我國大型汽輪機葉片運行狀況的研究和對策

1、我國大型汽輪機葉片運行狀況的研究和對策我國大型汽輪機葉片運行狀況的研究和對策【摘要】【摘要】隨著電站汽輪機大容量化，葉片的安全可靠性和保持其高效率愈顯得重要。通過對10余個電廠葉片運行狀況的調研及收集到有關葉片運行資料，分析了上海汽輪機有限公司、哈爾濱汽輪機有限責任公司、東方汽輪機廠等國產(chǎn)以及從美國、日本、前蘇聯(lián)和歐洲一些國家引進的300MW及以上亞臨界壓力大功率汽輪機部分葉片故障，認為末級長葉片型線下部普遍存在出汽邊水沖蝕損傷，外來硬

2、質異物擊傷葉片和固體粒子侵蝕，葉片結構及其它損傷，分析了其損傷機理，介紹防范措施。【關鍵詞】【關鍵詞】電廠汽輪機葉片損傷損傷機理ResearchResearchononOperationOperationStatusStatusofofLargeLargeSteamSteamTurbineTurbineBladesBladesCountermeasuresCountermeasuresAbstractWiththeincreasinga

3、doptionofhighparameterlargesizesteamturbinesthereliabilityofbladeskeepingitshighefficiencybecomememeimptant.Throughtheinvestigationsurveyofbladesoperationstatusoftenoddsteamturbinesthecollectedrelevantbladeoperationdocum

4、entspartbladefailuresofindigenousimptedsubcriticalpressurelargesize(300MWabove)steamturbinesaresummedupanalyzedincludingsteamturbinesmadebyShanghaiHarbinDongfangsteamturbinewksimptedfromU.S.JapanfmerSovietUnionsomecountr

5、iesinEurope.Itisheldthatthewatererosiondamagesresultedfromimpingesbyfeignhardmatteretchingbysolidparticlesetc.phenomenagenerallyexistingatsteamoutletsideoflowerprofilepartoflaststagelongbladesleadtobladestructuredamageot

6、herdamages.Inthepaperthedamagemechanismsareanalyzedpreventivemeasuresareproposedaswell.Keywdspowerplantsteamturbinereliabilitybladedamagedamagemechanism前言前言葉片是汽輪機的關鍵零件，又是最精細、最重要的零件之一。它在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕和

7、振動以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。其空氣動力學性能、加工幾何形狀、表面粗糙度、安裝間隙及運行工況、結垢等因素均影響汽輪機的效率、出力；其結構設計、振動強度及運行方式則對機組的安全可靠性起決定性的影響。因此，全世界最著名的幾大制造集團無不堅持不懈地作出巨大努力，把最先進的科學技術成果應用于新型葉片的開發(fā)，不斷推出一代比一代性能更優(yōu)越的新葉片，以捍衛(wèi)他們在汽輪機制造領域的先進地位。在1986～1997年間我國電力工業(yè)得到持續(xù)、高速發(fā)展，電

8、站汽輪機正在實現(xiàn)高參數(shù)大容量化。據(jù)統(tǒng)計，到1997年底，包括火電、核電在內(nèi)的汽輪機裝機容量已達到192GW，其中火電250～300MW機組128臺，320.0～362.5MW機組29臺，500～660MW機組17臺；200MW及以下的機組也有很大發(fā)展，200～210MW機組188臺，110～125MW機組123臺，100MW機組141臺。核電汽輪機最大容量為900MW。隨著我國電站汽輪機大容量化，葉片的安全可靠性和保持其高效率愈顯得重要

9、。對于300MW及600MW機組，每級葉片轉換的功率高達10MW乃至20MW左右，即使葉片發(fā)生輕微的損傷，所引起的汽輪機和整臺火電機組的熱經(jīng)濟性和安全可靠性的降低也是不容忽視的。例如，由于結垢使高壓第1級噴嘴面積減少10%，機組的出力會減少3%，由于外來硬質異物打擊葉片損傷以及固體粒子侵蝕葉片損傷，視其嚴重程度都可能使級效率降低1%～3%；如果葉片發(fā)生斷裂，其后果是：輕的引起機組振動、通流部分動、靜摩擦，同時損失效率；嚴重的會引起強迫停

