某電廠給水流量低保護(hù)動作原因分析

王 羽，譚 袖，王政先

(華電電力科學(xué)研究院有限公司東北分公司，遼寧 沈陽 110180)

1 基本概況

某電廠11號機(jī)組裝機(jī)容量為350 MW，汽輪機(jī)型號C350/296-24.2/0.4/566/566，為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的超臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，采暖期更換轉(zhuǎn)子高背壓供熱。機(jī)組采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式，汽輪機(jī)具有8級非調(diào)整回?zé)岢槠１緳C(jī)組為熱電聯(lián)產(chǎn)凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)置2級供熱抽汽；亦可在采暖期更換高背壓轉(zhuǎn)子供熱。

本機(jī)組配2臺50%額定容量的汽動給水泵，每臺汽動給水泵配備1臺前置泵，提供給汽動給水泵足夠的汽蝕余量；還配有1臺30%額定容量的電動調(diào)速給水泵，作為啟動或備用給水泵。

汽動給水泵由小汽機(jī)驅(qū)動，小汽機(jī)為單缸、沖動、單流、純凝汽式。小汽機(jī)型號N5.53-0.786，為青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的單缸、沖動凝汽式、汽源外切換、下排汽汽輪機(jī)。小汽機(jī)工作汽源采用四段抽汽和冷再汽源，啟動時采用廠用輔助蒸汽；額定轉(zhuǎn)速5490 r/min，額定功率5.844 MW。

小汽機(jī)有高壓、低壓2路汽源，高壓汽源為高壓缸二段抽汽，即高壓缸排汽，低壓汽源為中壓缸四段抽汽，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷，高、低壓汽源蒸汽通過高、低壓調(diào)門進(jìn)入小汽機(jī)，推動汽動給水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)蛪赫{(diào)門開度大于70%，高壓調(diào)門開啟并參與調(diào)節(jié)。高壓汽源進(jìn)汽電動門和高壓進(jìn)汽調(diào)門為串聯(lián)關(guān)系，高壓調(diào)門在高壓進(jìn)汽電動門之后。高壓汽源在機(jī)組正常投入AGC后需要投入備用，即在高壓調(diào)門關(guān)閉狀態(tài)下開啟高壓進(jìn)汽電動門，保證機(jī)組在高負(fù)荷時高壓汽源進(jìn)汽參與調(diào)節(jié)。

2 事故經(jīng)過

2021年6月5日22:56:05，11號機(jī)組正常運(yùn)行，負(fù)荷175 MW，主汽溫度558.70 ℃，主汽壓力14.95 MPa，主汽流量532 t/h，給水流量559 t/h，汽動給水泵A、B運(yùn)行，汽動給水泵A入口流量365 t/h，汽動給水泵B入口流量357 t/h，汽動給水泵A、B均在自動狀態(tài)，均由低壓汽源帶動，電動給水泵備用，機(jī)組AGC、AVC正常投入。

22:56:06，運(yùn)行人員開啟再熱冷至小汽機(jī)B入口供汽電動門。14 s后暫停開啟。

22:56:15，汽動給水泵B流量快速漲至445 t/h，給水流量快速漲至629 t/h，汽動給水泵A、B為自動狀態(tài)，自動指令減少汽動給水泵A、B的流量。

22:56:21，汽動給水泵B流量快速漲至612 t/h，給水流量最大至 742 t/h。汽動給水泵A、B流量指令自動減少，小汽機(jī)A低壓調(diào)門指令由54%降到43%，入口流量由365 t/h降低到274 t/h；小汽機(jī)B低壓調(diào)門指令由58%降到43%，入口流量由351 t/h升高到625 t/h；給水流量由556 t/h升到742 t/h。

22:56:26，運(yùn)行人員手動切除小汽機(jī)A自動。

22:56:28，運(yùn)行人員手動切除小汽機(jī)B自動。

22:56:30，運(yùn)行人員關(guān)閉再熱冷至小汽機(jī)B入口供汽電動門，21 s后該電動門全關(guān)。

22:56:45，負(fù)荷177 MW，主汽溫度558.55 ℃，主汽壓力15.32 MPa，主汽流量543 t/h，總給水流量311 t/h，汽動給水泵A入口流量281 t/h，汽動給水泵B入口流量179 t/h。

