660?MW汽輪機機組軸封系統(tǒng)控制方式分析

方 立，代軍科，孫泉榮，金純鋼

(1.中國華電集團公司望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

660?MW汽輪機機組軸封系統(tǒng)控制方式分析

方 立1，代軍科2，孫泉榮2，金純鋼2

(1.中國華電集團公司望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

介紹了西門子660 MW超超臨界機組軸封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及其壓力、溫度控制方式和汽封禁供的條件，分析了機組在運行過程中遇到的問題，并提出了相應(yīng)的處理建議，對提高機組安全穩(wěn)定運行具有一定的作用。

軸封系統(tǒng)；壓力控制；溫度控制；汽封禁供

1 軸封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某發(fā)電廠3，4號汽輪機采用由上海汽輪機有限公司引進德國西門子技術(shù)設(shè)計制造的660 MW超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、反動凝汽式汽輪機組。

汽輪機的軸封系統(tǒng)主要由軸封母管、低壓汽封漏汽母管、汽封進汽閥、汽封溢流閥、軸封冷卻器、軸抽風(fēng)機等部件組成。軸封蒸汽系統(tǒng)主要有2路汽源：一路來自備汽母管，另一路來自高排汽；2路汽源經(jīng)調(diào)溫、調(diào)壓后接至軸封母管，作為軸封系統(tǒng)的備用汽源。

圖1 軸封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軸封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，高壓缸前軸封由5段4個汽室組成，后軸封由4段3個汽室組成，其第2個前軸封汽室和第1個后軸封汽室內(nèi)的漏汽直接引至中壓缸排汽管，第3個前軸封汽室和第2個后軸封汽室與軸封母管相連，而第4個前軸封汽室和第3個后軸封汽室的漏汽通過高壓缸軸封回汽管道匯集至低壓汽封漏汽母管；中壓缸及低壓缸的前、后端軸封均由3段2個汽室組成，兩端第1個軸封汽室與軸封母管相連，兩端第2個軸封汽室內(nèi)的漏汽匯集至低壓汽封漏汽母管。

2 軸封系統(tǒng)控制方式

2.1 軸封系統(tǒng)的壓力控制

軸封系統(tǒng)的壓力控制的特點為：汽封進汽閥和汽封溢流閥由同一個PID控制器通過控制軸封母管的壓力來控制各自的開度，PID輸出總指令與各自閥位的開度指令的關(guān)系如圖2所示。運行人員可根據(jù)需要將壓力控制方式在閉環(huán)自動和開環(huán)手動方式下進行無擾切換，當(dāng)2個“軸封母管壓力”變送器都出現(xiàn)壞信號時，壓力控制方式切至手動方式。

圖2 PID指令與汽封進汽閥和溢流閥閥位的開度指令關(guān)系

當(dāng)機組在啟動或低負荷運行時，備汽或者高排汽2路汽源經(jīng)調(diào)溫、調(diào)壓后的蒸汽通過汽封進汽閥進入軸封母管，軸封母管壓力由軸封母管壓力1和2這2個壓力變送器所測的壓力取小得出。軸封母管實際壓力與軸封母管壓力設(shè)定值35 mbar經(jīng)壓力控制PID計算后，得出PID輸出總指令，輸出汽封進汽閥與汽封溢流閥指令，使得軸封母管壓力維持在35 mbar。

隨著機組負荷的增加，高、中壓缸軸封漏汽和高、中壓缸進汽閥的門桿漏汽也相應(yīng)增加，致使軸封蒸汽壓力上升，汽封進汽閥逐漸關(guān)小，以維持軸封母管壓力正常值35 mbar。為了避免出現(xiàn)汽封進汽閥關(guān)閉而汽封溢流閥還未開啟的情況，即2個閥門切換時出現(xiàn)同時關(guān)閉的臨界情況，引入了5 %的“重疊度”，即當(dāng)汽封進汽閥開度指令減小至5 %時，汽封溢流閥就開啟，避免了在出現(xiàn)2閥同時關(guān)閉的臨界情況時，因負荷波動等因素造成汽封進汽閥和汽封溢流閥頻繁切換開關(guān)而引起的軸封母管壓力波動，從而提高了調(diào)節(jié)的性能。

當(dāng)汽封進汽閥全關(guān)時，汽封溢流閥開度為5 %，軸封系統(tǒng)的汽源切換為高、中壓缸軸封漏汽和高、中壓缸進汽閥的門桿漏汽。此時，軸封母管壓力完全由汽封溢流閥控制，汽封溢流閥將多余的蒸汽排放至凝汽器。同時，低壓汽封漏汽母管中的汽體被排入軸封冷卻器，回汽在軸封冷卻器中冷凝。軸封冷卻器處配有2臺軸抽風(fēng)機，互為切換備用，用以抽出軸封冷卻器中的空氣，確保軸封冷卻器的微真空。軸封系統(tǒng)中還設(shè)置了許多疏水閥門，以便及時排出在軸封系統(tǒng)剛啟動時由于暖管而形成的水，避免其危害整個系統(tǒng)的安全。

