600 MW超(超)臨界機組給水泵汽輪機調速性能異常問題分析與處理

趙超，孟禮，朱建，張文英

(江蘇闞山發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221134)

給水泵汽輪機為燃煤發(fā)電機組的重要輔機，近年來，機組頻繁參與電網深度調峰任務，負荷波動頻繁，要求給水流量跟蹤響應快，這就需要給水泵汽輪機需要具備良好的動態(tài)調節(jié)特性來滿足電網調節(jié)的任務。

闞山發(fā)電公司給水泵汽輪機為單缸、單流、單軸、反動式純凝汽汽輪機，型號為NK63/71/0。給水泵汽輪機調節(jié)性能異?？赡軙l(fā)超速事故，超速會對人身安全和設備造成極大危害[1]。為嚴格執(zhí)行國家能源局發(fā)布的國能安全[2014]161號《防止電力生產事故的二十五項重點要求》，保證電力系統安全、穩(wěn)定和高效經濟運行，給水泵汽輪機調節(jié)系統異常問題一旦出現需及時解決。

1 異常狀況

給水泵汽輪機的汽源為主汽輪機第四段抽汽，備用汽源為高壓缸排汽，啟動調試汽源為輔助蒸汽。正常工作時，第四段抽汽先經過速關閥(SSV)到達進汽室，進汽室內裝有5個提板式調節(jié)汽閥，給水泵汽輪機調節(jié)汽閥結構圖如圖1所示。根據負荷和轉速指令，油動機通過杠桿機構操縱提板，調節(jié)5個調節(jié)汽閥開度，調整進入給水泵汽輪機的蒸汽流量來控制給水泵汽輪機的轉速[2]。

圖1 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥結構圖

當油動機伺服閥接收關小調節(jié)汽閥的指令后，目的是減少進汽量來降低給水泵汽輪機的轉速，然而，實際轉速卻從3 702 r/min急劇升至3 791 r/min；當油動機伺服閥接收開大調節(jié)汽閥的指令后，目的是增加進汽量來提高給水泵汽輪機的轉速，然而，實際轉速卻從3 791 r/min急劇下降至3 698 r/min。調節(jié)性能出現了與原調速系統設計功能相悖的情況，具體異常說明如下：

2021年2月8日05:25:14，當時負荷為273 MW，2A給水泵出口壓力為16.06 MPa，2B給水泵出口壓力為16.08 MPa，2A給水泵汽輪機設定轉速為3 689 r/min，調節(jié)汽閥開至30.04%，實際轉速為3 702 r/min，比設定值高出13 r/min，調節(jié)汽閥關到22.22%時，轉速出現異常升至3 791 r/min，給水流量從460 t/h增加至588 t/h。

2021年2月8日05:27:12，設定轉速不變，調節(jié)汽閥指令從22.22%增加至25%，調節(jié)汽閥開至26.38%，實際轉速從3 791 r/min急劇下降至3 698 r/min，給水流量從460 t/h下降至300 t/h，觸發(fā)給水泵最小流量閥門全開，造成給水流量低。接著開度指令增加，調節(jié)汽閥開度增大，小機升速至3 820 r/min左右，給水量維持穩(wěn)定。

追溯2021年2月20日上午10:00，除出現上述現象外，出現2A、2B開度值由3%左右偏差達到10%左右的情況。經查閱，2021年2月8日調節(jié)汽閥出現的狀態(tài)和2021年2月20日出現的2A、2B開度值偏差的情況，在2021年1月15日機組啟動過程中，給水泵汽輪機掛閘(速關閥全開，調節(jié)汽閥未開啟狀態(tài))，給水泵汽輪機轉速從盤車300 r/min突然升至1 400 r/min。就地檢查發(fā)現油動機的連接桿產生彎曲。圖2為啟動過程中出現過調節(jié)汽閥閥門未關閉到位，導致油動機連接桿產生壓桿彎曲現象。

圖2 油動機連接桿產生壓桿彎曲現象

2 原因分析

2.1 調節(jié)汽閥開度與轉速調節(jié)性能異常的原因

對于調節(jié)汽閥總開度下降，轉速卻異常上升，給水流量上升的現象，初步判斷2A調節(jié)汽閥內部5個調門中2號調節(jié)汽閥沒有關閉到位，閥座凸出，閥芯被閥座頂開，引起進汽量突然增加轉速突然上升；對于調節(jié)汽閥再次開大，轉速卻下降100 r/min的現象，初步判斷是在橫梁上提的過程中，調節(jié)汽閥閥芯與閥座復位，造成進汽通流面積減小，造成進汽量減少轉速降低。

