1 000 MW超超臨界機組汽輪機啟動和試運問題分析

鄧小文，崔振東

(廣東電網公司電力科學研究院，廣州市，510080)

0 引言

近年來，隨著國民經濟發展和能源政策調整，我國建設了一大批600及1 000 MW超超臨界汽輪發電機組，這些機組多為引進技術型機組，如哈爾濱汽輪機有限公司引進了東芝技術，上海汽輪機有限公司引進了西門子技術，東方汽輪機有限公司引進了日立技術等。目前這些機組正逐漸成為我國的主力發電機組［1-5］。由于這類機組參數高、容量大，設計風格不同，因此了解它們的特點及關鍵技術對安裝、調試、運行等尤為重要。本文介紹上海汽輪機廠引進西門子技術制造的1 000 MW超超臨界機組汽輪機的結構特點及啟動控制技術，分析機組調試過程中出現的問題，為同類電站建設提供參考。

1 引進西門子技術機組特點

1.1 工程概況

某工程建設2臺1 000 MW國產超超臨界發電機組。采用上海鍋爐廠引進ALSTHOM技術制造的超超臨界、一次中間再熱、雙切圓八角噴燃、平衡通風、固態排渣螺旋管圈直流煤粉鍋爐；采用上海汽輪機有限公司引進SIEMENS技術生產的N1000－26.25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機；采用上海發電機有限公司生產的THDF 125/67型水－氫－氫冷發電機；同步建設脫硫、脫硝系統。本工程1號機組于2010年9月18日開始整組試運首次沖轉，10月5日完成168 h滿負荷連續考核試運；2號機組于2011年4月28日完成168 h滿負荷連續考核試運。

1.2 汽輪機結構特點

與其他1 000 MW超超臨界機組相比，引進SIEMENS技術制造的汽輪機具有獨特的結構［2-4］。

(1)主機潤滑油系統不設置與機組主軸相連的主油泵，潤滑油直接由獨立的立式潤滑油泵供給。

(2)汽輪機軸系4根轉子共由5個橢圓軸承支撐(圖1)，5個軸承座均為落地布置。軸系總長度縮短，轉子臨界轉速高，穩定性好，同時基礎變形對軸承荷載和軸系對中的影響小。

圖1 軸系結構示意Fig.1 Schematic diagram of shaft structure

(3)采用全周進汽加補汽閥的配汽方式，高、中壓缸同為切向進汽。高、中壓閥門布置在汽缸兩側，閥門與汽缸直接連接，無導汽管。主調節門采用大型罩螺母與高壓缸連接，再熱調節門采用法蘭螺栓與中壓缸連接。補汽閥相當于主汽門后的第3個主調節門，該閥門一般在最佳運行經濟工況點后開啟，滿足在該工況機組能夠到達更高的負荷，同時該閥門還具有調頻功能。

(4)盤車設備安裝于高壓轉子自由端(即1號軸承座前)，采用液壓馬達驅動，自動嚙合并配有超速離合器。

(5)高壓缸采用雙層缸設計。外缸為獨特的桶形結構，依垂直中分面為準分為左、右2個半缸。內缸為垂直縱向平中分面結構。高壓缸由工廠總裝，整體發運，現場直接吊裝。

(6)機組大修周期按12年設計。

(7)主機振動保護采用2個瓦振速度值作為保護跳機條件，軸振僅作參考，且用橫向和縱向矢量合成的單峰值顯示。

(8)不設機械超速裝置，無隔膜閥，無安全油壓和超速保護電磁閥(overspeed protection controller，OPC)油壓設計，采用電子超速保護。

(9)潤滑油采用 ISO VG46透平油，比通常的VG32油粘度大，因此潤滑油進油溫度常控制在50℃以上。

(10)旁路容量為鍋爐最大連續蒸發量的55％。給水系統設置1臺30％容量的啟動電動給水泵和2臺50％容量的汽動給水泵，每臺汽動給水泵配置1臺電動給水前置泵，電動泵采用液力偶合器調節。

1.3 機組啟動控制技術

機組啟動常態過程為：啟動前機組輔助系統投運；鍋爐點火升溫、升壓，熱態沖洗，直到沖轉蒸汽品質合格；汽機主蒸汽閥體及高中壓汽缸預暖，滿足沖轉應力條件；汽機沖轉，摩擦檢查，升速及定速；電氣試驗及并網帶負荷，直至滿負荷運行［6］。

