西門子超超臨界汽輪機跳閘條件分析

謝尉揚

(浙江浙能能源技術有限公司，杭州市，310052)

0 引言

上海汽輪機有限公司引進德國西門子公司技術，在國內生產(chǎn)和投運了大量1 000 MW和660 MW超超臨界汽輪機組。西門子超超臨界汽輪機主要技術特點有:單軸四缸四排汽;反動式機型;全周進汽+補汽閥調節(jié);高壓缸為單流向、內外缸，外缸為桶形、內缸為垂直中分結構;中壓缸為雙流向、內外缸、水平中分結構;2個低壓缸均為雙流向、三層缸體、水平中分結構;2個低壓內缸及與中壓缸的連接采用推拉桿方式;低壓外缸與凝汽器剛性連接;落地式軸承，軸系采用單軸承N+1支承模式。這些特點決定了西門子超超臨界汽輪機結構緊湊，啟動應力低、脹差小、速度快，并且機組效率高、運行平穩(wěn)、負荷適應能力強。

1 汽輪機故障處理

為保護超超臨界汽輪機設備(包括發(fā)電機及勵磁機)安全運行不受損壞，機組運行中發(fā)生故障需要停機時，一般按不同故障情況進行處理:(1)出現(xiàn)緊急故障，如汽輪機超速、潤滑油壓低、凝汽器壓力高等，嚴重危及機組安全，汽輪機組直接跳閘;(2)發(fā)生嚴重設備安全故障，如汽輪機軸封或油擋冒火花、汽輪機內部有明顯的金屬撞擊聲、汽輪機發(fā)生水沖擊、主蒸汽或再熱蒸汽溫度10 min內突降50℃、機組周圍著火、主機潤滑油或發(fā)電機密封油大量噴泄等，緊急手動停機;(3)發(fā)生故障或運行參數(shù)接近控制限值，還不會立即造成嚴重后果，如汽輪機脹差接近限值、汽水品質惡化、油質惡化、油箱液位很低、密封油油氫差壓無法維持、定子線圈溫差或線圈出水溫差超限等，采取措施后仍無法控制，應進行故障停機。

2 汽輪機跳閘保護

西門子公司設置了大量的汽輪機直接跳閘保護，這些保護除滿足有關標準要求外，還增加了大量汽輪機組常規(guī)保護中沒有的內容，從而大大提高了汽輪機運行的安全性，但也增加了機組跳閘的概率，降低了機組運行的經(jīng)濟性。西門子公司設置的跳閘保護見表1。有些電廠根據(jù)實際情況以及對保護的理解，已經(jīng)對部分保護進行了修改或刪除。為便于對照，表1也列出了日立超超臨界汽輪機、東芝超超臨界汽輪機的跳閘保護條件，以及 IEC 60045－1:1991、JIS B8101:2003和DL/T 892—2004標準的要求［1-3］。從表1可知，第1～13項是常規(guī)保護內容，其余各項為非常規(guī)保護內容，本文將對后者分類進行討論。

表1 超超臨界汽輪機跳閘保護Tab.1 Trip protection of USC turbine

3 非常規(guī)汽輪機跳閘保護分析

3.1 汽溫保護3項

汽溫保護3項即為低壓缸排汽溫度高、高壓葉片溫度高(有些廠家稱為“高壓缸排汽溫度高”)、主汽溫度高。

低壓缸排汽溫度高是為了保護汽輪機低壓葉片，防止由于鼓風引起葉片高溫而損壞，是汽輪機廠家設置的常規(guī)保護，但在IEC 60045－1:1991，JIS B8101: 2003和DL/T 892—2004中未作直接跳閘要求。高壓葉片溫度高是防止機組甩負荷后且再熱壓力較高時出現(xiàn)的高溫，保護汽輪機高壓葉片以及汽缸。主汽溫度高是防止溫度過高引起主汽門、汽缸、葉片和轉子等材料強度降低。由于溫度的升高不是一個突變過程，不一定設置為自動跳閘保護。當發(fā)現(xiàn)溫度超標后應立即采取措施，如果無法控制，可以手動緊急停機。

