300MW汽輪機(jī)機(jī)械超速遮斷裝置故障的分析及處理

林立人

摘要：機(jī)械超速遮斷是汽輪機(jī)電超速失效后防止超速的最后一道保障，本文分析了某電廠四號(hào)機(jī)組因機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)故障機(jī)組多次跳閘的原因，提出了解決方法，從根本上保證了機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；機(jī)械超速遮斷；跳閘；扭彈簧

概況

福建某電廠四號(hào)機(jī)組，采用引進(jìn)型300MW亞臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)N300-16.7/538/538，制造廠家：上海汽輪機(jī)廠（引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)）。汽輪機(jī)機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)隨主設(shè)備由上海汽輪機(jī)廠配套提供。機(jī)組于2006年5月投產(chǎn)，該機(jī)組在2012年連續(xù)三次因機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)故障導(dǎo)致四號(hào)機(jī)組跳閘，嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，鑒于此，有必要對(duì)機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)故障進(jìn)行深入地分析，提出解決方案，從而保障機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

1.汽輪機(jī)機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)介紹

機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)基本由飛錘、超速遮斷滑閥、超速遮斷閥遙控及就地復(fù)位裝置、超速遮斷閥機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)裝置、隔膜閥等組成（如圖1）。該機(jī)組的機(jī)械超速保護(hù)為飛錘式，飛錘重心不在轉(zhuǎn)子的中心線上，有一定的位移偏置，旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生離心力，飛錘由彈簧壓在座上。正常運(yùn)行時(shí)，因其離心力小于彈簧的預(yù)緊力而不能飛出。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值（超速9%～11%），飛錘的離心力大于彈簧力，飛錘飛出，撞擊碰鉤，并帶動(dòng)遮斷滑閥右移，泄去隔膜閥頂上的保安油壓，隔膜閥向上打開，快速泄去調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全油壓（AST），從而使各自動(dòng)主汽門、調(diào)節(jié)汽門及各抽汽逆止門快速關(guān)閉，切斷汽機(jī)的全部進(jìn)汽，防止轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升，保護(hù)主機(jī)的安全。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，飛錘復(fù)位，可重新掛閘。

圖1 機(jī)械超速危急遮斷系統(tǒng)圖

注油試驗(yàn)的目的是為了能在轉(zhuǎn)子不超速的情況下檢查飛錘動(dòng)作是否正常。在注油試驗(yàn)時(shí)，為了不使汽機(jī)停機(jī)，應(yīng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中一直用手向外拉著試驗(yàn)手柄，這樣可避免飛錘出擊時(shí)，隔膜閥頂上的保安油壓失去。注油試驗(yàn)時(shí)，主油泵出口的壓力油經(jīng)過注油試驗(yàn)閥通過油管對(duì)轉(zhuǎn)子中心孔的噴嘴供油，通到飛錘的端面，油柱的離心力和油流速轉(zhuǎn)變壓力的雙重作用，使飛錘飛出，試驗(yàn)成功。由于已對(duì)保安油進(jìn)行隔離，僅是超速滑閥右移，脫扣復(fù)位手柄打至“脫扣”位置，而不會(huì)使隔膜閥頂部壓力失去。

圖2 注油試驗(yàn)示意圖

2.存在問題

2012年3月25日，該電廠運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)#4機(jī)隔膜閥油壓表計(jì)顯示偏高（正常范圍為0.6～0.7 MPa），指針在紅線（0.8MPa）偏右位置，16：50，應(yīng)發(fā)電部汽機(jī)專業(yè)要求，經(jīng)部門同意按規(guī)程進(jìn)行調(diào)整，由主值操作，值長助理監(jiān)護(hù)，進(jìn)行間斷性緩慢操作，操作過程加強(qiáng)觀察油壓變化，16：54，當(dāng)隔膜閥壓力調(diào)節(jié)閥的手輪調(diào)整（關(guān)方向）約2/5圈，隔膜閥壓力表顯示在0.79MPa時(shí)，隔膜閥開啟，泄去安全油導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘。跳機(jī)后發(fā)現(xiàn)隔膜閥壓力表指針仍顯示在0.79MPa，表計(jì)拆下后依然卡在0.79MPa。聯(lián)系熱工更換#4機(jī)隔膜閥油壓表后，重新沖轉(zhuǎn)至3000轉(zhuǎn)/分鐘，并將隔膜閥油壓調(diào)至0.65MPa，20：47并網(wǎng)，20：53機(jī)組負(fù)荷約20 MW時(shí)，汽機(jī)再次跳閘，ETS上“就地打閘”信號(hào)發(fā)出。機(jī)組再次跳閘后，按照省調(diào)要求停機(jī)備用，于3月29日12：05重新并網(wǎng)運(yùn)行（隔膜閥壓力調(diào)整至0.7MPa）。4月6日按計(jì)劃停機(jī)進(jìn)行C級(jí)檢修。兩次機(jī)組跳閘處理耗油14.4噸，少發(fā)電量390萬千瓦時(shí)。

