時低壓缸排汽溫度就更要密切監視。對此應采用以下措施以保證低壓缸排汽溫度正常。

（1）為使啟、停階段和低負荷時，低壓后缸減溫水以及其他用戶所用冷卻水量達到要求，凝泵變頻控制設計合理的#低運行轉速（一般在 900r/min 左右），保證凝泵出口壓力不至太低。 （2）在機組啟動過程和快速減至低負荷運行時，及時開啟低壓后缸噴水旁路閥以保障噴水量足夠。 （3）汽輪機組在蒸汽流量較少的工況運行時，要加強對低壓缸排汽溫度的監視，發現升高及時采取措施予以調整。 （4）巡回檢查時對就地排汽溫度表注意核對，按要求進行排汽溫度高熱工保護試驗，檢查報警信號及噴水調節閥動作正常。 （5）在正常負荷范圍運行時，應檢查低壓后缸噴水關閉嚴密，以防止汽輪機可能受到的損壞，減少凝泵的功率消耗。