3.2 液位保護5項

液位保護5項即為主油箱液位高、主油箱液位低、控制油箱液位低、凝汽器水位高、發(fā)電機檢漏儀液位高。

主油箱液位升高可能原因是油系統(tǒng)進水(如冷油器泄漏)。進水后，液位緩慢上升，導致潤滑油乳化，從而降低潤滑油的粘度，造成軸承潤滑油油膜厚度減薄甚至破壞，可能會使軸承金屬溫度上升甚至燒瓦。由于液位上升有一個過程，潤滑油的粘度也不會突然下降，當主油箱液位升高時運行人員已經(jīng)在采取措施，故主油箱液位高不必設置自動跳閘。主油箱液位升高也可能是相連的其他油系統(tǒng)漏油過來所致，則更不必跳閘汽輪機。

主油箱液位降低是油系統(tǒng)泄露造成的，如果是壓力油系統(tǒng)泄漏(如法蘭泄漏)，若泄漏量大，液位下降很快，并且現(xiàn)場也無法有效處理，應緊急停機。若泄漏量小，且能夠處理，則無需停機。如果是非壓力油系統(tǒng)泄漏，液位下降不會很快，有足夠時間進行處理，也不必立即停機。對于主油箱液位低保護，為防止非因液位急速下降而跳閘汽輪機，可以增加一個液位下降速率判斷信號。

控制油箱液位低是由于油系統(tǒng)泄漏或蓄能器氣囊破裂引起，控制油箱液位低并不直接影響汽輪機的安全運行，當油位低到控制油泵跳閘時，由于控制油壓低，汽輪機也會自動跳閘，因而可以取消該保護。

凝汽器水位信號取自熱井液位，凝汽器水位高可能是熱力系統(tǒng)回水或除鹽水補充造成，這并不影響凝結水水質，而且由于凝汽器容積巨大，水位不會快速上升，這期間有充足的時間可以處理。對于汽輪機高位布置向下排汽，凝汽器布置在下方的，即使水位上升到淹沒凝汽器冷卻管，首先受影響的也是凝汽器背壓，當背壓不能維持時汽輪機也會自動跳閘。如果汽輪機低位布置軸向排汽，凝汽器也是軸向布置，為防止末葉進水，凝汽器水位高跳閘有一定的合理性。凝汽器水位高也可能是由于循環(huán)冷卻水大量泄漏造成，在線水質分析儀能及時發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)相應情況采取措施，如果需要故障停機處理，手動跳閘也來得及，因而可以取消凝汽器水位高跳閘信號。

發(fā)電機檢漏儀安裝在發(fā)電機下方，是數(shù)個僅有幾L容積的小容器，當容器中液體達到相應刻度時發(fā)出液位高信號，即使由于上部液體泄漏較快，液位快速上升到發(fā)電機定子底部，由于定子底部(包括出線端)有相當大的空間，也不致使發(fā)電機定子鐵芯、線圈或轉子馬上損壞，運行人員有足夠的時間進行故障處理，若無法處理可故障停機，因而發(fā)電機檢漏儀液位高跳閘保護可以取消。

3.3 定冷水保護2項

定冷水保護2項即為定冷水流量低和定冷水溫度高。

定冷水流量低的原因有調節(jié)閥故障、水泵故障、過濾器堵塞、線圈內部堵塞等，將引起定子線圈和鐵芯的發(fā)熱量無法及時帶走，造成溫度升高絕緣損壞，甚至線圈燒損，因而必須保護。但發(fā)熱量與發(fā)電機負荷有直接關系，不根據(jù)溫升情況直接跳閘過于保守，只要定冷水流量沒有中斷，都可以通過先減負荷來保證發(fā)電機安全，然后再查找原因進行處理。在IEC標準中，對由發(fā)電機或其輔助系統(tǒng)引起的跳閘，特別舉例為定冷水失去，而不是定冷水流量低。在JIS標準中，對由發(fā)電機系統(tǒng)異常引起的跳閘，已經(jīng)刪除了定冷水失去跳閘的要求。建議修改該保護，可先根據(jù)定冷水流量或線圈溫度來限制發(fā)電機負荷，而不是直接跳閘，只有在定冷水完全失去時才直接跳閘汽輪機。