該型汽輪機啟動設計根據可變的溫度準則(X準則)［7］，按照設定的汽輪機啟動子控制組(sub group control，SGC)步序，自動啟動、升速及帶負荷。機組數字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統根據監測到的蒸汽溫度、閥門溫度及汽缸溫度，由汽輪機應力估算(turbine stress estimation，TSE)系統自動計算出高壓主汽閥殼、高壓調節門閥殼、高壓汽缸、高壓轉子和低壓轉子等部件的熱應力［8］。根據其與部件材料所能承受的最大熱應力的差值來設置機組的熱應力變化率，在部件應力限制范圍內，允許汽輪機在最佳時間內啟動所需的蒸汽工況，即實現機組升速及帶負荷速率的最優控制。冷態啟動時從高、中壓缸和閥門的預暖開始，按照啟動程序的步序自動沖轉，開啟高壓主汽門、中壓主汽門，再開啟高壓調節門、中壓調節門，汽輪機沖轉升速。極冷態啟動時汽輪機暖機轉速為360 r/min，保持1 h。其他狀態啟動通常在5 min內就可以定速至3 000 r/min。啟動過程不考慮汽缸脹差限制。

2 試運中出現的主要問題

2.1 鍋爐蒸汽吹管問題

鍋爐吹管采用二段法降壓吹管方式［9］，用等離子點火。第1段吹掃過熱器系統，分2個階段，第1階段吹掃過熱器減溫水管道，完成對過熱器受熱面的充分加熱；停爐12 h后進行第2階段過熱器系統正式吹掃。第2段串吹過熱器、再熱器系統，也分2個階段，第1階段吹掃再熱器減溫水管道并充分加熱再熱器受熱面；停爐12 h后再進行第2階段過熱器、再熱器系統串吹，最后經打靶驗收。吹管時，當分離器的壓力達到8 MPa，過熱器出口溫度為380～420℃時，全開臨時控制門；當分離器壓力降到 5.0～5.5 MPa時，全關臨時控制門。

吹管過程中暴露問題較多，如主汽閥堵閥組件失去緊力而松脫，導致堵汽不嚴；臨時沖管系統的兩側管道阻力不一致、沖管門關閉不嚴、沖管門卡澀、閥門驅動電機燒壞、靶板拆卸困難及管道裂紋漏汽等。

主汽閥堵閥松脫導致漏汽的原因是：高、中壓堵閥結構存在缺陷，緊固工藝設計強度不足，現場安裝時考慮不周。如圖2所示，首先，堵閥保護蓋及支撐板凸出于進汽口，處于汽流垂直沖刷位置，沒有采取能減少沖刷流阻的流線型設計，在高溫、高壓蒸汽連續的沖刷作用下，使保護蓋和螺栓脫落。其次，堵閥保護蓋的螺釘設計為M14×40，直徑較小，強度偏弱，且螺釘頭沒有采取沉頭方式，直接暴露在汽流中，在冷、熱交變應力及汽流不斷沖刷下，極易斷裂。再者，吹管過程中蒸汽溫度冷、熱變化對堵閥各部件會產生交變應力作用，其緊固狀態容易產生變化而導致松動，使蒸汽泄漏。兩側臨時沖管門關不嚴，導致系統升壓時間延長，吹管周期延長，使堵閥一直處于汽流不斷沖刷的惡劣環境之下，各部件容易產生金屬疲勞。后來采取了圓周滿焊保護蓋、將緊固螺釘做成沉頭(或削平再焊實)等措施，保證了主汽閥堵閥的嚴密性。

圖2 主汽閥堵閥結構示意Fig.2 Schem atic diagram of block valve's structure of main steam valve

臨時沖管系統A、B側消音器排放面積相差較大，導致兩側管道流阻及流速存在偏差。兩側的臨時沖管門型號不一致，驅動力矩不足，導致開啟特性存在差異。管道裂紋是焊接中熱處理工藝控制不良導致的。通過更換質量好的沖管門并嚴格控制管道焊接熱處理工藝后問題消除。

2.2 鍋爐爐水循環泵損壞問題

機組給水系統設計有爐水循環泵(boiler circulating pump，BCP)在鍋爐吹管時正常投運。由于該泵是豎直安裝在鍋爐制粉系統附近，運行中各監視參數正常，現場巡檢未聽到泵體有異聲。但在吹管結束后的檢查中發現鍋爐啟動系統混合球濾網大部分螺栓脫落，脫落物隨工質落入BCP及省煤器給水管道。在BCP泵殼內發現1根斷裂的螺栓，并且發現泵殼密封面、葉輪等有一定程度的損壞。

