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汽轮机固粒侵蚀（SPE）和汽流激振问题分析和防范 |
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| 汽轮机固粒侵蚀（SPE）和汽流激振问题分析和防范 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 19:50:43  |
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作者：刘响江
摘要：随着国际和国内金属材料冶炼技术不断发展和通流设计技术的完善和优化，以燃煤为主的新建火力发电站逐步向超高参数、大容量方向发展。目前已发展到超超临界1000MW等级。作为火力发电站主要的关键设备之一，超超临界汽轮机的开发设计有很多特殊要求，需解决许多技术问题，其中通流部件的防固粒侵蚀SPE（Solid Particle Erosion）、防止高压转子汽流激振、汽轮机选材问题、转子冷却结构问题、低压进汽容积流量小问题，是关系到超超临界汽轮机组能否安全、稳定、经济运行的关键，本文将重点探讨如何防止通流部件的固粒侵蚀（SPE）和高压转子汽流激振问题。
关键词：超超临界 汽轮机 固粒侵蚀 汽流激振 分析 防范
0、超超临界的定义和超超临界机组的发展概况：
超超临界是（上世纪90年代提出）工程产品商业性的概念,目前国内外尚无统一标准，日本最早提出压力24.2MPa，温度593°C，即为超超临界；丹麦认为压力27.5MPa；西门子按采用“600 °C材料”来区分；我国电力百科全书认为压力27MPa，但无论何种说法，超超临界的压力、温度都已超过22.13MPa(374.15°C)的超临界物理概念。目前我国上海、东方、哈尔滨三大动力集团公司，均具备超超临界1000MW等级机组的设计、制造能力。据不完全统计，截止2005年11月，我国正在安装和签定定货合同的超超临界1000MW等级机组已达12台之多。浙江玉环电厂成为我国首座超超临界机组示范电厂。这类机组不但有较高的发电效率，而且有较小的电站投资费用和运行维修费用，在满足社会对电力需求的同时，可达到一次能源的高效利用和环保的要求。但作为火力发电站主要的关键设备之一，超超临界汽轮机的开发设计有很多特殊要求，需解决许多技术问题，其中通流部件的防固粒侵蚀SPE（Solid Particle Erosion）和防止高压转子汽流激振问题就是其中最关键的两个问题。
1、通流部件的防固粒侵蚀SPE问题：
1.1 固粒侵蚀SPE的危害：
固体颗粒主要来源于锅炉、主蒸汽管道和再热蒸汽管道中内表面的氧化铁剥离层，剥离层脱落形成的固粒主要对调节级、再热第一级静动叶产生严重冲蚀，对于超超临界汽轮机组，由于其温度高（600°C以上）固粒生成率高，固体颗粒对通流部件的冲蚀并进而使通流部件损坏条件较充分，通过对早期投运的超超临界机组大修中通流部件的检查，结果表明：固体颗粒对通流部件的冲蚀损坏非常严重，损坏部位主要在调节级喷觜出汽边内弧和再热第1级导叶出口背弧，不但严重影响机组安全性，而且会使机组经济性也受到较大影响，据分析调节级的SPE降低机组效率约0.4%，再热第1级的SPE降低机组效率约0.3%。
1.2 通流部件的固粒侵蚀机理
通过对固体颗粒在通流中三维轨迹的研究发现，通流部件固粒侵蚀与固体粒子的冲击位置，冲击速度及角度等参数有关，侵蚀强度是这些因素综合影响的结果，并且调节级和再热第一级固粒侵蚀机理是不同的，从现场检查可见，调节级的固粒侵蚀主要产生在喷嘴出汽边内弧上，这主要是来自进汽管的粒子被汽流加速后以小角度冲击在压力面出汽边上，加之喷嘴的转折角较大，出汽边内弧正好处于冲击射线上，因而在该部位产生严重侵蚀是必然的；再热第1级固粒侵蚀主要表现在导叶出口背弧上，其固粒侵蚀机理是静动叶片间粒子复杂的多重反射冲击现象。来自导叶出口的粒子首先打在动叶进汽边背弧上，粒子在动叶上获得巨大切向速度，并以小角度冲击导叶出口背弧表面，对导叶形成严重的侵蚀。因此在设计中应分别采用相应的防SPE措施。
1.3 防止SPE侵蚀的技术措施
在高压喷嘴采用渗硼，在中压第1级的静叶片采用涂陶瓷材料的方法防止SPE侵蚀，虽然运行经验表明这些方法取得较好效果，但仅仅延缓了SFE进程，不能根本解决调节级的SPE问题，因此还需从以下几方面入手：
（1）优化设计喷嘴型线，改变固粒的冲击角度，使出汽边内弧偏离冲击射线，从原理上最大限度地减弱调节级的SPE侵蚀。
（2）优化设计再热第1级静叶，设计合理的动静叶轴向间隙，使动叶反射的固粒不能打在静叶背弧上，彻底切断固粒多重反射的途径，从而有效防止SPE侵蚀。
（3）对喷嘴、调节级和再热第1级动静叶采用含铌钢材料，该材料的耐冲蚀性能良好，国内外大型机组广泛采用，实践表明具有优良的运行业绩。
（4）在蒸汽管道上安装滤网，防止大颗粒固粒进入通流部分。
（5）新机组安装及机组大修时需对锅炉过热器、再热器及主要管道和主蒸汽管道、再热蒸汽管道进行必要的清洗或吹管以便去除残留杂质。
2、转子汽流激振问题：
超超临界机组压力为25MPa,温度为600℃以上，由于蒸汽密度大，级间压差大，蒸汽激振力也大，当动静部分不对中，汽封间隙周期性变化时，所产生的蒸汽激振力可能会引起转子低频振动。因此在考虑轴系稳定性时，必须要考虑蒸汽激振力的影响。
2.1 汽流激振产生原因
蒸汽涡动是产生气流激振力的主要原因，是高负荷运行时高、中压转子系统中一阶振动模式的自激振动。蒸汽涡动的机理相对较复杂，但研究表明下列情况结合会发生这种涡动：
（1）根据阀门开启顺序，如果调节级喷嘴向转子施加向上的力，转子系统将处于不稳定状态。
（2）高、中转子系统的刚性与稳定机组相比相对较低（挠度大）；此时通过转子动静汽封间的汽流激励容易引起转子的激振。
（3）转子系统抵抗迷宫汽封激振力的阻尼相对较低。
（4）由调节级汽流扰动造成的强迫振动。
2.2 解决方法
从转子振动和稳定性分析可知，要消除汽流激振一般可从增大系统阻尼和减小汽流激振力着手，主要措施有：
（1）采用有利于轴系稳定性的高压进汽阀门开启顺序，阀开启顺序安排为在任何运行条件下在转子上都会产生适当的向下的力。
（2）增大高、中转子刚度，提高高、中压转子的临界转速，单跨的刚性临界速度（一阶模式频率）应在2000rpm以上。
（3）采用稳定性比较好的轴承增大系统阻尼，高中压缸采用可倾瓦轴承，以便给转子系统提供足够的阻尼。
（4）合理设计汽封结构，选用合理的汽封间隙，以减小汽流激振力。
3、结束语：
颗粒侵蚀和汽流激振问题的防治和解决，使超超临界汽轮机技术得以更加快速的发展和应用，但并不是说在实际运行中以上问题就不会发生了，实践证明以上问题除与设计有关外，还与机组启动方式、启动次数、全周进汽方式运行时间、机组使用时间、调速系统特性等因素有关，因此超超临界汽轮机运行厂家必须对以上问题引起高度重视
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