定冷水溫度高就跳閘汽輪機過于謹慎，線圈進口的定冷水溫度高一般是由于換熱器一次冷卻水側流量不足、二次側調節(jié)閥故障或冷卻器結垢等原因引起，實際上真正對發(fā)電機安全有影響的是線圈層間溫度和線圈出水溫度，如果遇到這種情況，即使原因不清、無法及時處理也可以先通過減負荷來保證安全運行，不需要直接跳閘。

3.4 風溫保護2項

風溫保護2項即為氫冷器出口氫溫高和勵磁機熱風溫度高。

氣側溫度高可能是由于冷卻器的冷卻水流量不足、內部積氣、內部結垢等原因引起，這些原因不會引起氣側溫度突升，運行人員有足夠時間進行處理，在無法及時處理時也可以先減負荷來保證機組安全運行，不需要直接跳閘。

3.5 控制油壓力高保護

控制油壓力高保護信號出現(xiàn)的可能原因包括油泵故障、泄壓閥故障或壓力測量回路故障，應先檢查原因，或者切換油泵運行，不需要直接跳閘。

3.6 潤滑油及控制油緊急停運按鈕動作

當發(fā)現(xiàn)油系統(tǒng)泄漏或火災事故或油箱液位低時才動作，至于油系統(tǒng)泄漏及油箱液位低，應根據(jù)具體情況判斷是否需要動作該按鈕。潤滑油緊急停運按鈕動作后主油泵停運，直流潤滑油泵自動啟動，控制油緊急停運按鈕動作后控制油泵停運，不管哪個按鈕動作，汽輪機必須跳閘。

4 結語

汽輪機跳閘保護設置的目的是為了保證汽輪機的安全運行，過多的保護雖然提高了機組運行的安全性，但也會增加汽輪機組跳閘的次數(shù)，降低機組運行的經(jīng)濟性。當故障發(fā)生時，如果來不及處理就要影響機組的安全性，則必須直接跳閘汽輪機。由于故障發(fā)生前已經(jīng)有報警信號，如果運行人員采取措施后能夠控制故障狀態(tài)，并能保證機組安全運行的，則可以不用直接跳閘汽輪機。除常規(guī)的汽輪機跳閘保護外，西門子公司設置的許多非常規(guī)汽輪機跳閘保護可以取消或進行優(yōu)化。運行人員加強運行監(jiān)護，提高故障處理能力，可以保證汽輪發(fā)電機組的安全運行。

［1］IEC 60045－1—1991 Steam turbines part 1:specifications［S］.Geneva，Switzerland:IEC，1991.

［2］JIS B8101—2003蒸気タ－（Ⅳ）ン一般仕様［S］.東京:日本規(guī)格協(xié)會，2003.

［3］DL/T 892—2004電站汽輪機技術條件［S］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］GB/T 5578—2007固定式發(fā)電用汽輪機規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2007.

［5］DL/T 332.2—2010塔式爐超臨界機組運行導則第2部分:汽輪機運行導則［S］.北京:中國電力出版社，2011.

［6］1000 MW超超臨界中間再熱凝汽式蒸汽輪機說明書［R］.上海:上海汽輪機廠，2008.

［7］N 1000—25.0/600/600型汽輪機運行說明書［R］.四川德陽:東方汽輪機廠，2006.

［8］CCLN 1000—25/600/600型汽輪機運行說明書［R］.哈爾濱:哈爾濱汽輪機廠，2010.

［9］DL 5000—2000火力發(fā)電廠設計技術規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2001.

［10］GB 50660—2011大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［11］華洪.西門子1 000 MW超超臨界汽輪機的技術特點［J］.上海電力，2005，18(4):408-412.