10、機，有時為更換葉片或修理被損壞的轉子、靜子需要幾周到幾個月時間；在某些情況下由于葉片損壞沒有及時發(fā)現(xiàn)或及時處理，引起事故擴大至整臺機組或由于末級葉片斷裂引起機組不平衡振動，可能導致整臺機組毀壞，其經(jīng)濟損失將以億計，這樣的例子，國內(nèi)外并不罕見。由多年積累的經(jīng)驗證明，每當有一大批新型汽輪機投入運行以后或在電力供需不平衡出現(xiàn)汽輪機在偏離設計工況長期運行時，由于設計、制造、安裝、檢修以及運行不當?shù)确矫娴脑蛞鸬娜~片故障損傷便會充分暴露出來。如

11、上所述我國電站大型汽輪機裝機連續(xù)10余年迅速增加，開始出現(xiàn)某些地區(qū)的大機組長期帶低負荷運行的新情況，因此，很有必要及時調查研究、分析、總結葉片尤其是末級和調節(jié)級葉片發(fā)生的各種損傷及尋找規(guī)律，以期制定防范、改進措施，避免發(fā)生大的損失。1大機組葉片損傷概況大機組葉片損傷概況通過對10余個電廠葉片運行狀況的調研及收集有關葉片運行資料，分析了上海汽輪機有限公司、哈爾濱汽輪機有限責任公司、東方汽輪機廠（以下簡稱上汽、哈汽、東汽）等國產(chǎn)以及從美國、

12、日本、前蘇聯(lián)和歐洲一些國家引進的300MW以上亞臨界及超臨界壓力大功率汽輪機部分葉片故障。這些機組低壓級葉片在實際運行過程中，由于種種原因在葉片、葉根、拉筋、圍帶及司太立合金片等部位經(jīng)常發(fā)生故障，末級葉片的水沖蝕損傷相當普遍。這些故障基本上全面反映了我國大功率汽輪機葉片的現(xiàn)狀。大機組葉片損傷概況見表1。表1大機組葉片損傷各型大機組臺數(shù)(1997年)末級葉片長度mm末級葉片損傷情況其它級葉片損傷情況法國ALSTHOM公司300MW機組型號

13、：T2A300302F104421044運行約4300h后發(fā)現(xiàn)低壓第3級338mm葉片從葉根第1銷釘孔部位多片出現(xiàn)裂紋。次末級葉片拉筋斷裂。法國ALSTHOM公司330MW機組型號：T2A330302F104421044次末級為剖分式松拉金交錯整圈連接結構。葉片高度550mm，同型機組多次發(fā)生松拉金斷裂。后來新機組改用自由葉片運行。GECALSTHOM600MW機組型號：T2A6503044611080末級葉片葉根底部支撐葉片縱向定位的

14、彈簧片約16發(fā)生斷裂，原因為材料熱處理不當引起斷裂，措施為更換彈簧片。低壓次末級也出現(xiàn)彈簧片斷裂情況。中壓第9級為自帶圍帶、預扭安裝344.8mm葉片，5叉3銷釘葉根，全級64片葉片有53片葉根出現(xiàn)裂紋。原因為葉片設計問題，整圈連接狀態(tài)不佳。低壓前3級葉片根部斷裂均為此原因。后制造廠將原馬鞍型圍帶改為菱形圍帶。600MW等級亞臨界機組GECALSTHOM600MW機組型號：T2A6003022F104411044低壓第2級208.8mm