2012年5月7日夜班#4機(jī)組負(fù)荷300MW。7：00運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)#4機(jī)隔膜閥油壓降至0.65MPa（接班時(shí)為0.7MPa），匯報(bào)值長。發(fā)電部汽機(jī)專工將此情況通知設(shè)備部主任助理，設(shè)備部熱控檢修人員辦理工作票更換新壓力表，壓力表更換完畢，在恢復(fù)過程微開儀表閥門的瞬間，于11：08 #4機(jī)組因隔膜閥油壓低引起跳機(jī)。在確認(rèn)#4機(jī)組跳機(jī)系因隔膜閥油壓瞬間降低引起，經(jīng)省調(diào)同意，當(dāng)日18：55#4機(jī)組重新并網(wǎng)運(yùn)行。本次機(jī)組跳閘多耗油3.2噸，少發(fā)電量約154萬千瓦時(shí)。

3.原因分析

2012年3月25日第一次機(jī)組跳閘由于隔膜閥壓力表存在故障，運(yùn)行人員又誤認(rèn)為該表計(jì)正常，在調(diào)整隔膜閥油壓過程中隔膜閥打開導(dǎo)致機(jī)組跳閘。而緊接著發(fā)生的第二起和2012年5月7日發(fā)生的第三起機(jī)組跳閘都和機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)動(dòng)作的臨界值過低有一定的關(guān)系。

如圖1所示，當(dāng)汽機(jī)就地復(fù)位掛閘時(shí)，將脫扣復(fù)位手柄向外推離轉(zhuǎn)子中心線（向左），使曲臂轉(zhuǎn)到掛扣位置，遮斷滑閥在油壓的作用下，被推向左側(cè)，停止泄油，使隔膜閥上的保安油壓力重新建立。正常隔膜閥上面的壓力被調(diào)整為0.6～0.7 MPa，這個(gè)壓力由于系統(tǒng)溢流閥微動(dòng)作以及遮斷滑閥間隙漏油，實(shí)際到達(dá)遮斷滑閥閥芯的背壓將小于0.6～0.7 MPa，而復(fù)位扭彈簧的作用力與作用遮斷滑閥閥芯的背壓相反，所以正常情況時(shí)，隔膜閥上面壓力在低于0.35 MPa時(shí)，遮斷滑閥將被打開。

而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：四號(hào)機(jī)隔膜閥上部壓力下降至0.53 MPa時(shí)（正常應(yīng)為0.35 MPa），遮斷滑閥即被打開，這個(gè)壓力與隔膜閥日常被調(diào)節(jié)在0.6～0.7 MPa過于接近，系統(tǒng)壓力稍有波動(dòng)，遮斷系統(tǒng)即動(dòng)作，機(jī)組跳閘。

遮斷系統(tǒng)動(dòng)作的臨界值過低的原因：一是危急遮斷裝置及附屬管道、接頭故障導(dǎo)致危急遮斷滑閥未到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動(dòng)作值即打開泄油最終導(dǎo)致隔膜閥打開機(jī)組跳閘；二是隔膜閥自身的故障過早動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘。

經(jīng)上述分析，細(xì)化分解故障原因，主要從表1進(jìn)行故障排查：

表1 遮斷系統(tǒng)動(dòng)作臨界值過低的原因匯總表

設(shè)備名稱 故障檢查 原因

隔膜閥 不啟EH油泵，動(dòng)作值應(yīng)在0.117MPa左右 動(dòng)作值過高，將導(dǎo)致系統(tǒng)過早泄壓，使機(jī)組跳閘

閥門活動(dòng)是否靈活 閥門活動(dòng)不順暢，將導(dǎo)致隔膜閥誤動(dòng)

