西門(mén)子超超臨界汽輪機(jī)跳閘條件分析

謝尉揚(yáng)

(浙江浙能能源技術(shù)有限公司，杭州市，310052)

0 引言

上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)德國(guó)西門(mén)子公司技術(shù)，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和投運(yùn)了大量1 000 MW和660 MW超超臨界汽輪機(jī)組。西門(mén)子超超臨界汽輪機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)有:單軸四缸四排汽;反動(dòng)式機(jī)型;全周進(jìn)汽+補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié);高壓缸為單流向、內(nèi)外缸，外缸為桶形、內(nèi)缸為垂直中分結(jié)構(gòu);中壓缸為雙流向、內(nèi)外缸、水平中分結(jié)構(gòu);2個(gè)低壓缸均為雙流向、三層缸體、水平中分結(jié)構(gòu);2個(gè)低壓內(nèi)缸及與中壓缸的連接采用推拉桿方式;低壓外缸與凝汽器剛性連接;落地式軸承，軸系采用單軸承N+1支承模式。這些特點(diǎn)決定了西門(mén)子超超臨界汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，啟動(dòng)應(yīng)力低、脹差小、速度快，并且機(jī)組效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)。

1 汽輪機(jī)故障處理

為保護(hù)超超臨界汽輪機(jī)設(shè)備(包括發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁機(jī))安全運(yùn)行不受損壞，機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生故障需要停機(jī)時(shí)，一般按不同故障情況進(jìn)行處理:(1)出現(xiàn)緊急故障，如汽輪機(jī)超速、潤(rùn)滑油壓低、凝汽器壓力高等，嚴(yán)重危及機(jī)組安全，汽輪機(jī)組直接跳閘;(2)發(fā)生嚴(yán)重設(shè)備安全故障，如汽輪機(jī)軸封或油擋冒火花、汽輪機(jī)內(nèi)部有明顯的金屬撞擊聲、汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊、主蒸汽或再熱蒸汽溫度10 min內(nèi)突降50℃、機(jī)組周?chē)?、主機(jī)潤(rùn)滑油或發(fā)電機(jī)密封油大量噴泄等，緊急手動(dòng)停機(jī);(3)發(fā)生故障或運(yùn)行參數(shù)接近控制限值，還不會(huì)立即造成嚴(yán)重后果，如汽輪機(jī)脹差接近限值、汽水品質(zhì)惡化、油質(zhì)惡化、油箱液位很低、密封油油氫差壓無(wú)法維持、定子線圈溫差或線圈出水溫差超限等，采取措施后仍無(wú)法控制，應(yīng)進(jìn)行故障停機(jī)。

2 汽輪機(jī)跳閘保護(hù)

西門(mén)子公司設(shè)置了大量的汽輪機(jī)直接跳閘保護(hù)，這些保護(hù)除滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求外，還增加了大量汽輪機(jī)組常規(guī)保護(hù)中沒(méi)有的內(nèi)容，從而大大提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性，但也增加了機(jī)組跳閘的概率，降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。西門(mén)子公司設(shè)置的跳閘保護(hù)見(jiàn)表1。有些電廠根據(jù)實(shí)際情況以及對(duì)保護(hù)的理解，已經(jīng)對(duì)部分保護(hù)進(jìn)行了修改或刪除。為便于對(duì)照，表1也列出了日立超超臨界汽輪機(jī)、東芝超超臨界汽輪機(jī)的跳閘保護(hù)條件，以及 IEC 60045－1:1991、JIS B8101:2003和DL/T 892—2004標(biāo)準(zhǔn)的要求［1-3］。從表1可知，第1～13項(xiàng)是常規(guī)保護(hù)內(nèi)容，其余各項(xiàng)為非常規(guī)保護(hù)內(nèi)容，本文將對(duì)后者分類(lèi)進(jìn)行討論。

表1 超超臨界汽輪機(jī)跳閘保護(hù)Tab.1 Trip protection of USC turbine

3 非常規(guī)汽輪機(jī)跳閘保護(hù)分析

3.1 汽溫保護(hù)3項(xiàng)

汽溫保護(hù)3項(xiàng)即為低壓缸排汽溫度高、高壓葉片溫度高(有些廠家稱(chēng)為“高壓缸排汽溫度高”)、主汽溫度高。

低壓缸排汽溫度高是為了保護(hù)汽輪機(jī)低壓葉片，防止由于鼓風(fēng)引起葉片高溫而損壞，是汽輪機(jī)廠家設(shè)置的常規(guī)保護(hù)，但在IEC 60045－1:1991，JIS B8101: 2003和DL/T 892—2004中未作直接跳閘要求。高壓葉片溫度高是防止機(jī)組甩負(fù)荷后且再熱壓力較高時(shí)出現(xiàn)的高溫，保護(hù)汽輪機(jī)高壓葉片以及汽缸。主汽溫度高是防止溫度過(guò)高引起主汽門(mén)、汽缸、葉片和轉(zhuǎn)子等材料強(qiáng)度降低。由于溫度的升高不是一個(gè)突變過(guò)程，不一定設(shè)置為自動(dòng)跳閘保護(hù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度超標(biāo)后應(yīng)立即采取措施，如果無(wú)法控制，可以手動(dòng)緊急停機(jī)。