22:57:05，鍋爐MFT動作，汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列。MFT首出為“主蒸汽流量大于360 t/h且給水流量低”。

檢修人員對小汽機(jī)B高壓調(diào)門進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)小汽機(jī)B高調(diào)門桿斷裂。更換高調(diào)門桿，進(jìn)行靜態(tài)試驗，調(diào)門行程無卡澀，反饋正常。

06:06:18，11號機(jī)組并網(wǎng)，恢復(fù)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行。

3 檢查情況

3.1 運(yùn)行參數(shù)及操作檢查

事故發(fā)生過程系統(tǒng)參數(shù)如圖1、圖2所示。

圖1 汽動給水泵A、B系統(tǒng)參數(shù)1

圖2 汽動給水泵A、B系統(tǒng)參數(shù)2

如圖3所示，通過查詢歷史曲線可以看出，開啟小汽機(jī)B高壓進(jìn)汽電動門后，受高壓蒸汽沖擊，小汽機(jī)B高壓調(diào)節(jié)門門桿出現(xiàn)斷裂，閥頭未處于正常關(guān)閉位置，小汽機(jī)B轉(zhuǎn)速異常升高，汽動給水泵B入口流量由357 t/h迅速增至612 t/h，給水流量突升至724 t/h。此時汽動給水泵A、B均為自動狀態(tài)，汽動給水泵A輸出至MEH的給水轉(zhuǎn)速指令設(shè)定值開始快速減小，汽動給水泵A入口給水流量快速降低，由365 t/h迅速降至274 t/h。

圖3 小汽機(jī)B高壓供汽電動門開啟指令

之后運(yùn)行人員退出汽動給水泵A、B自動，關(guān)閉了小汽機(jī)B高壓進(jìn)汽電動門，導(dǎo)致小汽機(jī)B進(jìn)汽量減少，轉(zhuǎn)速降低，入口流量進(jìn)一步降低，加劇鍋爐給水流量下降。

對給水流量低的情況未進(jìn)行手動調(diào)整給水流量指令值或緊急啟動電動給水泵操作，導(dǎo)致滿足給水流量低保護(hù)動作條件，鍋爐MFT保護(hù)動作。

3.2 現(xiàn)場設(shè)備檢查情況

機(jī)組停機(jī)后，檢修人員對小汽機(jī)B高壓調(diào)門進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)門門桿斷裂，斷口有明顯的疲勞斷口特征，斷裂情況見圖4。

圖4 小汽機(jī)B高壓調(diào)門閥桿斷裂與閥蓋位置

該小汽機(jī)的高壓調(diào)門結(jié)構(gòu)見圖5，閥桿為橫向安裝，汽流從下方進(jìn)汽，從上方出汽。當(dāng)高壓備用汽源投入時，從下方的來汽會對閥碟4和閥桿11產(chǎn)生一個力矩，在高壓調(diào)門長期處于某一開度時，在持續(xù)的力沖擊下在門桿11與閥蓋16內(nèi)側(cè)交接處存在較大應(yīng)力。

圖5 小汽機(jī)B高壓調(diào)門結(jié)構(gòu)

從小汽機(jī)B高壓調(diào)門斷裂位置見圖6，斷裂位置距離閥頭大約90 mm，從圖4中也可以看出斷裂位置接近閥蓋內(nèi)側(cè)，在汽流的沖擊下此位置應(yīng)力最大。

當(dāng)閥桿斷裂后，由于汽流沖擊會導(dǎo)致處于水平位置的閥頭4偏離關(guān)閉的位置造成漏汽。因此在開啟高壓備用汽源電動門后，小汽機(jī)B轉(zhuǎn)速異常升高，給水流量增加。

