某超超臨界機組高壓缸切除事件分析與處理

袁岑頡，王異成，馬 寧，丁 寧，張 維

（1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

汽輪機從掛閘沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)帶初負荷是一個極其復(fù)雜的過程，主要通過汽輪機高調(diào)門、中調(diào)門、高排逆止閥、高排通風閥和高壓旁路閥等執(zhí)行機構(gòu)的配合完成。汽輪機沖轉(zhuǎn)時，上汽超超臨界機組DEH（數(shù)字電液控制）系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速回路的作用將轉(zhuǎn)速目標指令轉(zhuǎn)換為流量指令分配至高調(diào)門和中調(diào)門，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精準控制[1]。

在汽輪機沖轉(zhuǎn)期間，為了防止汽流倒流至高壓缸，高排逆止閥處于指令關(guān)閉狀態(tài)，進氣電磁閥失電。當機組帶10%負荷后，進氣電磁閥得電，高排逆止閥開啟。但是由于該類型閥門的特殊構(gòu)造，當高排壓力高于冷再壓力一定值時，同樣能夠?qū)⒛嬷归y頂開至一定開度。高排通風閥則不參與機組啟動，只有在正常運行中發(fā)生汽輪機跳閘或高壓缸葉片保護動作時，主汽門、高調(diào)門處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓缸不再進汽，高排通風閥自動開啟。高壓旁路閥在汽輪機沖轉(zhuǎn)期間一般投入旁路自動，采用定壓模式控制主蒸汽壓力，隨著汽輪機逐漸進汽，旁路自動關(guān)小[2]。

1 機組高壓缸葉片保護

為了限制高壓缸葉片的熱應(yīng)力，保護高壓缸葉片，上汽超超臨界機組設(shè)置了高壓缸葉片保護功能[3]。該保護的設(shè)置方法為：采用高壓缸12級后葉片溫度與高壓缸轉(zhuǎn)子溫度所對應(yīng)的函數(shù)進行偏差比較，函數(shù)F（x）如表1所示。

表1 高壓缸轉(zhuǎn)子溫度函數(shù)F（x）

當高壓缸12級后葉片溫度和高壓缸轉(zhuǎn)子溫度函數(shù)兩者偏差小于15℃時，關(guān)閉主汽門、高調(diào)門與高排逆止閥，開啟高排通風閥，高壓缸處于切除狀態(tài)；兩者偏差小于0℃時，觸發(fā)汽輪機ETS（汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)）保護，汽輪機遮斷[4]。

如圖1所示，為了使高壓缸12級后葉片溫度處在允許區(qū)域，上汽超超臨界機組在DEH中還設(shè)置HATR（高壓缸葉片溫度控制器）。該控制器通過高壓缸/中壓缸修正功能，適當調(diào)整高調(diào)門和中調(diào)門的開度，來保證高壓缸在任何不穩(wěn)定狀態(tài)運行過程中（如甩負荷、啟動和停機期間）葉片溫度不超過允許值[5]。當葉片溫度超過了可變的設(shè)定值，采用HATR來減少中調(diào)門的開度，從而增加高調(diào)門的開度，增加高壓缸的進汽量。

圖1 高壓缸轉(zhuǎn)子溫度與葉片溫度的限制曲線

如圖2所示，高壓缸葉片溫度控制器是一個PI（比例-積分）調(diào)節(jié)器，高壓缸12級后葉片溫度和高壓缸轉(zhuǎn)子溫度對應(yīng)函數(shù)值的偏差作為控制器的輸入，調(diào)節(jié)器為雙向限幅，調(diào)節(jié)器輸出送至OSB（進汽量設(shè)定）[6]。當葉片溫度升高，偏差增大，OSB送給中調(diào)門的指令中會減去溫度控制器的輸出，從而關(guān)小中調(diào)門，達到增加高壓缸進汽量的目的[7]。當高壓葉片溫度在允許范圍時，溫度控制器不起作用， 輸出為“0”。

