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[摘要]燃气-蒸汽联合循环发电机组(CCPP)以高炉煤气(BFG)为主要燃料,具有效率高、启停响应快、污染排放低等优点,在钢铁企业中得到广泛应用。高炉煤气压缩机是CCPP装置原料输送系统的关键设备。气体压缩机叶片频繁断裂,对机组发电负荷和设备安全影响很大。对CCPP装置轴流气体压缩机(AV90-15)的化学成分、力学性能、振动特性和断裂特征进行了系统分析,得出叶片断裂是由材料疲劳引起的结论。提出预防和改进措施,确保机组安全稳定运行。【关键词】:CCPP单位;高炉煤气;轴流式压缩机;叶片断裂;疲劳应力
中国图书馆分类号TH455文献标志代码b。
货号2021
1导言
节能减排是我国实现工业化和信息化推动低碳经济发展的重要举措,也是“十三五”时期工业发展的重大战略任务。国家对煤炭等一次能源消费总量的逐年严格限制,使得城市钢厂的节能减排任务异常艰巨。高炉煤气是炼铁的副产品,含碳量高,直接排放会造成大气污染,而且还有一定的热值,可以作为气体燃料使用。CCPP装置以高炉煤气为主要燃料,掺入一定量的焦炉煤气。燃气燃烧产生热量带动燃气轮机、蒸汽轮机、发电机等旋转机械运转发电,创造经济效益。,CCPP机组肩负着平衡企业高炉煤气放散率、保证发电量、减少公司落后电源等环保和经济双重目标任务。保证发电机组的稳定高效运行是非常重要的。
高炉煤气压缩机是CCPP发电机组供气系统的主要设备。高炉煤气压缩机组转子叶片的材料缺陷和机组的异常振动造成压缩机故障[5,7],从而影响机组的正常运行。近年来,发生了多起高炉煤气压缩机叶片断裂事故,均导致发电机组非计划停机,造成了严重的经济损失。简要分析了CCPP装置低压气体压缩机叶片断裂事故的原因,并根据现状提出了预防和改进措施。
2-燃气-蒸汽联合循环发电技术
CCPP机组主要由供气系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、汽轮机系统和发电机系统组成。燃气-蒸汽联合循环的示意图如图1所示。
CCPP工艺流程1/2机组辅助蒸汽带动汽轮机运行,再通过齿轮箱带动高低压煤压机压缩、空气压缩机和燃气轮机运行。,空气压缩机用于吹扫燃烧室。当满足点火条件时,煤压机将除尘加热后的高炉煤气输送到燃烧室,与压缩空气混合燃烧,将热能转化为旋转机械能推动燃气轮机做功。燃气轮机排出的蒸汽进入废热锅炉,加热高、中、低压汽包的给水,产生高质量的蒸汽。涡轮机
热能转化为旋转的机械能做功,然后驱动发电机组完成机械能转化为电能发电。所有旋转设备同轴连接,空压机、高低压压煤机由旋转机械能直接驱动,转换效率高。
低压气体压缩机叶片断裂原因分析
3.1低压气体压缩机概述
CCPP装置高炉煤气压缩机采用离心轴流两级串联运行。低压气体压缩机是MAN公司生产的轴流式压缩机,静叶角度可调,动叶15级。设计进出口温度为35/235。设计进出口压力0.107/0.6 MPa;容积403000 m3/h .转子叶片和汽缸轴承静叶片采用2Cr13马氏体不锈钢,具有良好的机械性能和抗氧化腐蚀性能[2],也广泛用于制造高速旋转机械的部件如涡轮叶片和大型轴流压缩机叶片[1]。
自CCPP机组投运以来,在多次停机检修中,在压缩机出口的气体管道中发现了低压气体压缩机断裂的叶片碎片,不得不打开压缩机进行检查和确认,并检查了高压气体压缩机和后续转动设备燃气轮机的叶片。特别是2012年至2018年,低压气体压缩机转子叶片频繁断裂或开裂,严重影响了电力生产。
分析低压气体压缩机历次叶片断裂的原因,均为叶片材料疲劳所致,主要是压缩机转子、叶片等部件在机组运行过程中承受交变载荷,产生材料疲劳[8]。特别是第5级和第12级叶片的缺陷数分别达到了4次和3次,是一个缺陷集中的系列。
,2017年,低压气体压缩机更换了全新的转子叶片,运行3个月后,5级转子叶片有一个断裂;2018年新动叶片运行45天左右,12级动叶片断裂1片,13级动叶片断裂3片,14级动叶片断裂1片,均为全新叶片。
3.2低压煤压机叶片断裂原因分析
3.2.1低压煤压机叶片断裂的基本情况
低压气体压缩机转子于2018年进行了B级大修,采用全新的转子和定子叶片,针对2017年叶片断裂的原因进行了如下改进一是对5~9级转子叶片表面进行了喷丸和热喷涂防腐处理,对1~9级转子叶片纵向根部进行了喷丸处理,以延长叶片的抗疲劳寿命;,在转子修复中,根据煤压电机叶片的设计和强度计算,在不影响机组能量参数的情况下,对单个转子叶片进行必要的频率修正。如果动叶片的激振频率进入或接近共振频率区,也要进行修改优化处理,以提高机组运行的可靠性。
CCPP机组运行过程中,低压气压缩机出口流量和压力下降,高低压气压缩机防喘振阀动作,导致供气不足,燃烧室失去全焰导致机组跳闸。通过分析压缩机运行曲线、介质流动特性和故障发生时的振动特性,可以判断低压气体压缩机叶片断裂。开缸检查,发现11~15级动叶片、静叶片损坏严重,12级、13级、14级动叶片分别断1片、3片、1片。断口照片如图2所示。