圖6 小汽機(jī)B高壓調(diào)門斷裂位置

3.3 門桿斷裂失效分析

對斷裂的門桿進(jìn)行失效分析，通過宏觀檢查、斷口形貌分析、化學(xué)成分分析、微觀組織分析等試驗發(fā)現(xiàn)：門桿斷口位于距右側(cè)端部約13 cm處，門桿外表面周向可見較明顯的機(jī)械加工痕跡，同時可見點(diǎn)狀或不規(guī)則的麻點(diǎn)及凹坑型損傷，距斷口約3～4 mm處有一處長度約15 mm的周向損傷。斷口可見放射狀花樣斷裂擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，具有明顯的疲勞斷裂特征；光譜檢測結(jié)果基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在材質(zhì)錯用情況；基體組織為回火索氏體，未見明顯脫碳層，顯微組織可見不同尺寸及形狀的夾雜物；門桿的布氏硬度、室溫拉伸性能及室溫沖擊性能均不符合GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)合現(xiàn)場檢查情況及試驗結(jié)果可判斷，管道上的調(diào)節(jié)閥安裝在垂直管道上，在下部梨形閥蝶重力作用下可能導(dǎo)致局部偏心，使得在工作狀態(tài)下出現(xiàn)機(jī)械卡澀，導(dǎo)致門桿表面發(fā)生機(jī)械損傷，同時門桿在工作過程中承受交變載荷，隨著服役時間延長，門桿表面缺陷處易萌生疲勞裂紋并逐步向內(nèi)擴(kuò)展。另外，門桿內(nèi)部存在雜物且力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，在一定程度上也會加速裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，由于材料強(qiáng)度不足，導(dǎo)致門桿發(fā)生斷裂[1-2]。

4 原因分析

4.1 機(jī)組停機(jī)原因

鍋爐MFT首出為：“主蒸汽流量大于360 t/h且給水流量低”。

4.2 給水流量低原因

給水流量低的原因是：在開啟小汽機(jī)B高壓進(jìn)汽電動門過程中，小汽機(jī)B高調(diào)門門桿斷裂，閥頭未處于關(guān)閉位置，高壓調(diào)門漏汽，使得汽動給水泵B給水流量異常升高，運(yùn)行人員判斷失誤、操作不當(dāng)造成給水流量降低[3-5]。

事故經(jīng)過流程見圖7。

圖7 事故經(jīng)過流程

4.3 門桿斷裂原因

門桿的安裝方向和位置增加了運(yùn)行中存在的交變載荷，在交變載荷作用下形成疲勞裂紋，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致門桿斷裂。門桿內(nèi)部存在的夾雜物及力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)加速了裂紋的萌生和擴(kuò)展，為門桿斷裂的次要原因。

5 處理及防范措施

5.1 故障設(shè)備的處理情況

檢修人員對小汽機(jī)B高壓調(diào)門門桿進(jìn)行了更換處理(備件為小汽機(jī)A替換下的門桿)，停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行了靜態(tài)試驗，調(diào)門行程無卡澀，反饋正常。并于6月6日18時再次啟機(jī)并網(wǎng)。

5.2 防范措施

a.加強(qiáng)高壓進(jìn)汽調(diào)門門桿備件管理，提前訂購相關(guān)備件，嚴(yán)格把關(guān)材質(zhì)質(zhì)量，并擇機(jī)更換目前存在缺陷的小汽機(jī)B高壓進(jìn)汽調(diào)門門桿。

b.建議聯(lián)系生產(chǎn)廠家給出合理的強(qiáng)度計算等設(shè)計規(guī)范，應(yīng)參照技術(shù)圖紙正確安裝閥門門桿，必要時可優(yōu)化門桿機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少門桿承受的交變載荷，避免在使用中出現(xiàn)機(jī)械卡澀或卡死情況。

c.在機(jī)組給水流量出現(xiàn)異常時，及時調(diào)整各給水泵的啟停及給水流量，保證總給水流量與主汽流量匹配。加強(qiáng)運(yùn)行操作中危險源點(diǎn)的分析，加強(qiáng)重大操作專業(yè)人員技術(shù)指導(dǎo)。重點(diǎn)加強(qiáng)對防范措施落實(shí)的監(jiān)督檢查上，確保各項防范措施和操作指導(dǎo)措施落實(shí)到位。