圖2 高壓缸葉片溫度控制器原理

2 高壓缸切除事件分析

2.1 事件經(jīng)過與處理過程

2017年11月4號，某發(fā)電廠1號機組整套啟動期間，轉(zhuǎn)速3 009 r/min，主汽壓5.36 MPa，主汽溫 536℃。 22：03：09， 高壓缸葉片 12級后溫度與高壓缸轉(zhuǎn)子溫度函數(shù)值偏差小于15℃，高壓缸切除保護觸發(fā)。如圖3所示，高壓缸切缸保護觸發(fā)后，同時關(guān)閉主汽門、高調(diào)門與高排逆止閥，聯(lián)鎖開啟高排通風閥，高壓缸被切除，此時高壓缸不再進汽。

圖3 高壓葉片溫度過高導(dǎo)致高壓缸切除

高壓缸切除保護觸發(fā)前，高壓缸葉片12級后溫度的升高導(dǎo)致HATR輸出不斷增加，該控制器輸出會作用到中調(diào)門，降低中調(diào)門的開度來增加高調(diào)門的開度，增加高壓缸的進汽量。如圖4所示，由于高排溫度控制器輸出不斷增加，中調(diào)門開度不斷減小，為了保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，NPR（轉(zhuǎn)速負荷控制器）輸出不斷增加，在第1點時，轉(zhuǎn)速負荷控制器NPR輸出和汽輪機啟動裝置TAB輸出發(fā)生了第一次切換。如圖5所示，上汽超超臨界機組DEH控制采用中央小選控制，即TAB輸出、NPR輸出、YFDPR（主蒸汽壓力控制）輸出3路進行小選比較后形成有效的OSB作用到汽機調(diào)門上[8]。此時TAB輸出小于NPR輸出并接管控制，DEH轉(zhuǎn)速控制回路不再起作用，轉(zhuǎn)速開始波動，無法維持在3 009 r/min。

圖4 汽輪機轉(zhuǎn)速失控前后的趨勢

圖5 DEH三路小選功能

在主蒸汽溫度不斷攀升的同時，由于高壓旁路閥位的較大開度導(dǎo)致高排逆止閥后壓力大于閥前壓力，在前后差壓的作用下高排逆止閥被關(guān)小，導(dǎo)致高壓缸葉片12級后溫度持續(xù)上升，期間高排溫度保護動作，切除高壓缸，高排溫度控制器輸出仍然不斷增加，最終導(dǎo)致在高壓缸被切除的情況下，中調(diào)門開度持續(xù)減小，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失控，轉(zhuǎn)速最低降至2 500 r/min左右。

由于轉(zhuǎn)速的持續(xù)波動可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子進入共振區(qū)，嚴重威脅機組的安全，而此時的高壓缸葉片溫度控制器在高壓缸切除的情況下已經(jīng)失去了原有設(shè)計的保護意義，因此運行操作人員手動切除了高排溫度控制器[9]。在高排溫度控制器切除時，中調(diào)門快速開啟，NPR輸出快速降低，如圖4所示，在第2點時，NPR輸出和TAB輸出發(fā)生了第二次切換，DEH轉(zhuǎn)速控制回路再次起作用，轉(zhuǎn)速恢復(fù)3 009 r/min穩(wěn)定運行。高壓缸切除后，高壓缸葉片12級后溫度慢慢降低，待溫度降低至報警值以下時，運行操作人員在DEH畫面上投入了高壓缸投缸順控，在順控邏輯的作用下，高壓缸調(diào)門慢慢開啟，高壓缸恢復(fù)了進汽。

2.2 原因分析

調(diào)閱趨勢記錄后發(fā)現(xiàn)，1號機組在汽輪機沖轉(zhuǎn)期間曾有2次大幅度加煤的過程，如圖6所示，燃料量短時間內(nèi)的快速增加，導(dǎo)致主蒸汽溫度快速上升。在高壓缸保護動作前，由于汽輪機此時處于空載狀態(tài)，高排逆止閥、高排通風閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，主汽溫的上升直接帶動高壓缸葉片12級后溫度的上升，最終高壓缸葉片12級后溫度超過500℃，到達切缸保護值，發(fā)生高壓缸切除保護動作時，主蒸汽溫度最高達到了536℃。因此主蒸汽溫度的超溫是本次事故的直接原因。高壓缸轉(zhuǎn)子未暖透導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子溫度過低同樣會增加高壓缸切除的風險，但是本次事故中高壓缸轉(zhuǎn)子溫度已經(jīng)達到了450℃，因此不存在高壓缸轉(zhuǎn)子未暖透導(dǎo)致高壓缸切缸的情況[10]。