3.2 液位保護(hù)5項(xiàng)

液位保護(hù)5項(xiàng)即為主油箱液位高、主油箱液位低、控制油箱液位低、凝汽器水位高、發(fā)電機(jī)檢漏儀液位高。

主油箱液位升高可能原因是油系統(tǒng)進(jìn)水(如冷油器泄漏)。進(jìn)水后，液位緩慢上升，導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化，從而降低潤(rùn)滑油的粘度，造成軸承潤(rùn)滑油油膜厚度減薄甚至破壞，可能會(huì)使軸承金屬溫度上升甚至燒瓦。由于液位上升有一個(gè)過(guò)程，潤(rùn)滑油的粘度也不會(huì)突然下降，當(dāng)主油箱液位升高時(shí)運(yùn)行人員已經(jīng)在采取措施，故主油箱液位高不必設(shè)置自動(dòng)跳閘。主油箱液位升高也可能是相連的其他油系統(tǒng)漏油過(guò)來(lái)所致，則更不必跳閘汽輪機(jī)。

主油箱液位降低是油系統(tǒng)泄露造成的，如果是壓力油系統(tǒng)泄漏(如法蘭泄漏)，若泄漏量大，液位下降很快，并且現(xiàn)場(chǎng)也無(wú)法有效處理，應(yīng)緊急停機(jī)。若泄漏量小，且能夠處理，則無(wú)需停機(jī)。如果是非壓力油系統(tǒng)泄漏，液位下降不會(huì)很快，有足夠時(shí)間進(jìn)行處理，也不必立即停機(jī)。對(duì)于主油箱液位低保護(hù)，為防止非因液位急速下降而跳閘汽輪機(jī)，可以增加一個(gè)液位下降速率判斷信號(hào)。

控制油箱液位低是由于油系統(tǒng)泄漏或蓄能器氣囊破裂引起，控制油箱液位低并不直接影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，當(dāng)油位低到控制油泵跳閘時(shí)，由于控制油壓低，汽輪機(jī)也會(huì)自動(dòng)跳閘，因而可以取消該保護(hù)。

凝汽器水位信號(hào)取自熱井液位，凝汽器水位高可能是熱力系統(tǒng)回水或除鹽水補(bǔ)充造成，這并不影響凝結(jié)水水質(zhì)，而且由于凝汽器容積巨大，水位不會(huì)快速上升，這期間有充足的時(shí)間可以處理。對(duì)于汽輪機(jī)高位布置向下排汽，凝汽器布置在下方的，即使水位上升到淹沒(méi)凝汽器冷卻管，首先受影響的也是凝汽器背壓，當(dāng)背壓不能維持時(shí)汽輪機(jī)也會(huì)自動(dòng)跳閘。如果汽輪機(jī)低位布置軸向排汽，凝汽器也是軸向布置，為防止末葉進(jìn)水，凝汽器水位高跳閘有一定的合理性。凝汽器水位高也可能是由于循環(huán)冷卻水大量泄漏造成，在線水質(zhì)分析儀能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)相應(yīng)情況采取措施，如果需要故障停機(jī)處理，手動(dòng)跳閘也來(lái)得及，因而可以取消凝汽器水位高跳閘信號(hào)。

發(fā)電機(jī)檢漏儀安裝在發(fā)電機(jī)下方，是數(shù)個(gè)僅有幾L容積的小容器，當(dāng)容器中液體達(dá)到相應(yīng)刻度時(shí)發(fā)出液位高信號(hào)，即使由于上部液體泄漏較快，液位快速上升到發(fā)電機(jī)定子底部，由于定子底部(包括出線端)有相當(dāng)大的空間，也不致使發(fā)電機(jī)定子鐵芯、線圈或轉(zhuǎn)子馬上損壞，運(yùn)行人員有足夠的時(shí)間進(jìn)行故障處理，若無(wú)法處理可故障停機(jī)，因而發(fā)電機(jī)檢漏儀液位高跳閘保護(hù)可以取消。

3.3 定冷水保護(hù)2項(xiàng)

定冷水保護(hù)2項(xiàng)即為定冷水流量低和定冷水溫度高。

定冷水流量低的原因有調(diào)節(jié)閥故障、水泵故障、過(guò)濾器堵塞、線圈內(nèi)部堵塞等，將引起定子線圈和鐵芯的發(fā)熱量無(wú)法及時(shí)帶走，造成溫度升高絕緣損壞，甚至線圈燒損，因而必須保護(hù)。但發(fā)熱量與發(fā)電機(jī)負(fù)荷有直接關(guān)系，不根據(jù)溫升情況直接跳閘過(guò)于保守，只要定冷水流量沒(méi)有中斷，都可以通過(guò)先減負(fù)荷來(lái)保證發(fā)電機(jī)安全，然后再查找原因進(jìn)行處理。在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)由發(fā)電機(jī)或其輔助系統(tǒng)引起的跳閘，特別舉例為定冷水失去，而不是定冷水流量低。在JIS標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)由發(fā)電機(jī)系統(tǒng)異常引起的跳閘，已經(jīng)刪除了定冷水失去跳閘的要求。建議修改該保護(hù)，可先根據(jù)定冷水流量或線圈溫度來(lái)限制發(fā)電機(jī)負(fù)荷，而不是直接跳閘，只有在定冷水完全失去時(shí)才直接跳閘汽輪機(jī)。

