350 MW超臨界機(jī)組啟動(dòng)中振動(dòng)大跳閘分析及解決措施

趙 偉，李 然

（國(guó)家能源集團(tuán)華北電力有限公司廊坊熱電廠，河北 廊坊 065000）

1 研究背景

350 MW汽輪機(jī)為超臨界、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽、凝汽式汽輪機(jī)，采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。高中壓部分采用合缸反流結(jié)構(gòu)（高壓調(diào)節(jié)級(jí)為順流結(jié)構(gòu)），低壓缸采用雙流反向雙層缸結(jié)構(gòu)。主蒸汽經(jīng)兩根主蒸汽管分別送至高壓主汽門(mén)前，經(jīng)兩個(gè)高壓主汽門(mén)（臥式帶有預(yù)啟閥的高壓主汽門(mén)）、四個(gè)高壓調(diào)門(mén)后，由四根高壓進(jìn)汽套管用滑動(dòng)接合連接方式送到各噴嘴室。蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)級(jí)和壓力級(jí)葉片，通過(guò)高中壓外缸下側(cè)的一個(gè)排汽口排到再熱器。蒸汽流經(jīng)再熱器后同樣經(jīng)兩根蒸汽管送至中壓主汽門(mén)前，經(jīng)兩個(gè)中壓主汽門(mén)（內(nèi)部帶有預(yù)啟閥的單閥座式提升閥）、兩個(gè)中壓調(diào)門(mén)進(jìn)入中壓缸，通過(guò)中壓缸排汽口的中低壓連通管導(dǎo)入兩個(gè)低壓缸中部，然后分別流向兩端排汽口進(jìn)入下部凝汽器[1]。

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用某數(shù)字電液DEH控制系統(tǒng)，高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式（默認(rèn)）：采用雙回路系統(tǒng)，即高壓缸—高壓排汽通風(fēng)閥—凝汽器回路以及中低壓缸—凝汽器回路，600 rpm以前為中壓主汽門(mén)控制升速，600 rpm后以高壓主汽門(mén)與中壓調(diào)門(mén)共同控制升速至2 200 rpm，后在2 900 rpm進(jìn)行高壓主汽門(mén)與高壓調(diào)門(mén)切換至正常運(yùn)行方式。

此次停備進(jìn)行的相關(guān)檢修工作：3號(hào)高壓導(dǎo)管保溫滴水消漏、主汽右側(cè)支管疏水氣動(dòng)門(mén)內(nèi)漏閥門(mén)更換、1號(hào)、3號(hào)抽汽逆止門(mén)氣缸檢查。

設(shè)備存在的主要缺陷：2號(hào)機(jī)右側(cè)高壓主汽門(mén)內(nèi)漏，每次掛閘設(shè)完閥限后未升速前盤(pán)車自動(dòng)甩脫。

2 沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程

2020年3月26日，該機(jī)組按調(diào)度令要求進(jìn)行啟動(dòng)工作，2020年03月27日02∶53左右，機(jī)組具備掛閘條件，機(jī)組掛閘，中壓主汽門(mén)聯(lián)鎖打開(kāi)，設(shè)定閥限100后，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，自動(dòng)甩脫盤(pán)車，值班員立即設(shè)定轉(zhuǎn)速目標(biāo)值600 rpm，升速率100進(jìn)行升速，定速600 rpm后，停留10 min左右（包括打閘摩擦檢查時(shí)間），1瓦振動(dòng)有小斜率緩慢上升，后設(shè)定升速目標(biāo)至2 200 rpm升速率100，通過(guò)第一個(gè)臨界區(qū)間時(shí)升速率自動(dòng)設(shè)為400，此時(shí)1瓦振動(dòng)有明顯上升且無(wú)緩解，至第二個(gè)臨界區(qū)間時(shí)，因1瓦振動(dòng)超限導(dǎo)致機(jī)組掉閘，轉(zhuǎn)速正常惰走至600 rpm以下后重新掛閘定速至600 rpm，停留1小時(shí)20分左右，重新沖轉(zhuǎn)至2 200 rpm進(jìn)行中速暖機(jī)，后正常并網(wǎng)。