危急遮斷滑閥 停機(jī)溢流閥動(dòng)作值是否過低

一個(gè)在0.703～0.773MPa ，另一個(gè)在0.773～0.843MPa 動(dòng)作值過低，溢流閥對(duì)保安油進(jìn)行泄壓，使遮斷滑閥的背壓降低，導(dǎo)致遮斷滑閥不正常提前動(dòng)作，機(jī)組跳閘

系統(tǒng)接頭是否泄漏 系統(tǒng)管道或接頭泄漏，保安油泄壓，使遮斷滑閥的背壓降低，導(dǎo)致遮斷滑閥不正常提前動(dòng)作，機(jī)組跳閘

危急遮斷滑閥及試驗(yàn)滑閥的閥芯或閥桿是否不嚴(yán)密 危急遮斷滑閥及試驗(yàn)滑閥的閥芯或閥桿不嚴(yán)，使遮斷滑閥的背壓降低，導(dǎo)致遮斷滑閥不正常提前動(dòng)作，機(jī)組跳閘

系統(tǒng)進(jìn)油節(jié)流孔是否堵塞 系統(tǒng)進(jìn)油節(jié)流如果堵塞將使保安油瞬間間隙漏油加大卻得不到及時(shí)補(bǔ)油，將導(dǎo)致遮斷滑閥不正常提前動(dòng)作，機(jī)組跳閘

危急遮斷滑閥的扭彈簧初始加載力矩是否過大 急遮斷滑閥的扭彈簧加載力矩是與保安油作用在遮斷滑閥上的力是相反的，如果扭彈簧初始加載力矩過大，將導(dǎo)致遮斷滑閥不正常提前動(dòng)作，機(jī)組跳閘

4.處理過程

4.1 2012年4月6日四號(hào)機(jī)組按計(jì)劃停機(jī)開始進(jìn)行C級(jí)檢修，利用此次停機(jī)機(jī)會(huì)從以下幾個(gè)方面對(duì)機(jī)械超速遮斷系統(tǒng)進(jìn)行了檢查和處理。

4.1.1隔膜閥的動(dòng)作特性為：在AST安全油壓力為13.8MPa，當(dāng)保安油油壓降到0.345MPa時(shí)閥門打開。在AST安全油壓力為0MPa，當(dāng)保安油油壓降到0.117MPa時(shí)閥門關(guān)閉。對(duì)隔膜閥進(jìn)行了動(dòng)作值試驗(yàn)：壓住掛閘手柄（強(qiáng)置遮斷滑閥在保安油低的情況下不動(dòng)作，使系統(tǒng)不掉壓），調(diào)整隔膜閥頂部壓力，使隔膜閥上部壓力不斷下降，觀察隔膜閥自身的動(dòng)作壓力值，最后試驗(yàn)測(cè)到為0.12MPa，動(dòng)作值正常。此后對(duì)隔膜閥進(jìn)行了解體檢查，沒有存在卡澀等其它影響閥門性能的故障。隔膜閥問題可以排除。

4.1.2危急遮斷系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)動(dòng)作值高低不同的停機(jī)溢流閥，降了可以保護(hù)系統(tǒng)不過壓外，還可以起到對(duì)隔膜閥頂部壓力的穩(wěn)壓作用。拆下系統(tǒng)兩個(gè)停機(jī)溢流閥用氮?dú)膺M(jìn)行了壓力動(dòng)作值試驗(yàn)，動(dòng)作值均符合上汽圖紙?jiān)囼?yàn)要求，一個(gè)為0.76MPa，另一個(gè)為0.85MPa。停機(jī)溢流閥問題可以排除。

4.1.3掛閘后，對(duì)前箱內(nèi)低壓安全油管道、及管道接頭進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)外漏泄油故障。該問題可以排除。

4.1.4掛閘后，檢查危急遮斷滑閥及試驗(yàn)滑閥泄油口，較為嚴(yán)密，無噴油現(xiàn)象。對(duì)危急遮斷滑閥解體，用紅丹檢查閥芯密封嚴(yán)密。用外徑、內(nèi)徑千分尺測(cè)量危急遮斷滑閥及試驗(yàn)滑閥閥桿配合間隙為0.01～0.02mm。該問題可以排除。

4.1.5對(duì)系統(tǒng)進(jìn)油的節(jié)流孔進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異物堵塞現(xiàn)象，清洗干凈后復(fù)裝。該問題可以排除。