定冷水溫度高就跳閘汽輪機(jī)過(guò)于謹(jǐn)慎，線圈進(jìn)口的定冷水溫度高一般是由于換熱器一次冷卻水側(cè)流量不足、二次側(cè)調(diào)節(jié)閥故障或冷卻器結(jié)垢等原因引起，實(shí)際上真正對(duì)發(fā)電機(jī)安全有影響的是線圈層間溫度和線圈出水溫度，如果遇到這種情況，即使原因不清、無(wú)法及時(shí)處理也可以先通過(guò)減負(fù)荷來(lái)保證安全運(yùn)行，不需要直接跳閘。

3.4 風(fēng)溫保護(hù)2項(xiàng)

風(fēng)溫保護(hù)2項(xiàng)即為氫冷器出口氫溫高和勵(lì)磁機(jī)熱風(fēng)溫度高。

氣側(cè)溫度高可能是由于冷卻器的冷卻水流量不足、內(nèi)部積氣、內(nèi)部結(jié)垢等原因引起，這些原因不會(huì)引起氣側(cè)溫度突升，運(yùn)行人員有足夠時(shí)間進(jìn)行處理，在無(wú)法及時(shí)處理時(shí)也可以先減負(fù)荷來(lái)保證機(jī)組安全運(yùn)行，不需要直接跳閘。

3.5 控制油壓力高保護(hù)

控制油壓力高保護(hù)信號(hào)出現(xiàn)的可能原因包括油泵故障、泄壓閥故障或壓力測(cè)量回路故障，應(yīng)先檢查原因，或者切換油泵運(yùn)行，不需要直接跳閘。

3.6 潤(rùn)滑油及控制油緊急停運(yùn)按鈕動(dòng)作

當(dāng)發(fā)現(xiàn)油系統(tǒng)泄漏或火災(zāi)事故或油箱液位低時(shí)才動(dòng)作，至于油系統(tǒng)泄漏及油箱液位低，應(yīng)根據(jù)具體情況判斷是否需要?jiǎng)幼髟摪粹o。潤(rùn)滑油緊急停運(yùn)按鈕動(dòng)作后主油泵停運(yùn)，直流潤(rùn)滑油泵自動(dòng)啟動(dòng)，控制油緊急停運(yùn)按鈕動(dòng)作后控制油泵停運(yùn)，不管哪個(gè)按鈕動(dòng)作，汽輪機(jī)必須跳閘。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)跳閘保護(hù)設(shè)置的目的是為了保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，過(guò)多的保護(hù)雖然提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性，但也會(huì)增加汽輪機(jī)組跳閘的次數(shù)，降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，如果來(lái)不及處理就要影響機(jī)組的安全性，則必須直接跳閘汽輪機(jī)。由于故障發(fā)生前已經(jīng)有報(bào)警信號(hào)，如果運(yùn)行人員采取措施后能夠控制故障狀態(tài)，并能保證機(jī)組安全運(yùn)行的，則可以不用直接跳閘汽輪機(jī)。除常規(guī)的汽輪機(jī)跳閘保護(hù)外，西門(mén)子公司設(shè)置的許多非常規(guī)汽輪機(jī)跳閘保護(hù)可以取消或進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)行人員加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)護(hù)，提高故障處理能力，可以保證汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

［1］IEC 60045－1—1991 Steam turbines part 1:specifications［S］.Geneva，Switzerland:IEC，1991.

［2］JIS B8101—2003蒸気タ－（Ⅳ）ン一般仕様［S］.東京:日本規(guī)格協(xié)會(huì)，2003.

［3］DL/T 892—2004電站汽輪機(jī)技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［4］GB/T 5578—2007固定式發(fā)電用汽輪機(jī)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［5］DL/T 332.2—2010塔式爐超臨界機(jī)組運(yùn)行導(dǎo)則第2部分:汽輪機(jī)運(yùn)行導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2011.

［6］1000 MW超超臨界中間再熱凝汽式蒸汽輪機(jī)說(shuō)明書(shū)［R］.上海:上海汽輪機(jī)廠，2008.

［7］N 1000—25.0/600/600型汽輪機(jī)運(yùn)行說(shuō)明書(shū)［R］.四川德陽(yáng):東方汽輪機(jī)廠，2006.

［8］CCLN 1000—25/600/600型汽輪機(jī)運(yùn)行說(shuō)明書(shū)［R］.哈爾濱:哈爾濱汽輪機(jī)廠，2010.

［9］DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

［10］GB 50660—2011大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［11］華洪.西門(mén)子1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)［J］.上海電力，2005，18(4):408-412.