汽輪機(jī)脹差大引起的事故分析及改進(jìn)措施

潘博聞，宋振宇，趙奕州

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179； 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

某熱電廠1號(hào)機(jī)組首次整套啟動(dòng)，機(jī)組定速3000 r/min，高中壓缸脹差達(dá)9.7 mm(制造廠停機(jī)值大于10.5 mm)，且持續(xù)上漲，同時(shí)2瓦X向振動(dòng)增大(達(dá)150 μm)，手動(dòng)停機(jī)，停止后電動(dòng)盤車、手動(dòng)盤車均無法盤動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，機(jī)組進(jìn)行悶缸操作。高中壓轉(zhuǎn)子揭缸檢查發(fā)現(xiàn)通流部分發(fā)生動(dòng)靜磨損。

1 機(jī)組概況

某電廠1號(hào)汽輪機(jī)是東方汽輪機(jī)有限公司制造的C350/263-24.2/0.4/569/569超臨界參數(shù)、一次中間再熱、高中壓合缸、單軸、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組設(shè)置有高中壓缸脹差指示器、低壓缸脹差指示器。高中壓缸脹差指示器裝設(shè)在高壓轉(zhuǎn)子前段(前軸承箱內(nèi))。

高壓內(nèi)缸相對(duì)于高壓外缸的死點(diǎn)在高壓進(jìn)汽中心線后255 mm處，高壓內(nèi)缸由死點(diǎn)向前膨脹。 轉(zhuǎn)子的固定點(diǎn)在中低壓軸承箱內(nèi)推力軸承處，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子由此處向前后膨脹。

2 事故經(jīng)過

2.1 機(jī)組試運(yùn)經(jīng)過

2019年11月17日23:47，主汽壓力5.0 MPa，主汽溫度442 ℃，再熱蒸汽壓力0.68 MPa，再熱蒸汽溫度430 ℃，高中壓缸脹差2.47 mm，缸體絕對(duì)膨脹7.68 mm，主機(jī)掛閘沖車。03:15，主汽壓力5.0 MPa，主汽溫度487 ℃，再熱蒸汽溫度481 ℃，高中壓缸脹差3.17 mm，缸體絕對(duì)膨脹8.65 mm。機(jī)組定速后，進(jìn)行全面檢查，無異常。08:17，高中壓缸脹差已達(dá)9.81 mm，1號(hào)軸承X向通頻振動(dòng)增至52 μm，一倍頻振動(dòng)增至48.23 μm∠128°，2號(hào)軸承X向通頻振動(dòng)上漲到150 μm，一倍頻振動(dòng)增至143.8 μm∠315°，1瓦振動(dòng)相位變化127°，2瓦振動(dòng)相位變化14°，現(xiàn)場(chǎng)打閘停機(jī)。 08:20，機(jī)組轉(zhuǎn)速降至1683 r/min，機(jī)組2號(hào)軸承X向達(dá)到324 μm(過程曲線見圖1、圖2)，打開真空破壞門，進(jìn)行破壞真空停機(jī)。08:24，轉(zhuǎn)子靜止，現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)盤車、手動(dòng)盤車均無法盤動(dòng)，采取悶缸措施[1]。

圖1 振動(dòng)、脹差歷史曲線

圖2 脹差、軸向位移歷史曲線

2.2 機(jī)組啟動(dòng)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)汽輪機(jī)鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)曲線(見圖3、圖4)，鍋爐廠基本按照汽輪機(jī)廠曲線定值制定。但實(shí)際情況不能滿足主汽溫度380 ℃，再熱蒸汽溫度350 ℃。機(jī)組啟動(dòng)前汽輪機(jī)廠重新調(diào)整了沖轉(zhuǎn)壓力，將主汽壓力8.73 MPa降至5 MPa(見圖5)。