爐水循環泵損傷是混合球內濾網脫落后部分散落件落入泵內所致，而混合球濾網脫落的主要原因是濾網各固定螺栓未按照要求進行點焊，也未安裝彈簧墊片。高速水流沖刷和沖管過程中混合球內工質溫度的劇烈變化，導致螺栓松動，并在長時間外力作用下脫落。混合球為整體出廠部件，到達現場后將接口與鍋爐啟動系統相關管道焊接后即可應用，因此其工藝缺陷出廠時即已存在，現場安裝前未作細致檢查而留下了隱患。處理方式：整泵返廠維修。

2.3 電動給水泵振動異常問題

電動給水泵在首次試運時振動監測系統顯示軸振大，就地測試泵體振動也大。重新翻瓦檢查并調整中心，振動仍然大。現場做振動專項測試，發現振動增大主要是15 Hz左右的低頻振動成分，結合當時由于鍋爐不具備進水條件，采用再循環啟動的運行方式，診斷為電動泵振動原因不在泵體而在流體不足或管系堵塞方面。經仔細檢查，發現是因再循環流量調節閥濾網嚴重堵塞、變形，再循環流量大幅減少，導致電動泵出口流量不足，引起泵體低頻振動。經處理濾網后，泵體低頻振動故障消除，就地測試泵體振動合格。

電動泵軸振測量系統存在異常的原因是：該泵制造廠首次將振動監測系統由以前監測殼體振動改為監測轉軸相對振動，采用渦流傳感器測量振動位移。但裝配的渦流傳感器因軸向安裝間距不足2.5倍探頭直徑長度，根據渦流傳感器測量原理，傳感器受其鄰近金屬的感應電流影響明顯，振動示值不準，導致軸振測量系統從泵啟動就顯示振動值大，并隨轉速增大而基本不變，誤導運行人員監控。后更換測量系統，軸振顯示異常問題解決。

2.4 給水泵汽機問題

(1)給水泵汽機沖轉前退出盤車運行問題。給水泵汽機在沖轉前按程序需將盤車的“沖轉準備”投入，盤車轉速會降低至10 r/min左右。實際上給水泵汽機沖轉前需要啟動前置泵運行，而前置泵的投入會使該機的轉速維持在110 r/min左右，盤車電機轉速的降低會使盤車嚙合齒輪退出，但給水泵汽機轉子也會因前置泵提供的驅動力保持轉速110 r/min左右。為了保護盤車裝置，采取了沖轉前先退出盤車運行，待轉子停止后啟動前置泵再進入沖轉程序。

(2)A汽泵非驅動端徑向軸承和推力軸承溫度偏高問題。運行中兩者溫度均為85℃左右，雖在廠家的要求范圍之內，但也處于報警邊緣。經過現場測量軸承回油溫度也較高，分析認為軸承潤滑油流量不足引起軸瓦溫度稍高。處理方法：將此軸承潤滑油進油節流孔孔徑適度加大，增大軸承進油流量。

此外，給水泵汽機B軸封供汽溫度一直顯示為110℃左右，而同樣的供汽A軸封供汽溫度顯示為200℃以上。經現場檢查確認B小機軸封供汽溫度測點安裝位置錯誤，此測量元件安裝在蒸汽管道的死角位置，即蒸汽不流通的位置，測量值雖然準確但不是真正的軸封蒸汽溫度。更改后正常。

2.5 大聯鎖試驗問題

在機、爐、電大聯鎖試驗中，各主設備動作正常，但在發電機跳閘聯跳汽機、鍋爐后，DEH控制系統首出為鍋爐保護；在操作臺上手動打閘汽機后，DEH系統首出也為鍋爐保護。檢查發現：發電機保護和操作臺手動停機信號是通過通訊模件后再進入DEH首出模件，與其余的跳閘信號進入DEH系統首出模件的回路不同，由于回路采樣和計算時間上的差異，導致DEH系統側首出信號的錯誤判斷。處理措施：新增DEH系統側首出信號測點通道，讓原來通過通訊模件后再進入DEH系統首出模件的信號直接采用硬接線進入DEH系統首出模件。