化学成分分析
根据GB/T8732-2014《汽轮机叶片用钢规范》,对断裂叶片的12级、13-3级和14级试样进行了分析,化学成分检测表明叶片材料均符合2Cr13合金元素含量。结果如表1所示。对比国家标准和历史检验记录,试验叶片材料符合标准要求。
3.2.3机械性能检验和金相组织分析
根据GB/T8732-2014《汽轮机叶片用钢规范》,对12、13和14个断裂叶片(2Cr13)的力学性能进行了分析。由于断裂结构的特点,只分析了冲击功和硬度两个重要指标。结果如表2所示。
试验结果表明,试验叶片的冲击功和硬度均符合标准要求。对第13级断裂叶片过渡圆弧的金相分析表明,最终的显微组织
对第12、13、14级转子叶片的断裂叶片进行宏观断口分析,如图3所示。从图3可以看出,叶片的断裂发生在叶片根部,这是叶片的应力集中区域[6]。12级断裂叶片是后citron裂纹的高周疲劳;13级,三件为高周疲劳三种情况,即后香橼开裂、后弧中点开裂、后香橼和后弧中点一起开裂。14级碎刃为异物损伤,由12级和13级碎刃碎片撞击所致,呈韧性断裂。
图中断裂叶片根部为蓝色,检查时第12-15级的分区块也为蓝色。但CCPP机组低压气体压缩机出气温度设计值为235,最高允许温度为255,运行温度低于245左右,不足以造成根部和隔板块发蓝,特别是运行时间只有45天。认为发蓝的原因之一是叶片装配后没有锁紧,导致转子高速运转,叶片承受交变载荷,叶片根部与垫块摩擦产生高温。
断口微观分析
对13-1断裂叶片的断口进行了显微分析。图4显示了断裂叶片的微观结构。从四幅图中可以看出,断裂源没有明显的材料缺陷,背散射电子相显示涂层和基体开裂,而未断裂部分结合良好,低倍下疲劳弧明显。
频率分析
考虑到叶片的固有频率可能会在机组运行过程中造成叶片的异常振动和损坏,2017年,制造商对转子叶片进行了模型分析,并对原叶片进行了小幅修正。通过对比改造前后振动频率的回避率,可以得出叶片改造提高了第4、9-12、14-15旋翼叶片的回避率,符合相关规定。而8级S1的回避率为4%~7%,回避率较小。第三级转子叶片的S1回避率仅为0.1%~1.4%,频率无法回避。,从理论上讲,第8级和第13级叶片存在S1共振的可能性。
根据轴流压缩机的相关设计规范,当叶片的固有频率不能完全避免时,叶片的弯曲应力就会超标。
4低压气体压缩机叶片断裂原因及预防措施
4.1低压煤压机断裂原因
通过对断裂叶片的理化性能、断裂特征和振动特征的分析,发现低压气体压缩机转子叶片断裂是以下原因综合造成的
(1)压缩机介质的因素低压气体压缩机的工作介质为高炉煤气(BFG),含有s、Cl等腐蚀性微量元素,使得在一定条件下,叶片材料的疲劳极限会比空气小,导致叶片断裂的应力也更小。
(2)叶片固有频率系数原设计中4、8-15叶片的避频率不足,存在共振的可能;转子叶片频率修改后,8阶频率S1回避率不足,13阶频率根本无法回避,导致叶片S1共振,动应力过大。
(3)装配因素转子叶片和垫块在装配时没有锁紧,导致转子在高速运转时相互摩擦,也会影响叶片的振动特性。
(4)运行中叶片的受力因素机组运行时防喘振阀的动作会使叶片受到气流的瞬时冲击力,加速叶片的疲劳破坏;机组启动过程中,机组通过临界转速区时会发生共振,影响叶片寿命,尤其是机组频繁启动。
4.2预防措施
(1)由于高炉煤气中含有s、Cl等腐蚀微量元素,可以认为0Cr17Ni4Cu4Nb (17-4)用于5、6、7、8、11、12、13、14、15级9个动叶片,所以
(2)为了提高低压压气机叶片的耐腐蚀性能,转子和定子叶片均采用超音速等离子喷涂。特别是在这次喷涂中,涂层厚度远远超过250~300微米的设计值,局部位置厚度达到500~700微米米,涂层与叶片表面的接触紧密性也值得研究,这两者都会改变叶片的固有频率,导致共振。,考虑到叶片修改后无法避开共振区间,建议叶片不再使用防腐涂层,叶片恢复到MAN的原设计叶型。
(3)加强操作技能水平,提高设备管理能力,减少机组不停机引起的气流对低压煤压机叶片的冲击,进而减少工况变化时叶片上交变应力引起的叶片局部高应力区应力集中而引发微裂纹的概率;机组启动过程中,快速通过临界转速区,尽可能缩短共振时间;考虑到BFG的低位发热量及其变化的特点,建议对低压煤压机的喘振曲线进行修正,以防止机组运行中因BFG发热量变化引起的流量突变引起喘振。
5结论
通过化学和力学性能分析,结合微观和宏观分析,发现低压煤压机叶片断裂是叶片固有频率激振共振回避率不足、叶片防腐涂层和叶片装配等综合因素导致的疲劳断裂。叶片材料在气体介质中的疲劳极限小于空气,这也是诱发叶片疲劳断裂的原因之一。
加强装配管理,采用抗疲劳强度更强的材料或针对增加应力集中位置,消除叶片防腐涂层引起叶片振动特殊变化的因素,加强设备的管理和控制,是目前可以采取的可行的预防措施。
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