大型汽轮机低压后缸喷水系统运行分析

摘要 ：本文对大型汽轮机低压后缸喷水系统进行分析并对维持低压缸排汽温度正常制定具体措施，对保障机组安全稳定运行有参考意义。

1 末级长叶片的采用及产生的问题

汽轮机的容量为流经通流部分的蒸汽量与其在汽轮机内的焓降之乘积，由于汽轮机初终参数受制造材料和自然环境的限制相对变化不大，所以蒸汽流量就成为机组容量变化的决定因素。从汽轮机的设计情况可知，单机容量的极限取决于低压缸排汽区的环形面积，也即决定于末级叶片的长度。末级叶片长度的增大，使汽轮机功率得以提高，而且减少了作功级数，缩短了轴系长度，简化了设备结构，降低了制造费用，运行中的振动、差胀、轴移都得到了很好的控制。如某超超临界 660MW 间接空冷机组为三缸两排汽结构，低压缸为双分流布置，末级叶片长度为 1030mm。

较长的末级叶片使汽轮机容量得以提高，本身也承担了较大的工作负荷。大容量机组末级叶片的做功能力接近机组容量的 10%，可见其安全运行状况非常重要。但实际上末级叶片工作的排汽区湿度较大，汽流速度已至超音速，叶片受到湿汽冲蚀的损伤 ；较大长度使叶片的振动疲劳应力增大 ；而随长度增大叶片鼓风摩擦产生更多的热量，要求有足够的蒸汽流量将其带走，否则排汽温度升高，叶片的过热会使安全运行受到严重威胁。

2 低压后缸喷水系统的运行

2.1 喷水系统的作用

为了降低在低负荷时排汽区的温度，保护汽轮机末级叶片的安全工作，大型汽轮机设置有低压后缸喷水系统，如图 1所示。低压后缸喷水系统向双流低压缸每端喷水环上的喷咀提供凝结水，凝结水能使离开汽轮机末级叶片的蒸汽，在进入低压缸排汽室之前降低温度。通常，低压缸排汽室中的蒸汽是湿蒸汽，其温度是相应于出口压力下的饱和温度。然而，在小流量情况下，低压缸末几级长叶片做负功引起的鼓风加热，使得排汽温度迅速升高。这种不能接受的排汽温度，经常发生在低于 10% 负荷时的小流量工况下，特别是在额定转速空负荷状态时。排汽高温度的出现取决于通过叶片的（冷却）蒸汽流量、凝汽器压力和再热温度等参数。

2.2 喷水系统的组成

低压后缸喷水系统主要包括下列部件 ：

a. 喷水调节阀

喷水调节阀是由薄膜执行机构和阀门组成，其控制凝结水至低压后缸喷水，正常运行中该阀处于关闭状态。当汽轮机所处工况要求投入喷水系统时，系统中的电磁阀接通，空气供至喷水调节阀的执行机构。这样，凝结水通向低压缸排汽导流环上的喷嘴，对低压后缸进行喷水降温。

b. 截止阀

在喷水调节阀的进口和出口处各装有一截止阀。通常是打开的，当控制阀出现故障时，关闭进、出口截止阀，控制阀可以从系统中解列，以对其进行检修或更换。

c. 旁路阀

喷水调节阀有一旁路阀，它在调节阀故障或检修时开启，保障低压后缸喷水正常投入。

d. 过滤网

调节阀后设有滤网以防止杂质进入喷水系统堵塞喷头或进入排汽缸。

e. 监视仪表

低压后缸喷水系统的监视仪表中温度变送器监视低压缸排汽温度，以便判断是否投入或切除喷水减温。限位开关安装在喷水调节阀上，当阀门处于全开、全关状态时，向运行人员发出信号。

f. 喷嘴和喷水环

喷嘴和喷水环安装在低压缸排汽导流环上。来自喷水流量控制站的凝结水，用管道接至喷水环上的进水接口，再经喷水环送到各个喷嘴。整个布置如图 2 所示。

2.3 喷水系统的控制

在低负荷和零负荷时，低压缸喷水系统降低汽机末级叶片的排汽温度。低压缸喷水系统不在转子静止或盘车状态运行。当汽机转速增至 600r/min，电磁阀吸动，为压缩空气进入喷水调节阀的薄膜执行机构提供一个通道。当空气施力于调节阀的薄膜执行机构时，阀门打开使得凝结水经喷嘴进入低压缸。