圖3 汽輪機(jī)啟動(dòng)曲線

圖4 鍋爐啟動(dòng)曲線

圖5 修改后汽輪機(jī)啟動(dòng)曲線

從曲線溫度與實(shí)際溫度對(duì)比，在滿足主、再熱蒸汽壓力的情況下汽溫偏差較大，無法實(shí)現(xiàn)指定參數(shù)啟動(dòng)。

2.3 鍋爐汽溫問題

現(xiàn)場(chǎng)鍋爐無爐水循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)鍋爐啟動(dòng)時(shí)，必須保證鍋爐省煤器進(jìn)口一定的給水流量。鍋爐啟動(dòng)濕態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)大量爐水外排，造成大量的工質(zhì)及能量的損失，延長啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)為了保證汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)的主、再熱蒸汽參數(shù)，鍋爐需要增加燃料量以彌補(bǔ)爐水外排時(shí)的熱量損失，因此啟動(dòng)時(shí)鍋爐的燃料量較帶爐水循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)要高，較高的燃料量會(huì)導(dǎo)致汽溫的升高。雖然鍋爐廠提供啟動(dòng)曲線與汽輪機(jī)廠提供曲線完全相同，但是從1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)情況觀察，鍋爐在微油啟動(dòng)方式下，無法滿足冷態(tài)主汽溫度380 ℃，再熱蒸汽溫度350 ℃的參數(shù)要求，并高出啟動(dòng)曲線參數(shù)。

2.4 機(jī)組揭缸檢查情況

a.高壓內(nèi)缸高壓端存在大量的磁化鐵屑。

b.隔板磨損情況：高壓隔板第3、4、5、6、7、9級(jí)隔板內(nèi)環(huán)進(jìn)汽側(cè)磨損，磨損量在±1 mm。

c.轉(zhuǎn)子磨損情況：高壓轉(zhuǎn)子第2、3、4、5、6、8 級(jí)葉輪根部磨損痕跡明顯，磨損量在0.7～1.5 mm。

d.磨損嚴(yán)重部位：高壓第 8 級(jí)隔板內(nèi)環(huán)進(jìn)汽側(cè)與高壓轉(zhuǎn)子第7級(jí)葉輪出汽側(cè)磨損比較嚴(yán)重，且磨損表面嚴(yán)重凹凸不平，轉(zhuǎn)子第7級(jí)葉輪出現(xiàn)了明顯的變形，轉(zhuǎn)子磨損量在6～7 mm，隔板磨損量在-1.6～+1 mm。

e.高壓第11級(jí)隔板，轉(zhuǎn)子高壓第10級(jí)葉片葉頂出汽側(cè)與隔板外環(huán)進(jìn)汽頂部板體圓角處碰磨。

f.高壓通流磨損部位的金相、硬度等金屬性能情況，需要進(jìn)一步進(jìn)行檢查。

g.對(duì)1號(hào)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子跳動(dòng)值進(jìn)行測(cè)量，除中低壓對(duì)輪處跳動(dòng)值略高于設(shè)計(jì)值外，其余各點(diǎn)轉(zhuǎn)子跳動(dòng)值均在廠家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子沒有發(fā)生彎曲，檢查結(jié)果見表1，檢查位置見圖6。

表1 各端面及外圓對(duì)轉(zhuǎn)子中心線的跳動(dòng)值 單位：mm

圖6 相關(guān)端面及外圓對(duì)轉(zhuǎn)子中心線的跳動(dòng)值測(cè)量位置

3 原因分析

高中壓缸脹差保護(hù)定值設(shè)置不合理是高壓轉(zhuǎn)子通流發(fā)生動(dòng)靜摩擦的主要原因[2]。 由于高中壓缸脹差保護(hù)定值設(shè)置，在高中壓缸脹差上漲期間，試運(yùn)人員沒有認(rèn)為高壓轉(zhuǎn)子能發(fā)生動(dòng)靜摩擦，在機(jī)組高中壓缸脹差增至9.81 mm，2號(hào)軸承振動(dòng)上升至150 μm時(shí)打閘停機(jī)。而此時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子通流部分已經(jīng)發(fā)生動(dòng)靜摩擦，并且隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)子的泊桑效應(yīng)作用，轉(zhuǎn)子進(jìn)一步伸長使摩擦加劇。