除此之外，高排逆止閥前壓力上升導(dǎo)致的汽輪機鼓風也是本次事件的原因之一。雖然上汽超超臨界機組設(shè)計為悶缸啟動，汽輪機沖轉(zhuǎn)期間高排逆止閥和高排逆止閥均處于指令強制關(guān)閉狀態(tài)，但在實際沖轉(zhuǎn)過程中，高排逆止閥在前后差壓的作用下會略微開啟，這部分開度使高壓缸存在一定的通流量，從而降低末級葉片的溫度[11]。此次切缸前高壓旁路處于手動控制，未投入旁路自動，較大的開度導(dǎo)致高排逆止閥后壓力較逆止閥前壓力高了約0.5 MPa。高排逆止閥在前后壓差的作用下被關(guān)小，高壓缸排汽受阻，高排逆止閥前壓力上升，高壓缸排汽量減少，導(dǎo)致高壓缸末級葉片鼓風所產(chǎn)生的熱量無法及時被足夠的排汽攜帶走，最終造成高壓缸末級葉片溫度快速上升[12]。從圖6可以看出，在高壓缸保護動作前，高排逆止閥前壓力確實有明顯的上升過程。

本次事故中主蒸汽壓力僅為5.36 MPa，低于額定的沖轉(zhuǎn)壓力，導(dǎo)致高壓缸排汽壓力過低無法頂開高排逆止閥，間接導(dǎo)致汽輪機通流量減小。同時，主蒸汽壓力過低導(dǎo)致機組在沖轉(zhuǎn)期間NPR輸出較大，當高排溫度控制器起作用時加速了NPR和TAB的切換，影響機組轉(zhuǎn)速控制。

圖6 導(dǎo)致高壓缸切除的因素

3 防范與優(yōu)化措施

根據(jù)事件分析結(jié)果提出以下措施：

（1）汽輪機沖轉(zhuǎn)期間加強對主蒸汽溫度的控制，嚴格按照沖轉(zhuǎn)要求控制主蒸汽溫度，防止發(fā)生由于主蒸汽溫度超過沖轉(zhuǎn)溫度合理范圍導(dǎo)致的高壓缸切除事件。上汽超超臨界機組合理沖轉(zhuǎn)壓力區(qū)間為6.5～8.5 MPa，合理沖轉(zhuǎn)溫度區(qū)間為450～460℃[13]。

（2）合理進行高、低壓旁路閥的控制，在確保沖轉(zhuǎn)期間主蒸汽壓力穩(wěn)定的同時，高旁閥后壓力略小于高排逆止閥前壓力有利于高壓缸的通流，降低汽輪機鼓風的風險，從而防止汽輪機末級葉片超溫[14]。

（3）如果在機組啟動沖轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)了高壓缸葉片12級后溫度快速上升的情況，運行操作人員可以在保證高旁閥后壓力小于高排逆止閥前壓力的前提下，手動使高排逆止閥進氣電磁閥帶電，通過開啟高排逆止閥來增加汽輪機通流量，從而降低高壓缸切缸風險。同時考慮對凝汽器沖擊較大等原因，不建議通過手動方法開啟高排通風閥。

（4）上汽超超臨界機組DEH系統(tǒng)在控制邏輯設(shè)計上存在不完善，高壓缸葉片溫度控制器在高壓缸切除、高調(diào)門保護全關(guān)時已經(jīng)失去了原有的作用[15]，無法再通過降低中調(diào)門開度的方法來增加高調(diào)門的開度，進而增加高壓缸的進汽量。經(jīng)過論，決定對上汽DEH系統(tǒng)控制邏輯進行完善，增加閉鎖邏輯，當高壓缸保護切除時，自動撤出高壓缸葉片溫度控制器。當高壓缸投入后，運行人員需手動投入高壓缸葉片溫度控制器。

4 結(jié)語

汽輪機高壓缸切除事故嚴重威脅機組的安全穩(wěn)定運行，同時會對汽輪機葉片造成不同程度的影響，因此要盡量避免發(fā)生此類事故。通過合理控制汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)，調(diào)整好旁路開度，能夠降低高壓缸切除的風險，通過邏輯優(yōu)化能夠避免高壓缸切除時高壓缸葉片溫度控制器仍然起作用的問題。