4.1.6此次檢修中更換了調(diào)整性能不佳的隔膜閥壓力調(diào)整閥；此外在隔膜閥回油管上增加一個(gè)節(jié)流孔板（直徑為3毫米）減少隔膜閥壓力調(diào)整閥調(diào)整時(shí)的回油流量。

4.2 2015年5月7日第三次跳閘后，從以下幾點(diǎn)進(jìn)行檢查和處理。

4.2.1對(duì)危急遮斷滑的動(dòng)作壓力進(jìn)行試驗(yàn)，投啟動(dòng)油泵，掛閘，調(diào)整隔膜閥頂部壓力，使隔膜閥上部壓力不斷下降，觀察危急遮斷滑的動(dòng)作壓力值，最后試驗(yàn)測(cè)到為0.53MPa，這與從其它機(jī)組試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)0.35MPa偏差較大，而之前隔膜閥的試驗(yàn)動(dòng)作值為0.12MPa，從而可以初步明確問題出在危急遮斷滑的動(dòng)作壓力過高。

4.2.2檢查安裝在危急遮斷復(fù)位連桿上的扭彈簧，并結(jié)合掛閘的用力，判斷出扭彈簧初始加載力矩過大，這也是造成危急遮斷滑閥過早動(dòng)作致使機(jī)組跳閘的主要原因。決定在下次B級(jí)以上機(jī)組檢修時(shí)對(duì)危急遮斷裝置進(jìn)行更換，并進(jìn)行超速試驗(yàn)。

4.2.3根據(jù)上述檢查結(jié)果，結(jié)合故障處理時(shí)間有限，進(jìn)行了以下處理：將隔膜閥回油管上直徑3mm的節(jié)流孔板更換為直徑2.4mm，進(jìn)一步減少隔膜閥回油管的回油流量。確保即使在隔膜閥壓力調(diào)整閥全開，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，隔膜閥油壓可以保持在0.8MPa。從此次處理后直到2014年9月四號(hào)機(jī)進(jìn)行B+級(jí)檢修，再無發(fā)生危急遮斷系統(tǒng)的故障。

4.3 2014年9月給合4B+檢修，徹底處理危急遮斷滑閥故障。

4.3.1更換新的危急遮斷裝置。

4.3.2更換后，投入啟動(dòng)油泵進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新的危急遮斷裝置的動(dòng)作壓力從原來過高的0.53MPa減小到過低的0.1MPa，雖然現(xiàn)狀仍可以解決原來危急遮斷滑閥過低動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘的故障，但經(jīng)過分析，卻有可能導(dǎo)致機(jī)組超速時(shí)不跳閘的新問題出現(xiàn)，這個(gè)問題雖然可以在注油試驗(yàn)和機(jī)械超速試驗(yàn)得到檢驗(yàn)，但開機(jī)時(shí)的時(shí)間很寶貴，而且原因還不明，如果處理時(shí)間較久，有可能造成機(jī)組不能按時(shí)并網(wǎng)。

4.3.3如圖4，對(duì)危急遮斷系統(tǒng)的板機(jī)進(jìn)行遮斷所需的力進(jìn)行試驗(yàn)：掛閘，從樞軸到板機(jī)面直線距離為101.6mm的點(diǎn)，用彈簧稱進(jìn)行板機(jī)遮斷力測(cè)量：隔膜閥頂部壓力為0.68MPa時(shí)板機(jī)遮斷力13.5Kg；隔膜閥頂部壓力為0.60MPa時(shí)板機(jī)遮斷力12Kg，均大于標(biāo)準(zhǔn)9.1～11.3kg，這進(jìn)一步證明了機(jī)組超速時(shí)有可能不跳閘。

4.3.4進(jìn)行問題查找，通過手動(dòng)掛閘感受扭彈簧的初始加載力矩，明確偏小，問題仍指向扭彈簧。解體拆出扭彈簧進(jìn)行測(cè)量和測(cè)試，獲得圖3的外形尺寸和表2的詳細(xì)性能參數(shù)。分析得知，扭彈簧的初始加載力矩多少將直接影響到危急遮斷系統(tǒng)動(dòng)作值。經(jīng)過多次試驗(yàn)扭彈簧的安裝角度變化對(duì)危急遮斷滑閥動(dòng)作值和板機(jī)遮斷所需力的變化，得知扭彈簧的安裝角度在15度時(shí)，危急遮斷滑閥動(dòng)作值和板機(jī)遮斷所需力均符合性能要求。返回去觀察舊的危急遮斷裝置中的扭彈簧的安裝角度在25度，新購置的危急遮斷裝置中的扭彈簧的安裝角度在0度，均偏差較大。所以，應(yīng)對(duì)扭彈簧重新定位安裝。