3.1 高中壓缸脹差保護(hù)定值設(shè)置不合理

3.1.1 脹差9.18 mm處存在軸向動(dòng)靜摩擦

a.轉(zhuǎn)速降低

在高中壓調(diào)門開度不變和主、再熱蒸汽參數(shù)不變的情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降17 r/min，分析轉(zhuǎn)子存在動(dòng)靜摩擦(軸向或徑向)增加了機(jī)組負(fù)載，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速下降。

b.振動(dòng)增加

1、2號(hào)軸承振動(dòng)開始上升波動(dòng)，從TDM振動(dòng)數(shù)據(jù)分析振動(dòng) 上升是由動(dòng)靜摩擦(軸向或徑向)引起[3]。

c.軸向位移、高壓脹差變化

在高中壓調(diào)門開度不變和主、再熱蒸汽參數(shù)不變的情況下，判斷高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向動(dòng)靜碰磨，碰磨方向?yàn)檗D(zhuǎn)子出汽端，發(fā)生碰磨時(shí)抵消了部分作用在高壓轉(zhuǎn)子的軸向推力，使轉(zhuǎn)子向發(fā)電機(jī)側(cè)移動(dòng)(轉(zhuǎn)子軸向位移增加0.17 mm)，高壓脹差減少0.21 mm，碰磨隨即消失不變的情況下，判斷高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向動(dòng)靜碰磨，碰磨方向?yàn)檗D(zhuǎn)子出汽端，發(fā)生碰磨時(shí)抵消了部分作用在高壓轉(zhuǎn)子的軸向推力，使轉(zhuǎn)子向發(fā)電機(jī)側(cè)移 動(dòng)(轉(zhuǎn)子軸向位移增加0.17 mm)，高壓脹差減少0.21 mm，碰磨隨即消失。

綜合上述參數(shù)的變化，判斷轉(zhuǎn)子在高壓脹差為9.18 mm時(shí)存在軸向碰磨的可能，并且碰磨產(chǎn)生了一定的磨損，使碰磨點(diǎn)軸向動(dòng)靜間隙變大。

以此類推，排除其他參數(shù)影響，在B、C點(diǎn)處轉(zhuǎn)子也存在動(dòng)靜碰磨，每次碰磨均有一定磨損，發(fā)生動(dòng)靜碰磨時(shí)脹差呈上升趨勢(shì)。機(jī)組定速期間相關(guān)參數(shù)曲線見圖7。

圖7 機(jī)組定速期間相關(guān)參數(shù)曲線

3.1.2 停機(jī)時(shí)發(fā)生動(dòng)靜摩擦

1號(hào)機(jī)組打閘后轉(zhuǎn)速下降速度過快(7 min大軸靜止)，且轉(zhuǎn)速下降速率基本沒有變化，盡管中間進(jìn)行了破壞真空操作，但破壞真空對(duì)轉(zhuǎn)子惰走時(shí)間沒有影響，說明此時(shí)摩擦起決定作用，因此判定打閘時(shí)高壓轉(zhuǎn)子通流部分發(fā)生動(dòng)靜摩擦，碰磨時(shí)高中壓缸脹差為9.81 mm。

a.脹差變化

機(jī)組打閘后隨著轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子受泊桑效應(yīng)影響而伸長，高壓脹差由9.81 mm升至10.3 mm；脹差的增長加劇了轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜摩擦，摩擦產(chǎn)生的大量熱量使轉(zhuǎn)子快速膨脹，脹差迅速升至最高點(diǎn)12.05 mm[4]。

b.軸向位移變化

打閘后隨著作用在轉(zhuǎn)子的軸向推力消失，轉(zhuǎn)子軸向位移由打閘前的-0.15 mm迅速降至-0.27 mm；由于高壓轉(zhuǎn)子動(dòng)靜部分已經(jīng)發(fā)生摩擦，并在摩擦點(diǎn)處形成相對(duì)“死點(diǎn)”，轉(zhuǎn)子在“死點(diǎn)”位置向前后繼續(xù)膨脹，軸向位移持續(xù)正向，最終穩(wěn)定在0.216 mm[5]。

c.振動(dòng)變化

打閘后1、2號(hào)軸承振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速下降而降低，動(dòng)靜碰磨并未對(duì)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，隨著動(dòng)靜碰磨的加劇在1939 r/min之后振動(dòng)再次呈上升趨勢(shì)，最終達(dá)到滿量程400 μm以上[6](見圖8)。