3 故障原因分析

首先從振幅的變化來(lái)說(shuō)，沖轉(zhuǎn)至600 rpm以后，振幅明顯隨著時(shí)間的推移而有變大的趨勢(shì)，第一次沖轉(zhuǎn)在一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)有明顯的上升，且在掉閘惰走至一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)振動(dòng)有明顯的回頭，按照振動(dòng)的機(jī)理來(lái)說(shuō)，必然存在軸系的不平衡，但在第二次沖轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)又恢復(fù)至正常狀態(tài)，則可以明確判斷此振動(dòng)為轉(zhuǎn)子暫時(shí)性熱彎曲所致，第二次沖轉(zhuǎn)時(shí)的暫時(shí)性熱彎曲得到很大緩解甚至消除[2]。

轉(zhuǎn)子暫時(shí)性熱彎曲（不排除產(chǎn)生軸徑碰磨可能）的產(chǎn)生由不均勻受熱的溫度梯度決定，溫度梯度越大，熱彎曲越大，因無(wú)法直接檢測(cè)轉(zhuǎn)子溫度，以高中壓調(diào)閥內(nèi)壁溫度與內(nèi)外缸壁溫為觀測(cè)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子受熱（冷）進(jìn)行參數(shù)進(jìn)行分析。

為更好地找到此次啟動(dòng)振幅大掉閘的問(wèn)題所在，從該機(jī)組的歷史啟動(dòng)次數(shù)中，取出兩種較為典型的冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程曲線和參數(shù)作為比對(duì)。分別為2020-03-27、2019-10-23、2017-10-16三次冷態(tài)啟動(dòng)，其中2019年次距離此次啟動(dòng)最近且與此次啟動(dòng)最相似，2017年次則為相對(duì)較理想的啟動(dòng)。啟動(dòng)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

通過(guò)表1的參數(shù)比對(duì)，得出以下簡(jiǎn)要分析：沖車參數(shù)方面，三次啟動(dòng)的主汽壓與再熱汽壓基本維持在相同水平，與冷態(tài)啟動(dòng)要求相符，本次沖轉(zhuǎn)初始的再熱汽溫大于主汽溫32℃，2019年次啟動(dòng)主汽溫大于再熱汽溫6℃，2017年次啟動(dòng)主汽溫大于再熱汽溫23℃；1X振幅方面，本次啟動(dòng)與2019年次啟動(dòng)，振動(dòng)在定速600 rpm后均表現(xiàn)出了一定程度的不穩(wěn)定，隨時(shí)間振幅緩慢上升，區(qū)別是本次啟動(dòng)進(jìn)入二階臨界到跳閘振幅的斜率在快速升速，而2019年次在一階臨界前后僅有小幅度上升且在二階臨界后振幅峰值94μm后快速回落至正常值且持續(xù)穩(wěn)定，2017年次啟動(dòng)的振幅在定速600后則較為穩(wěn)定，在一階臨界轉(zhuǎn)速后振幅有小幅的下降，在二階臨界后振幅峰值63μm后回落并穩(wěn)定，在整個(gè)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中未見(jiàn)明顯的振動(dòng)惡化趨勢(shì)；調(diào)閥內(nèi)壁溫度方面，本次啟動(dòng)與2019年次啟動(dòng)的調(diào)閥內(nèi)壁溫度左右側(cè)均有較大的溫差且過(guò)程中內(nèi)壁溫均有不同幅度的下降，而2017次啟動(dòng)左右側(cè)內(nèi)壁溫偏差很小且內(nèi)壁溫在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中均為上升；內(nèi)外汽缸上下壁溫方面，本次啟動(dòng)的內(nèi)外缸壁溫同樣出現(xiàn)一定程度的下降，2019年次啟動(dòng)則內(nèi)缸出現(xiàn)一定程度的下降，而2017年次的啟動(dòng)內(nèi)外缸壁溫度均僅有0.5℃的溫度下降。