圖3 復(fù)位扭彈簧外形尺寸示意圖

表2 復(fù)位扭彈簧的性能參數(shù)

旋向 矩形絲尺寸 有效圈數(shù) 外軸直徑 平均直徑 內(nèi)圓直徑

右 7.14×2.39 6 38.9 31.65 24.4

彈簧扭角（度） 負(fù)載扭矩（N.m）

（kg.cm） 應(yīng)力（Pa）

（kg/mm2）

完全自由長度 0 0 0

正常工作時(shí) 17 6.73±0.225

68.6±2.3 332.4

33.9

最大負(fù)荷時(shí) 35 13.896±0.45

145.7±4.6 686.5

70

4.3.5新安裝后危急遮斷裝置的扭彈簧最終固定在17度，試驗(yàn)結(jié)果：危急遮斷滑閥動(dòng)作值為0.38MPa，板機(jī)遮斷力在隔膜閥頂部壓力為0.68MPa時(shí)為11Kg，性能正常。

4.3.6 2014年11月30日，4B+修后開機(jī)，注油試驗(yàn)兩次動(dòng)作油壓均為0.18MPa，正常；機(jī)械超速試驗(yàn)兩次動(dòng)作值為3260rpm、3273rpm，正常。問題得到徹底解決。

5.結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)日新月異，電子技術(shù)發(fā)展迅猛，但電超速保護(hù)在汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)中的應(yīng)用仍不能完全替代機(jī)械超速遮斷保護(hù)，作為機(jī)組超速的最后一道保護(hù)，應(yīng)重視機(jī)械超速遮斷裝置的定期檢修和校驗(yàn)。該電廠在四號(hào)機(jī)組的多次處理過程中，積累了大量經(jīng)驗(yàn)，建議在機(jī)組大修或更換新的危急遮斷裝置應(yīng)進(jìn)行以下檢查：

5.1泄漏檢查

5.1.1調(diào)整溢流閥一個(gè)在0.703～0.773MPa ，另一個(gè)在0.773～0.843MPa。

5.1.2如圖4所示，危急遮斷滑閥閥芯（件49）的漏油不噴出或者試驗(yàn)滑閥（件10）超過1分鐘才從端部開孔流出來。

5.1.3系統(tǒng)管道及接頭無泄漏。

5.2操作檢查

5.2.1如圖4所示，用板機(jī)或復(fù)位連桿（件6）進(jìn)行遮斷，動(dòng)作幾次，觀察所有零件是否靈活。

5.2.2如圖4所示，對(duì)試驗(yàn)滑閥（件10）定位，在“試驗(yàn)”位置時(shí)復(fù)位所需要的時(shí)間，應(yīng)不超過2秒鐘。

5.2.3如圖4所示，量出從樞軸到板機(jī)面直線距離為101.6mm的點(diǎn)，在此點(diǎn)用一標(biāo)力桿或測(cè)量裝置的當(dāng)量負(fù)載來得出遮斷所需的力，在正常隔膜頂部壓力0.6～0.7 MPa時(shí)，此力應(yīng)為9.1～11.3kg。

5.2.4如圖4所示，當(dāng)試驗(yàn)滑閥（件10）在試驗(yàn)位置，進(jìn)行遮斷時(shí)，隔膜頂部壓力在圖示的“X”處下降應(yīng)不超過0.21MPa。

5.2.5掛閘，調(diào)整隔膜閥頂部壓力，觀察危急遮斷滑的動(dòng)作壓力值，約0.35MPa是合適的。

5.3注意

扭彈簧的安裝角度在15度時(shí)是合適的，但由系統(tǒng)會(huì)存在間隙漏油，不同的機(jī)組情況不同，最終必須通過試驗(yàn)危急遮斷滑閥動(dòng)作值和板機(jī)遮斷力來得知角度調(diào)整多少合適。

圖4 危急遮斷裝置示意圖

參考文獻(xiàn)：

[1]上海汽輪機(jī)有限公司.引進(jìn)型300MW中間再熱凝汽式汽輪機(jī)系統(tǒng)說明書.