圖8 機(jī)組定速及惰走期間相關(guān)參數(shù)曲線

3.2 高壓轉(zhuǎn)子通流間隙符合要求

圖9為高壓轉(zhuǎn)子通流碰磨的示意圖，其中H表示高壓轉(zhuǎn)子壓力級(jí)出汽側(cè)葉輪與下一級(jí)隔板內(nèi)環(huán)間隙，表2為經(jīng)施工單位、監(jiān)理單位、建設(shè)單位及制造廠家代表共同確認(rèn)實(shí)測(cè)的該間隙值(H值)。由表2可見：高壓轉(zhuǎn)子通流間隙符合要求，即H值符合要求。

圖9 高壓轉(zhuǎn)子通流動(dòng)靜碰磨示意圖

表2 高壓轉(zhuǎn)子各級(jí)出汽側(cè)輪轂與下級(jí)隔板內(nèi)環(huán)間隙安裝值 單位：mm

綜合上述分析，在高壓轉(zhuǎn)子軸向動(dòng)靜間隙符合設(shè)計(jì)要求的條件下，高壓脹差在沒有達(dá)到停機(jī)值10.5 mm時(shí)，就已發(fā)生動(dòng)靜摩擦。因此，脹差停機(jī)保護(hù)值設(shè)置為10.5 mm是不合理的，需重新確定[7]。

1號(hào)機(jī)組高中壓缸脹差保護(hù)定值設(shè)置不合理且停機(jī)時(shí)高中壓缸脹差大是高壓轉(zhuǎn)子通流發(fā)生動(dòng)靜碰磨的主要原因。機(jī)組啟動(dòng)參數(shù)過高加快了高中壓缸脹差的增長速度，造成高中壓缸脹差過大。

4 改進(jìn)措施

4.1 改變脹差保護(hù)值

根據(jù)汽輪機(jī)廠圖紙，可得測(cè)量盤與相對(duì)死點(diǎn)間距離為7.17 m，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子第1-11級(jí)排汽面與死點(diǎn)距離分別為4.157 m、4.487 m、4.626 m、4.770 m、4.897 m、5.032 m、5.149 m、5.277 m、5.399 m、5.527 m、5.645 m。該位置轉(zhuǎn)子葉輪與下級(jí)隔板間的最小動(dòng)靜間隙級(jí)后最小動(dòng)靜間隙(對(duì)應(yīng)正脹差)分別為8 mm、8 mm、8 mm、8 mm、8 mm、8 mm、8 mm、8 mm、19.5 mm、10 mm、14 mm。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子沿軸向是近似線性等比膨脹的，因此不同的脹差測(cè)量值，對(duì)應(yīng)的葉輪與隔板間的本地脹差實(shí)際值可按比例計(jì)算得出[8]。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)測(cè)量脹差達(dá)到報(bào)警值時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)子從工作面向非工作面有0.4 mm的移動(dòng)間隙，將該移動(dòng)量加上脹差值后，第8級(jí)已經(jīng)處于碰磨的臨界值(表中用淺黃色表示)。當(dāng)測(cè)量脹差達(dá)到跳閘值時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)子從工作面向非工作面有0.4 mm的移動(dòng)間隙，第6、7、8級(jí)已經(jīng)發(fā)生碰磨(表中用棕黃色表示)，尤其是第8級(jí)，即使不考慮軸向位移的0.4 mm，也已處于碰磨的臨界值。當(dāng)機(jī)組打閘，轉(zhuǎn)子惰走到較低轉(zhuǎn)速下，由于停止進(jìn)汽轉(zhuǎn)子不再緊貼推力盤工作面，加之泊桑效應(yīng)使轉(zhuǎn)子伸長，此時(shí)脹差達(dá)到12 mm以上，對(duì)應(yīng)第2-8級(jí)，第10級(jí)均發(fā)生碰磨，尤其是3-8級(jí)，即使不考慮軸向位移的0.4 mm，已嚴(yán)重碰磨(表中用紅色表示)。