在带负荷运行时，低压后缸喷水系统继续起作用，直至汽轮发电机负荷增至 15%，温度变送器监视低压后缸温度正常，喷水调节阀关闭。

在停机过程中，负荷降至 15% 额定负荷时，喷水调节阀打开使得凝结水经喷嘴进入低压缸。当汽轮机打闸并且转速降至 600r/min 时喷水调节阀关闭并切断喷至排汽缸的凝结水。如果至电磁阀的空气或电信号断路，喷水调节阀趋向关闭位置，此时可手动操作旁路阀继续为低压缸喷嘴供水。通常，喷水系统被设定在 600r/min 到 15% 额定负荷的范围内运行，只要在将喷水调节阀放置在“自动”位置，这要求即能自动实现。

3 低压缸排汽温度高保护的作用及事故分析

汽轮机在启动和带低负荷的工况运行时排汽温度升高，会使末级叶片及低压缸温度升高甚至过热，当排汽温度过高时，可能造成叶片损坏以及机组差胀、振动和轴承温度等出现异常情况甚至引起强迫停机。为了防止这些不安全情况的产生，大型汽轮机运行技术标准中要求低压缸排汽温度＜ 79℃，温度达 79℃报警，并联锁开启低压后缸喷水调阀 ；低压缸排汽温度达 121℃延时 1 分钟汽轮机跳闸，保护逻辑图如图 3 所示。

据统计，一些大型汽轮机运行中曾发生多起“排汽温度高”跳闸事故 ：（1）某 600MW 汽轮机挂闸冲转转速升至2900r/min，排汽温度高，汽轮机跳闸 ；再次挂闸冲转升至2900r/min，排汽缸温度高，汽轮机跳闸。 （2）某 660MW 汽轮机DCS 突然无显示，机组跳闸，恢复后冲转至 3000r/m， “排汽缸温度高”保护动作，汽轮机跳闸。 （3）某亚临界 300MW 机组锅炉灭火，快速减负荷至 27MW， “低缸排汽温度＞ 79℃”信号发，发现低缸喷水调阀未自动开，手动开启喷水调阀旁路门时， “低缸排汽温度＞ 121℃”动作机组跳闸。

由此可见该类事故对大型机组运行影响很大，为了防范事故的出现，一般要求汽轮机在启、停阶段和低负荷时，对低压缸排汽温度认真监视 ；进行事故处理快速减至低负荷时要及时开启低压后缸喷水调节阀和旁路阀，并且控制减负荷的速度和幅度要适当。

4 凝泵改变频运行对低压后缸喷水的影响

大型机组凝结水泵均采用变频运行方式，这样减少了启动冲击，降低了厂用电率，提高了运行的经济性，同时也影响着低压后缸喷水的运行效果。低压后缸喷水所取的凝结水来自凝泵的出口门后、凝结水调阀之前，由于凝结水流量随着机组负荷而变化，当凝泵工频运行时，低负荷下凝结水调阀的关小使凝泵有较高的出口压力，能满足低压后缸喷水量的需要 ；但在凝泵变频运行时，低负荷下凝泵在低转速运行出口压力较低，低压后缸的喷水量相应减少，此时低压缸排汽温度就更要密切监视。对此应采用以下措施以保证低压缸排汽温度正常。

（1）为使启、停阶段和低负荷时，低压后缸减温水以及其他用户所用冷却水量达到要求，凝泵变频控制设计合理的#低运行转速（一般在 900r/min 左右），保证凝泵出口压力不至太低。 （2）在机组启动过程和快速减至低负荷运行时，及时开启低压后缸喷水旁路阀以保障喷水量足够。 （3）汽轮机组在蒸汽流量较少的工况运行时，要加强对低压缸排汽温度的监视，发现升高及时采取措施予以调整。 （4）巡回检查时对就地排汽温度表注意核对，按要求进行排汽温度高热工保护试验，检查报警信号及喷水调节阀动作正常。 （5）在正常负荷范围运行时，应检查低压后缸喷水关闭严密，以防止汽轮机可能受到的损坏，减少凝泵的功率消耗。