3 1 000 MW機組啟動試運關注點

3.1 關于鍋爐吹管技術

1 000 MW超超臨界機組由于蒸汽參數高、流量大，因此安全、有效地做好鍋爐蒸汽吹管工作，是機組啟動試運的重要內容［10-11］。吹管過程中下列幾方面需要注意。

(1)制定科學的吹管方案。明確是采用降壓吹管還是穩壓吹管，是帶主汽門吹管還是物理隔離主汽門吹管，明確臨時管道的布置和空間走向。由于鍋爐蒸汽吹管需要布置許多臨時管道和閥門，合理預留足夠的安裝空間是機組設備、管道安裝期間就需要注意的問題。在初步設計階段，調試單位就應該參與進來，提前確定機組的鍋爐吹管方案，明確機組臨時管道的布置，避免與其他主要設備存在位置沖突。不同廠家的機組，主汽門參與吹管時的堵汽方式不同，堵閥的設計結構也不一樣，對高溫、高壓、多次數、大流量蒸汽吹管的耐受程度不一樣，因此需要分析和評估。事實證明，1 000 MW機組主汽門堵閥結構不適合帶主汽門吹管的方式，堵閥的緊固工藝不安全，在吹管中容易發生堵閥松動或脫落導致蒸汽漏入汽缸的問題。因此，對該型機組最保險的做法是不帶主汽門吹管，物理隔離，并且盡可能采用穩壓吹管，在相對低的蒸汽壓力下達到吹管效果，降低安全控制風險。

(2)嚴格檢查臨時沖管設施的安全可靠性，包括管道、閥門、消音器、靶板等。加強對管道支架、限位器等冷態和熱態膨脹的檢查，對臨時管道的材質、焊接工藝要進行檢查，雙側消音器管道系統的流阻應均衡。這些工作是減少吹管時爆管、漏汽、門卡、膨脹受阻、吹管系數低等常見問題的根本。

(3)按方案嚴格對吹管進行過程控制，不冒進。確保所有參與吹管的系統、設備具備遠程操作、遠程監視的功能。吹管中加強現場設備巡檢，特別是對臨時沖管設備應充分利用現代監視手段。如對易爆管部件加裝熱電偶，監視壁溫變化；在臨時沖管門及人員不能靠近檢查的區域加裝攝像頭，采用視頻監控。操作中加強參數控制和過程協調，確保拆裝靶板安全，對吹管中出現的異常情況要徹底追查原因。

3.2 關于大軸抱死問題

隨著制造工藝的日益提高，為了取得最佳的熱效率，超超臨界機組的動靜間隙設計較小。上海汽輪機有限公司引進西門子技術制造的1 000 MW汽輪機也不例外，由于轉子與靜子部件的軸封間隙設計小，運行中對軸封蒸汽溫度的控制要求相對嚴格，如果軸封蒸汽溫度與汽缸和轉子的溫度偏差過大，極易引起動靜部件摩擦，導致軸系振動異常。本工程1號機組曾多次出現因軸封蒸汽溫度超過330℃而導致動靜間隙摩擦，出現振動異常波動。同時，由于該型機組采用液壓裝置作為盤車驅動裝置，盤車力矩相比電動盤車力矩小，若在停機過程發生動靜摩擦，轉軸產生臨時熱彎曲變形，極易導致大軸抱死問題。

4 結語

上海汽輪機有限公司引進西門子技術制造的1 000 MW汽輪機具有獨特的結構特點和基于可變的溫度準則的自動啟動性能。本文結合該型機組啟動、試運情況，分析了試運過程中出現的問題，同時就目前1 000 MW機組啟動、試運的關注點提出了看法，希能為同類電站機組啟動、試運提供借鑒。

［1］李繼軍.超(超)臨界火力發電技術的發展及國產化建設［J］.電力建設，2007，28(4)：60-66.

［2］朱寶田.三種國產超超臨界1 000 MW機組汽輪機結構設計比較［J］.熱力發電，2008，37(2)：1-8.

［3］上海汽輪機有限公司.1 000 MW超超臨界汽輪機技術報告［R］.上海：上海汽輪機有限公司，2006.

［4］何阿平，彭澤瑛.上汽－西門子型百萬千萬超超臨界汽輪機［J］.熱力透平，2006，35(1)：1-7.

［5］孫式國.超超臨界1 000 MW機組運行調試關鍵技術研究［D］.濟南：山東大學，2009.

［6］陳模嘉.國產1 000 MW級機組調試技術新突破，100 MW/1 000 MW超超臨界機組技術交流會2009年年會論文集［C］.上海：華東火電技術交流網，2009：187-190.

［7］樊印龍，張寶.西門子百萬千萬級汽輪機啟動過程中的溫度制約［J］.熱力透平，2008，37(4)：282-284.

［8］祝建飛，姚峻，吳建平.1 000 MW超超臨界汽輪機熱應力監測及自動控制［J］.中國電力，2009，42(6)：21-24.

［9］李新虎.1 000 MW超超臨界鍋爐無爐水循環泵吹管可行性研究［J］.廣東電力，2010，23(12)：74-77.

［10］薛江濤，彭輝.東芝1 000 MW汽輪機的啟動運行及問題分析［J］.江蘇電機工程，2008，27(增刊)：52-54.

［11］葉紹義.華能玉環電廠1 000 MW超超臨界汽輪機調試出現的問題及對策［J］.電力建設，2007，28(11)：76-81.