表1 啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)參數(shù)匯總表

本次啟動(dòng)的再熱汽溫度大于主汽溫32℃，峰值達(dá)40℃，汽輪機(jī)說(shuō)明書(shū)（限制值，預(yù)防措施和試驗(yàn)）要求75%額定負(fù)荷以下，不允許再熱汽溫大于主汽溫，但主汽溫可以大于再熱汽溫83℃以內(nèi)，高中壓缸合缸機(jī)組，高中壓缸進(jìn)汽部分為沖轉(zhuǎn)初期承受的熱應(yīng)力最大部分，需主汽溫度高于再熱汽溫度來(lái)維持高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子一致的膨脹量，確保高中壓缸及其轉(zhuǎn)子的金屬應(yīng)力最小，所以沖轉(zhuǎn)過(guò)程中再熱汽溫明顯大幅大于主汽溫是轉(zhuǎn)子不平衡受熱的一個(gè)原因；本次在沖轉(zhuǎn)初期，再熱汽溫度大于425℃，峰值達(dá)450℃，參照說(shuō)明書(shū)（啟動(dòng)蒸汽參數(shù)）要求冷態(tài)再熱汽門(mén)前蒸汽溫度不超過(guò)410℃，空負(fù)荷與低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)則里的真空值為7 kPa對(duì)應(yīng)的440℃，取低值為410℃，本次再熱汽溫度超上限較多，對(duì)于轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，會(huì)形成更大的溫度梯度，即更大的彎曲。本次檢修工作涉及到汽缸周圍的組件較多，包括3號(hào)高壓導(dǎo)氣管、高壓缸抽汽管道和右側(cè)主蒸汽支管疏水管道，均進(jìn)行了保溫拆除工作，汽缸部分進(jìn)汽管道金屬溫度水平較低，而主機(jī)右側(cè)高壓主汽閥內(nèi)漏導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行前期的掛閘暖閥暖管工作，導(dǎo)致本次與2019年次啟動(dòng)均存在一定程度的負(fù)溫差啟動(dòng)，即進(jìn)入汽缸的蒸汽溫度先降后升（尤其是高壓缸），但本次的降幅大于2019年次的降幅，且高調(diào)后左右側(cè)進(jìn)汽管道金屬溫度的不匹配程度會(huì)加大左右側(cè)進(jìn)汽的偏差，是造成轉(zhuǎn)子不平衡受熱的另一個(gè)原因。

4 解決措施

主再熱汽溫度控制不佳、未充分暖閥暖管是高中壓缸和轉(zhuǎn)子不平衡受熱的主要原因，產(chǎn)生可逆的暫時(shí)性熱彎曲，導(dǎo)致1瓦的振動(dòng)在升速時(shí)迅速惡化并掉閘。應(yīng)對(duì)措施主要針對(duì)嚴(yán)格控制再熱汽溫度等沖車參數(shù)，在沖轉(zhuǎn)前高效的對(duì)進(jìn)汽管道和閥門(mén)預(yù)暖，建議采取如下措施：

1）沖轉(zhuǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制主、再熱汽溫度，尤其是再熱汽溫度冷態(tài)不大于410℃且不大于主汽溫度。

2）有機(jī)會(huì)盡快消除中壓調(diào)門(mén)內(nèi)漏缺陷，沖轉(zhuǎn)前進(jìn)行充分掛閘暖閥，將各進(jìn)主調(diào)節(jié)汽門(mén)和汽缸的管道充分暖管。

3）無(wú)法消除中壓調(diào)門(mén)內(nèi)漏缺陷時(shí)，采取600 rpm定速暖閥暖管，高壓調(diào)門(mén)設(shè)閥限100全開(kāi)后，蒸汽通過(guò)高壓主汽門(mén)預(yù)啟閥進(jìn)入調(diào)門(mén)蒸汽室，通過(guò)高壓導(dǎo)氣管疏水、進(jìn)汽通風(fēng)閥疏水和汽缸本體疏水進(jìn)行主蒸汽支管、調(diào)節(jié)汽門(mén)蒸汽室和高壓導(dǎo)氣管暖管，疏水溫度達(dá)到要求后再進(jìn)行2 200 rpm目標(biāo)升速（具體溫度在下次啟動(dòng)過(guò)程中確認(rèn)），進(jìn)行后續(xù)正常中速暖機(jī)和并網(wǎng)等操作，或在一階臨界轉(zhuǎn)速與二階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)之間停留一個(gè)暖機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行適當(dāng)停留暖閥暖管。

5 結(jié)論

采取上述措施后，后期機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中未再發(fā)生由于振動(dòng)大導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事故，說(shuō)明措施行之有效。機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，我們應(yīng)及時(shí)消除設(shè)備缺陷，加強(qiáng)主、再熱汽溫的調(diào)整，密切監(jiān)視缸溫及脹差變化，確保各項(xiàng)參數(shù)嚴(yán)格按照啟動(dòng)曲線進(jìn)行，保證汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)安全平穩(wěn)。