超臨界汽輪機組除氧器過載運行的分析及處理

楊輝，田陽

(1.國電福州發(fā)電有限公司，福建 福州，350309；2.國電科學技術研究院有限公司，江蘇 南京，210023)

1 概述

某電廠的汽輪機為東方汽輪機廠設計制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、間接空冷凝汽式汽輪機，汽輪機型號為CJK350/285-24.2/0.4/566/566。

在電廠熱力循環(huán)中，從汽輪機某中間級后抽出一部分蒸汽來加熱鍋爐給水，這種熱力循環(huán)就稱為電廠的給水回熱循環(huán)。來自汽輪機中間級的抽汽在汽輪機中已做了一部分功，但其余熱量并沒有被循環(huán)冷卻水帶走，而是用于加熱給水。因而該回熱循環(huán)熱效率必然大于相同初終參數(shù)的朗肯循環(huán)熱效率。此外，給水回熱的結果，使鍋爐給水溫度提高，從而提高給水加熱的平均溫度，鍋爐給水傳熱的能量不可逆損失減少，提高了電廠的循環(huán)熱效率。

由于熱力設備的不絕對嚴密，以及需要補充加入的除鹽水，使鍋爐給水中一直溶解有一定量的氣體，這些氣體隨著溫度升高而活性增強，加快了和金屬的化學反應，對金屬設備的安全構成嚴重威脅。另外，水中含有氣體會使傳熱惡化，降低設備的傳熱效果和經濟性，因此，必須及時清除給水中的氣體，尤其是危害最大的氣體——氧氣。目前火電廠中廣泛采用的方法之一是熱力除氧，它可去除水中溶解的各種氣體，熱力除氧實質上就是傳熱傳質的過程。除氧器就是根據(jù)此原理設計出來的，它有兩個必要的條件，一是除氧器必須加熱至除氧器壓力下的飽和溫度，才能達到穩(wěn)壓的除氧效果[1]，二是要及時排出水中所溢出的氣體至除氧器外。

該機組的除氧器布置在除氧框架19.6 m層。由于采用給水泵與前置泵同軸布置的方式，因此除氧水箱中心線安裝標高確定為22.7 m。除氧器運行方式為定壓-滑壓-定壓，最高工作壓力為1.257 MPa，滑壓在0.147～1.103 MPa。除氧器水溫變化范圍：110℃（啟動加熱）～187.7℃（VWO工況最高）；除氧器TRL工況運行壓力：1.212 MPa；除氧器TRL工況運行水溫：186.1℃。高壓加熱器（正文簡稱 “高加”）和除氧器組成的系統(tǒng)見圖1。

圖1 高壓加熱器及除氧系統(tǒng)示意圖

2 現(xiàn)象描述及事故經過

某日14∶59，機組帶初負荷73.2 MW運行，主蒸汽溫度及壓力分別為520.1℃、9.48 MPa，再熱蒸汽溫度及壓力分別為516.6℃、1.11 MPa，三段抽汽至#3高壓加熱器的蒸汽溫度及壓力分別為87.1℃、0.41 MPa，四段抽汽至除氧器的汽源溫度及壓力分別為43.8℃、0.0 MPa，#3高加的水位為最低水位，除氧器的溫度和壓力分別為85.8℃、0.08 MPa，輔助蒸汽至除氧器汽源的溫度和壓力分別為313.50℃、0.79 MPa，輔汽參數(shù)全程保持基本穩(wěn)定。參數(shù)一覽如表1所示。

表1 機組低負荷狀態(tài)下相關的主要參數(shù)

機組準備慢慢投入高壓加熱器汽側，分別檢查#1、#2、#3高加事故疏水門全開，全開#1～#4段抽汽逆止閥，緩慢開啟#1～#4段抽汽電動閥。開啟#3高加抽汽逆止門，點動開啟#3高加抽汽電動門，#3高加疏水溫度逐漸由103.3℃緩慢上升；開啟#2高加抽汽逆止門，點動開啟#2高加抽汽電動門，#2高加疏水溫度逐漸由53℃緩慢上升；開啟#1高加抽汽逆止門，點動開啟#1高加抽汽電動門，#1高加疏水溫度逐漸由73.9℃緩慢上升；當日19∶34，機組負荷268 MW，檢查機組各參數(shù)正常，緩慢將#1高加事故疏水閥由全開位置緩慢關閉，除氧器壓力由0.81 MPa上升至0.86 MPa，如圖 2所示。當日 19∶49，機組負荷 297 MW，緩慢將#2高加事故疏水閥由全開位置緩慢關閉，除氧器壓力由0.99 MPa繼續(xù)上升至1.08 MPa。當日19∶50，#2高加正常疏水管道振動大，就地全開#2高加正常疏水手動門，振動現(xiàn)象未消除，稍開#2高加正常疏水旁路手動門，振動現(xiàn)象減緩。當日20∶12，機組負荷上升至303 MW，緩慢將#3高加事故疏水閥由全開位置緩慢關閉，除氧器壓力由1.06 MPa上升至1.24 MPa。高加汽側全部投入正常，檢查#1、#2、#3高加下端差由39℃、14℃、10℃分別降至27℃、9.6℃、6℃，但是高加汽側疏水水位無變化，就地檢查原因。當日20∶45，除氧器壓力已經上升到1.48 MPa，觸發(fā)了除氧器安全門動作，運行人員立即全關四抽至除氧器電動門，除氧器壓力快速下降。

