600 MW機(jī)組五抽膨脹節(jié)破裂故障原因及經(jīng)濟(jì)性分析

王晉權(quán)，張茂林，樊琦明

（1.山西格盟安全生產(chǎn)咨詢有限公司，山西 太原030006；2.山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 右玉037200；3.山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 霍州031400）

1 機(jī)組和設(shè)備簡(jiǎn)介

某電廠3號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NZK600-24.2/566/566型超臨界雙缸雙排汽直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，2009年6月投產(chǎn)。機(jī)組設(shè)計(jì)單低壓缸結(jié)構(gòu)，整個(gè)低壓缸由1個(gè)外缸、1個(gè)內(nèi)缸組成。低壓轉(zhuǎn)子為雙流2×6級(jí)，對(duì)稱反向布置。低壓內(nèi)缸上半頂部有2個(gè)圓形進(jìn)汽口，與低壓外缸進(jìn)汽口相匹配；低壓缸有3段抽汽，共8個(gè)抽汽口，位于低壓內(nèi)缸下半底部。低壓缸抽汽口布置見圖1。五段抽汽由低壓內(nèi)缸下半調(diào)閥端靠第2級(jí)后抽出；六段抽汽由低壓內(nèi)缸下半電機(jī)端低壓第4級(jí)抽出，中心線最外側(cè)的4個(gè)抽汽口為低壓第5級(jí)后抽汽，引至7號(hào)低壓加熱器。五段抽汽經(jīng)第2級(jí)后抽出，再由2個(gè)支管的垂直分管引出，分管各安裝1個(gè)垂直方向的DN500 mm波紋膨脹節(jié)，2個(gè)分管合并為1水平母管，母管安裝1個(gè)水平方向波紋的DN700 mm膨脹節(jié)，共設(shè)計(jì)3處支架，其中1處設(shè)計(jì)與抽汽母管為滑動(dòng)支撐，穿出排汽裝置后引至5號(hào)低壓加熱器。

圖1低壓缸抽汽口布置圖

2 故障過程

2019年6月19日機(jī)組負(fù)荷400 MW運(yùn)行，分布式控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）畫面報(bào)警顯示5號(hào)低壓加熱器抽汽逆止門關(guān)閉，逆止門前、后疏水門聯(lián)開，抽汽電動(dòng)門為開啟狀態(tài)，五段抽汽壓力顯示為0。運(yùn)行人員查閱運(yùn)行曲線后發(fā)現(xiàn)6月10日五抽壓力由0.191 MPa降低至0.089 MPa，抽汽溫度由238℃降低至222℃，6月19日五抽壓力由0.068 MPa降低至-0.003 MPa，即壓力消失，溫度由207℃緩慢下降至44.3℃，10日至19日期間抽汽溫度由222℃緩慢下降至207℃。經(jīng)就地檢查后，分析為排汽裝置內(nèi)五段抽汽管道膨脹節(jié)破裂、泄漏。由于處于迎峰度夏期間，機(jī)組不能停機(jī)檢查，為了保證汽輪機(jī)安全，先將5號(hào)低壓加熱器正常疏水切換至事故疏水，然后關(guān)閉五段抽汽電動(dòng)門、逆止門，打開管道疏水門，解列5號(hào)低壓加熱器汽側(cè)。運(yùn)行過程中，同等負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)主蒸汽量增大較多，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。

2019年9月30日機(jī)組調(diào)峰停運(yùn)，檢查發(fā)現(xiàn)五段抽汽2個(gè)分管膨脹節(jié)破裂，呈碎片狀跌落于排汽裝置底部；母管膨脹節(jié)波紋破裂，母管靠近第二個(gè)分管處焊縫斷裂，母管與第二個(gè)分管連接處有一長(zhǎng)1 000 mm縱向裂縫；2個(gè)分管及母管斷裂部分呈傾斜狀。抽汽管道及排汽裝置內(nèi)支撐管因蒸汽沖刷，留有大量沖刷痕跡?，F(xiàn)場(chǎng)檢查抽汽分管及母管斷裂位置見圖2。

圖2抽汽分管及母管斷裂位置示意圖

3 膨脹節(jié)破裂的原因分析及注意事項(xiàng)

2個(gè)分管膨脹節(jié)內(nèi)徑為500 mm，壓力1.6 MPa，溫度≥350℃，雙層波紋，波紋厚度1.5 mm，波數(shù)為4波，長(zhǎng)度650 mm，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti；母管膨脹節(jié)內(nèi)徑為700 mm，壓力1.6 MPa，溫度≥350℃，雙層波紋，波紋厚度1.5 mm，波數(shù)為4波，長(zhǎng)度780 mm，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti；抽汽管道材質(zhì)為20號(hào)碳鋼。經(jīng)停機(jī)后進(jìn)入排汽裝置查看及結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，造成五抽膨脹節(jié)破損[1]及抽汽母管裂紋的原因如下。