15、葉片為自帶圍帶預扭安裝雙叉2銷釘葉根，發(fā)現(xiàn)該級葉片葉根第1銷孔處斷5片，有53片葉片葉根出現(xiàn)裂紋。原因為葉片設計連接狀況不佳，改進設計將原馬鞍型圍帶改為菱形圍帶。前蘇聯(lián)哈爾科夫(XΓT3)320MW機組型號：K32023.5441030葉頂預扭接觸有錯位；整圈松拉金幾處斷裂；發(fā)現(xiàn)2臺機組末級葉片進汽邊大范圍水沖蝕，原因是真空過高。調節(jié)級及高壓前2級葉片及葉頂汽封被外來異物擊傷；高壓通流部分結垢1.5mm厚。超臨界機組ABB600MW機組

16、型號：D4Y4542867調節(jié)級葉片運行約5000h斷裂，原因為葉輪—葉片系統(tǒng)振動強度不良。ABB賠償2個高壓轉子；經(jīng)查低壓通流部分設計老化，使低壓缸效率低，ABB賠償2個低壓通流部分(包括低壓轉子和靜子)2末級長葉片損傷末級長葉片損傷21葉片型線下部普遍存在出汽邊水沖蝕葉片型線下部普遍存在出汽邊水沖蝕末級葉片型線下部出汽邊的水沖蝕損傷是200MW、300MW及600MW以上等大型汽輪機的共同問題。以往665、680、700mm葉片的出

17、汽邊都有明顯的水沖蝕，而如今869、900、1000mm葉片以及進口機組的660、851mm等葉片出汽邊也程度不同地出現(xiàn)水沖蝕損傷，末級葉片出汽邊的水沖蝕損傷已成為影響大機組安全運行的普遍問題，應給予高度重視。出汽邊水沖蝕所造成的后果不僅使葉柵的氣動性能惡化，級效率降低，更嚴重的是對汽輪機的安全運行造成威脅。水沖蝕形成的鋸齒狀毛刺造成應力集中以及減小葉型根部截面的面積，還會影響到葉片的振動特性，大大地削弱葉片的強度，這就增加了末級葉片斷

18、裂的危險性。211出汽邊水沖蝕機理汽輪機在低負荷運行時，末幾級的工況變化最大。隨著機組功率的增大，低壓級組子午流道擴張角增大，葉高增加，當其相對設計工況的容積流量急劇減小時，會使流場參數(shù)發(fā)生很大變化。末級長葉片在小容積流量、真空工況運行，葉片底部會出現(xiàn)較大的負反動度，結果對設計不良的動葉片下半部造成大范圍的回流區(qū)。負荷越低回流區(qū)越大，在起動和并網(wǎng)初始，回流范圍甚至擴大到整個排汽缸。大功率凝汽式汽輪機的末級排汽濕度總是比較大的，末級動葉后

19、汽流中攜帶有大量的水滴，回流的蒸汽運移著水滴沖擊在高速旋轉的動葉片下半部的出汽邊。對某些設計過時的葉片，在低負荷或高背壓時，會產(chǎn)生大范圍的回流，甚至達到葉高的23以上，對于這類葉片，出汽邊的水沖蝕就變得非常嚴重。另外，當排汽缸噴水裝置設計、安裝不當或噴水過量時，會加重出汽邊的水沖蝕。212典型出汽邊水沖蝕(1)吳涇電廠11、12號機為上海汽輪機廠引進美國西屋公司技術制造的亞臨界、中間再熱、雙缸雙排汽、單軸凝汽式300MW汽輪機，末級葉片

20、高度869mm。2臺機組分別于1991年和1992年底并網(wǎng)發(fā)電。投運后不久即開始每晚6～8h低負荷調峰運行，表現(xiàn)出良好的調峰性能。但第1次大修時就發(fā)現(xiàn)末級葉片根部出汽邊水沖蝕嚴重，1995年上半年對12號機進行了首次大修，發(fā)現(xiàn)汽輪機轉子末2級（尤其末級）葉片的出汽邊背弧側靠葉根處水沖蝕痕跡明顯，平均水沖蝕高度約為100～200mm。分析認為根部設計反動度較小，在小容積流量下運行，根部反動度出現(xiàn)負值，產(chǎn)生回流沖蝕所致。2臺機組大修中檢查，