當日20∶53，由于給水泵及其小汽輪機均出現(xiàn)重大故障，運行人員下令對機組手動打閘停機，避免事故進一步擴大。

圖2 四段抽汽壓力隨負荷的實際變化曲線

3 除氧器超壓原因分析

機組冷態(tài)啟動時，為了提高鍋爐給水溫度，就需要在流程的上游提高各級表面式加熱器和混合式加熱器水側的出口水溫，而提高水側的溫度就需要投入并增加各級加熱器的抽汽量。汽輪機沖轉以前，只有除氧器通過輔助蒸汽加熱低壓給水，提高低壓給水的溫度；而其他三臺高壓加熱器、三臺低壓加熱器根據(jù)系統(tǒng)的原則性熱力圖可以看出，沒有熱源對其介質進行加熱，無法提高加熱器的出口水溫度。

如要提高除氧器內的低壓給水溫度，則需提高輔助蒸汽系統(tǒng)至除氧器的供汽流量和供汽壓力以提高除氧器出口水溫。在機組負荷為268 MW時，輔助蒸汽至除氧器加熱蒸汽的壓力已經達到0.86 MPa，甚至超過了THA工況下除氧器的額定壓力，造成除氧器壓力長時間居高不下。當機組負荷繼續(xù)升高后，除氧器壓力出現(xiàn)了繼續(xù)升高的情況，到2017年11月7日19∶49分時，除氧器壓力已經達到1.08 MPa，遠遠超過了額定負荷下對應的壓力，如圖3所示，與#3高加正常疏水的壓差不斷縮小，造成#3高加正常疏水不夠暢通，轉而尋求從危急疏水管道排出加熱器內大量蓄積的由三段抽汽凝結而成的水量，由于該機組設計的加熱器逐級疏水閥采用了汽液兩相流設備，其液位控制能力不夠及時有效，為了防止因高加水位達到高Ⅲ值而造成高加解列，#3高加的液位只能保持低水位運行，而無論模擬量還是開關量的液位測點均顯示#3高加的液位已經低于低Ⅱ值，因此可以判斷#3高加沒有建立水位，#3段抽汽完全可能通過#3高加的正常疏水管道進入除氧器，且蒸汽的流量和壓力均偏大，是造成除氧器超壓的主要原因；另一方面，運行人員在機組的幾次啟動過程中，為了提高給水溫度，均將除氧器加熱的輔助汽源的壓力和溫度提高了很多，沒有在除氧器壓力達到0.147 MPa時將正常汽源投入運行，同時切除輔助汽源，從機組開始投運時就超壓運行，從而為除氧器超壓運行埋下了隱患。

圖3 四段抽汽壓力設計值隨負荷變化的曲線

4 結論及建議

在以上分析的基礎上作出以下經驗總結：

（1）除氧器在投用過程中未遵循滑壓投用的原則，在投用以后未和滑壓過程線進行對比，如圖3所示，同時需要運行人員加強監(jiān)盤，注意機組各項重要參數(shù)的變化，如果提前發(fā)現(xiàn)，則可留下足夠的時間去處理，把異常消除在萌芽狀態(tài)，防止機組的異常發(fā)展成事故；

（2）機組沒有同步投用#3高加，并且投用后未建立正常水位。此時由于三段抽汽壓力遠高于除氧器壓力，導致三段抽汽經由#3高壓加熱器的正常疏水管道進入除氧器，對除氧器內的低壓給水進行加熱，并且導致除氧器的飽和壓力不斷升高，此時通過關閉輔汽到除氧器汽源或者關閉四段抽汽至除氧器汽源均起不到立竿見影的效果。對比參考圖4可以看出，若要降低除氧器壓力，就應立即隔離#3高壓加熱器到除氧器的正常疏水，將疏水通過危急疏水排到凝汽器，同時機組適當降低負荷；

圖4 THA工況原則性熱力系統(tǒng)圖

（3）這次事故的主要原因在于升負荷過程中未發(fā)現(xiàn)三段抽汽部分進入了除氧器，而如果及時發(fā)現(xiàn)此原因，首先就必須建立在前兩點的基礎之上，才能找到機組異常的病根，留有足夠的時間應對和處理，只需將#3高加正常疏水至除氧器的閥門關死即可；

（4）在除氧器壓力持續(xù)升高過程中，如果原因未查明應該立即降低負荷，尤其是當負荷較高時，應該及時將機組轉濕態(tài)運行，如果此時除氧器壓力仍然保持較高壓力而未出現(xiàn)下降趨勢，則應打閘停機，分析原因并解決問題，避免此種危險工況再次出現(xiàn)；

（5）在水位未明確建立時不要開啟危急疏水閥，以便于加熱器建立正常水位，除了基于安全考慮外，還可以保證加熱器處于設計工況下運行，從而保證在加熱器環(huán)節(jié)不造成過大的能量損失。

總之，希望其他機組以此事故作為前車之鑒，防止同類型的危險工況重復出現(xiàn)，避免機組造成重大經濟損失。