a）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看分析，認(rèn)為故障由母管焊縫處開始，母管焊縫出現(xiàn)裂縫后，部分五段抽汽經(jīng)過裂縫直接排至排汽裝置，造成DCS顯示五段抽汽壓力降低；同時(shí)由于五抽內(nèi)漏，造成五段抽汽分管流量增加，焊縫前五抽母管通流量增大；且2個(gè)分管中抽汽在此處汽流方向突然改變90°，蒸汽流向改變加上蒸汽流速增加，蒸汽的沖擊作用會(huì)對(duì)抽汽母管產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)[2]，同時(shí)結(jié)合五抽母管的支撐方式，此處管道處于懸空狀態(tài)，管道振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。在沖擊力及管道振動(dòng)作用下，母管焊縫裂紋擴(kuò)大，最后造成母管徹底斷裂，蒸汽經(jīng)五段抽汽母管直接排至排汽裝置，5號(hào)低壓加熱器進(jìn)汽管道無蒸汽進(jìn)入，壓力消失，抽汽逆止門關(guān)閉。

b）五抽母管焊縫斷裂后，母管支撐作用減弱，造成抽汽母管下沉，2個(gè)分管內(nèi)通流量加大，在蒸汽作用力和抽汽母管的下拉力作用下，2個(gè)分管膨脹節(jié)瞬間破裂成碎片。

c）受電力輔助服務(wù)要求，火電機(jī)組需采用電網(wǎng)區(qū)域誤差控制運(yùn)行方式，電網(wǎng)區(qū)域誤差控制方式下機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)頻繁，抽汽壓力、流量隨負(fù)荷變動(dòng)頻繁，300 MW時(shí)五抽壓力為0.126 MPa，600 MW時(shí)五抽壓力為0.310 MPa，抽汽流量在45～100 t/h之間變化；抽汽管道內(nèi)蒸汽流速與流量成正比，由于蒸汽流速頻繁變化，造成抽汽母管焊縫受交變應(yīng)力作用疲勞而產(chǎn)生裂紋。

為適應(yīng)電力市場(chǎng)需求，在更換破損膨脹節(jié)及恢復(fù)抽汽管道后，必須對(duì)抽汽母管支撐進(jìn)行加固，充分利用排汽裝置內(nèi)部拉筋作為支撐點(diǎn)，在抽汽母管焊縫處增加支撐點(diǎn)，使抽汽母管有了4處支撐；同時(shí)將排汽裝置內(nèi)部抽汽管道膨脹節(jié)、焊縫作為C修停機(jī)檢查項(xiàng)目，以提高抽汽膨脹節(jié)的可靠性。

4 經(jīng)濟(jì)性影響

五段抽汽管道出現(xiàn)故障后，由于機(jī)組受迎峰度夏要求，堅(jiān)持運(yùn)行了約3個(gè)月，通過對(duì)400 MW運(yùn)行工況進(jìn)行熱力計(jì)算，得出了故障前后機(jī)組熱力參數(shù)變化，并根據(jù)等效焓降法，計(jì)算了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性變化。故障前后各段抽汽量變化見表1。

根據(jù)再熱機(jī)組等效焓降矩陣模型[3-4]，j段抽汽處于再熱熱段之后，其等效焓降的計(jì)算公式如下。

表1故障前后各段抽汽量變化

式中，Hj為j級(jí)抽汽等效焓降，kJ/kg；hj為j級(jí)抽汽焓，kJ/kg；hc為排汽焓，kJ/kg；qr為r級(jí)抽汽放熱量，kJ/kg；Ar為r級(jí)加熱器吸收量矩陣，kJ/kg；Hr為r級(jí)抽汽等效焓降，kJ/kg。

五段抽汽管膨脹節(jié)破裂后，蒸汽經(jīng)五段抽汽口直接排至排汽裝置。根據(jù)表1看出：400 MW負(fù)荷下五段抽汽口處漏汽量約為190 t/h，造成汽端七段抽汽量減少，7號(hào)低壓加熱器出水溫度降低，六段抽汽量增加；除氧器進(jìn)口水溫降低，致使高加及除氧器用汽量均增加，除氧器用汽量增加約50 t/h。給水溫度較之前提高3℃左右，汽溫偏高，減溫水用量增加。

五抽抽汽量約190 t/h，根據(jù)式（1）計(jì)算五抽等效焓降效率，折合造成汽輪機(jī)熱耗增加320 kJ/（kW·h），四抽抽汽量增加約50 t/h，根據(jù)式（1）計(jì)算四抽等效焓降效率，折合造成汽輪機(jī)熱耗增加80 kJ/（kW·h）。

綜上，400 MW工況時(shí)五段抽汽膨脹節(jié)破裂，影響機(jī)組出力約40 MW，造成汽輪機(jī)熱耗增加400 kJ/（kW·h），機(jī)組發(fā)電煤耗升高13 g/（kW·h）。

5 結(jié)論

600 MW汽輪機(jī)調(diào)峰負(fù)荷波動(dòng)較大，位于排汽裝置內(nèi)部的抽汽管路膨脹節(jié)、焊縫受抽汽變化、背壓變化影響，承受著較大的拉應(yīng)力和蒸汽作用力；抽汽膨脹節(jié)破損會(huì)造成機(jī)組效率降低，能耗大幅增加，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，且漏汽直排排汽裝置沖刷設(shè)備及管路，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易造成設(shè)備損壞。建議在安裝階段加強(qiáng)膨脹節(jié)驗(yàn)貨、安裝質(zhì)量控制，同時(shí)將抽汽管路膨脹節(jié)及其附近焊縫列入機(jī)組定期檢查項(xiàng)目。