對比圖3和圖5，門芯導向桿與導向套處可能存在卡澀，造成閥梁下關時(調節(jié)汽閥關小)，閥芯接觸閥座，受到閥座施加向上的支反力使得閥芯向上抬升，進汽口與閥芯遮蓋度減小，進汽流量增加。圖4箭頭所示，當閥梁向上提至某一開度時，閥芯導向桿回正，將閥門關閉，造成進汽流量減小，轉速異常下降。

2.2 2A、2B調節(jié)汽閥開度同轉速下偏差較大原因

自2021年2月20日以來，未出現調節(jié)汽閥開大后轉速突降的現象，是因為2A調節(jié)汽閥中的2號閥芯導向桿處在圖3(2)中，閥芯導向桿處于偏斜狀態(tài)未回正落下(此位置接近于2號閥全開狀態(tài))，2號調節(jié)汽閥的進汽量未明顯減少，調速系統發(fā)出關小2A調節(jié)汽閥指令，才能維持速度的正常調節(jié)，這就擴大了2A、2B在同轉速下調節(jié)汽閥開度偏差值從原始的3%增加到10%左右。當速度進一步升高時，達到第3號閥門開始參與調速的開度，第2號閥已經不參與轉速調節(jié)，第2號閥芯導向桿在運行期間是否回正，對轉速的影響都不大。因此，出現2A、2B調節(jié)汽閥開度偏差大的新問題，是因為圖3中第2個閥芯導桿懸掛的影響。

圖3 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥閥芯異常狀況動態(tài)分析圖

圖4 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥閥座凸出，閥芯偏斜造成關閉時進汽增加

綜上所述，給水泵汽輪機調節(jié)汽閥根據轉速指令，1號到5號順序依次打開。圖5所示為給水泵汽輪機調節(jié)汽閥1號閥門全開及2號未開時的正常狀態(tài)示意圖。由于調節(jié)汽閥閥座與進汽室母材材質不一致，閥座材質為ZG20CrMoV，進汽室母材材質為15MoG，進汽室與閥座的金屬熱膨脹系數不同，在給水泵汽輪機運行的熱態(tài)情況下，金屬溫度受進汽溫度影響，插裝在進汽室的閥座與母材產生熱膨脹偏移，閥座熱膨脹凸起因此調節(jié)汽閥進汽異常，是造成本次調速系統異常的原因。

圖5 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥1號閥門全開及2號未開時的正常狀態(tài)示意圖

3 缺陷處理

利用機組檢修期間對2A給水泵汽輪機調節(jié)汽閥解體檢查時發(fā)現2號閥座凸起，凸起高度達12.6 mm。2號閥座凸起現場狀況如圖6所示。解體情況與上述原因分析一致，驗證了閥座凸起造成了給水泵汽輪機調速失常的原因。現場使用干冰將其冷卻收縮，然后用千斤頂將其頂回原位，所有閥座采用點固焊來約束熱膨脹凸起。

圖6 2號閥座凸起現場狀況

缺陷處理完成后，2A給水泵汽輪機轉速調節(jié)性能恢復正常。2A給水泵汽輪機掛閘時(速關閥全開，調節(jié)汽閥未開啟狀態(tài))，給水泵汽輪機盤車轉速穩(wěn)定在300 r/min，未出現異常升速現象。2A給水泵汽輪機沖轉時，2A調節(jié)汽閥指令從22.0%增加至25%，實際轉速從3 791 r/min上升至3 815 r/min，升速性能正常。經過比對分析，在相同的轉速3 791 r/min，修前對應調節(jié)汽閥開度為26.38%，修后開度恢復到22%，根據調節(jié)汽閥流量特性曲線，對應給水泵汽輪機的進汽量從3.335 kg/s降低到2.102 kg/s，在上述273 MW負荷條件下，查閱給水泵汽輪機的進汽焓值約為3 228 kJ/kg，2A給水泵汽輪機單位時間內可節(jié)約3 980.12 kW的熱耗量。

4 結語

調節(jié)汽閥是給水泵汽輪機調速系統的重要組成設備，由于調節(jié)汽閥的閥座與進汽室金屬的材質和熱膨脹系數不相同，調節(jié)汽閥的閥座在熱態(tài)情況下會產生膨脹凸起，致使給水泵汽輪機進汽量與調節(jié)汽閥對應開度不匹配，從而引起給水泵汽輪機調節(jié)性能異常。

結合解體檢查調節(jié)汽閥，證實了調節(jié)汽閥閥座凸起是造成調節(jié)系統異常的原因，并通過采取干冰冷裝閥座，點固焊約束閥座運行期間產生熱位移等工藝措施，消除了調節(jié)汽閥異常引起調速性能異常的故障。針對本次解體檢查情況，對于同類機型的調節(jié)汽閥應列入定期檢查工作項目，及時檢查發(fā)現調節(jié)汽閥異常的隱患，采取防熱膨脹的措施以保證給水調節(jié)性能穩(wěn)定可靠。