表3 脹差測(cè)量值與高壓各級(jí)實(shí)際脹差折算

根據(jù)上述分析，并考慮足夠的安全余量，建議將脹差報(bào)警值及跳機(jī)值減少2～2.5 mm。1號(hào)機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨時(shí)的脹差值為9.18 mm，考慮停機(jī)惰走過程中泊桑效應(yīng)對(duì)高壓脹差的影響(0.9～1 mm)，高中壓脹差停機(jī)值暫定為8 mm[9]。

4.2 嚴(yán)格控制機(jī)組啟動(dòng)參數(shù)

4.2.1 啟動(dòng)時(shí)鍋爐給水量控制

啟動(dòng)時(shí)解除鍋爐主給水流量低MFT保護(hù)跳閘條件，待機(jī)組并網(wǎng)后，主給水流量值增加到保護(hù)跳閘值以上且工況穩(wěn)定后投入。

鍋爐點(diǎn)火至鍋爐汽水品質(zhì)合格前，控制鍋爐主給水流量250 t/h進(jìn)行熱態(tài)沖洗等相關(guān)操作。鍋爐汽水品質(zhì)合格后，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前暖缸期間(冷態(tài)6 h暖缸)緩慢調(diào)節(jié)鍋爐主給水流量降至180～200 t/h，同時(shí)保證鍋爐分離器有可見液位，盡量控制貯水箱溢流閥開度在10%以內(nèi)，減少爐水外排造成大量工質(zhì)及能量的損失。

4.2.2 啟動(dòng)時(shí)鍋爐燃燒的控制

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)要按照規(guī)程要求的升溫升壓速率進(jìn)行操作，保證熱負(fù)荷變化平穩(wěn)。

在啟動(dòng)時(shí)燃料量的增加應(yīng)該緩慢，啟動(dòng)時(shí)爐膛溫度低，燃燒不充分，不宜急于提前退出油槍而猛加燃料。

視主、再熱蒸汽參數(shù)情況投入大油槍伴燃，降低燃煤量。

燃料量的增加應(yīng)緩慢，不宜大幅波動(dòng)。

4.2.3 鍋爐減溫水控制

鍋爐過熱器減溫水控制不宜大幅調(diào)整，應(yīng)觀察汽溫上漲趨勢(shì)提前控制。

根據(jù)減溫水后溫度測(cè)點(diǎn)過熱度情況調(diào)節(jié)減溫水噴水量，至少保證有10 ℃的過熱度，避免引起過熱器積水及汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度速降。

4.2.4 參數(shù)監(jiān)視

時(shí)刻保證鍋爐瞬時(shí)給水量與額定給水量的比值大于瞬時(shí)燃料量與額定燃料量的比值(鍋爐BMCR工況過熱蒸汽流量為1111 t/h，燃料消耗量為236.6 t/h)。

鍋爐啟動(dòng)時(shí)，特別是主給水流量低于鍋爐廠MFT保護(hù)定值期間，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視鍋爐參數(shù)不超過報(bào)警值，防止發(fā)生水冷壁超溫情況。

如發(fā)生水冷壁發(fā)生超溫情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整主給水流量及鍋爐的燃料量，避免水冷壁長時(shí)間超溫導(dǎo)致水冷壁爆管的事故發(fā)生。

如遇給水泵跳閘，鍋爐給水泵全停MFT保護(hù)會(huì)動(dòng)作；如鍋爐上水調(diào)門故障或卡澀造成鍋爐給水異常，手動(dòng)MFT滅火[10]。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)在啟動(dòng)、停機(jī)以及正常運(yùn)行或出現(xiàn)異常時(shí)，其機(jī)組內(nèi)的部件溫度差異所產(chǎn)生的膨脹變形，會(huì)對(duì)機(jī)組本身造成十分巨大的影響，因此需要對(duì)脹差的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并探討脹差對(duì)機(jī)組自身所造成的影響，分析脹差增加的原因和具體的機(jī)理，從而研究出能夠有效控制脹差的對(duì)策，使脹差能夠被控制在合理的范圍內(nèi)，確保汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而延長汽輪機(jī)的使用壽命，提升汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。