2.2 軸封系統(tǒng)的溫度控制

2．2．1 汽封進汽閥前溫度控制

為了確保汽輪機本體部件的安全，機組對汽封供汽的壓力和溫度有一定的要求。因為供汽溫度如果與汽輪機本體部件溫度(特別是轉(zhuǎn)子的金屬溫度)差別太大，將使汽輪機部件產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，會加劇汽輪機部件的壽命損耗，同時還會造成汽輪機動、靜部分的相對膨脹失調(diào)，直接影響汽輪機組的安全。為此，在汽封進汽閥前配有軸封減溫調(diào)整門，用來調(diào)整“汽封進汽閥前溫度”(由汽封進汽閥前溫度1、汽封進汽閥前溫度2取大得出)，使其與高壓轉(zhuǎn)子平均溫度相匹配，如圖3所示。

2．2．2 軸封母管溫度控制

軸封母管上共有2個溫度測量元件，其中“軸封母管前溫度”用來監(jiān)測高壓缸段的軸封蒸汽，“軸封母管后溫度”用來監(jiān)測低壓缸段的軸封蒸汽。該發(fā)電廠軸封系統(tǒng)主要通過控制“軸封母管后溫度”來控制母管溫度。

機組冷態(tài)啟動時，由于此時母管溫度較低，當(dāng)“軸封母管后溫度”低于115 ℃時，自動將壓力控制PID中的輸出上限設(shè)置為30 %(即汽封進汽閥開度最大為25 %)，以防止因壓力需要而過分開大汽封進汽閥，進而加大進入軸封母管的蒸汽量，增大進汽與汽輪機轉(zhuǎn)子的溫差，使轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。當(dāng)軸封母管后溫度高于115 ℃時，PID輸出上限設(shè)置為105 %，使其不會因為“軸封母管后溫度”過低而限制汽封進汽閥的開度。

機組正常運行時，保持“軸封母管后溫度”在220～325 ℃。如果進入低壓缸端的軸封蒸汽溫度過高，會使低壓缸軸頸溫度上升，引起軸的局部熱應(yīng)力，造成轉(zhuǎn)動部分與軸承的碰擦，從而引起振動加大；如果 “軸封母管后溫度”超過330 ℃，打開汽封進汽閥，利用備汽或者高排汽2路汽源經(jīng)調(diào)溫、調(diào)壓后的蒸汽對軸封母管進行減溫。“軸封母管后溫度”與汽封進汽閥閥位指令的關(guān)系如圖4所示。溫度控制始終處于自動監(jiān)視狀態(tài)，僅當(dāng)“軸封母管后溫度”出現(xiàn)壞信號時，溫度控制失效。

圖4 軸封母管后溫度與汽封進汽閥閥位指令的關(guān)系

將溫度控制得出的汽封進汽閥指令與軸封母管壓力控制PID得出的汽封進汽閥指令相比較，取較大值作為汽封進汽閥的最終閥位指令，如圖5所示。即當(dāng)溫度控制得出的汽封進汽閥指令大于軸封母管壓力控制PID得出的指令時，溫度控制優(yōu)先，反之則壓力控制優(yōu)先。例如：在軸封系統(tǒng)自密封后，壓力控制PID輸出為-30 %，根據(jù)圖2關(guān)系汽封進汽閥閥位指令為0，汽封溢流閥閥位指令為35 %。如果此時軸封母管后溫度上升為331 ℃，根據(jù)圖5的關(guān)系汽封進汽閥閥位指令為10 %，2個汽封進汽閥指令取大，最終指令為10 %(即軸封母管溫度控制優(yōu)先于軸封母管壓力控制)，從而起到給軸封母管減溫的作用；而此時軸封母管的壓力勢必增大，軸封壓力控制PID輸出為-35 %，使汽封溢流閥開大到40 %，以維持35 mbar軸封母管壓力。

所謂的數(shù)字簽名，也稱之為電子簽名，指的是指附加在發(fā)送文件中的一組特殊的符號，通過對原文本進行一系列的混合運算，可以被接受者驗證該文件是否被篡改或者偽造。

圖5 軸封系統(tǒng)控制示意

2.3 汽封禁供

汽封禁供的條件如圖6所示，當(dāng)發(fā)生汽封禁供時，將汽封進汽閥指令設(shè)置為-5 %，使其更可靠地關(guān)閉。汽封禁供中特別要注意時刻保證汽封進汽閥前的溫度高于此閥前壓力下的飽和溫度5 ℃以上，以防止軸封系統(tǒng)在自密封前因汽封禁供造成低真空動作，使機組跳閘；同時防止軸封系統(tǒng)自密封后，當(dāng)軸封母管溫度超過330 ℃時無法打開汽封進汽閥，進而起到給軸封母管減溫的作用。

3 運行中出現(xiàn)的問題分析及建議

(1) 該發(fā)電廠DEH(汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng))使用西門子T3000控制系統(tǒng)，其卡件底板為分段連接式，曾出現(xiàn)過因為底板連接處松動使一塊控制汽封進汽閥和汽封溢流閥的指令的模擬量輸出AO卡失電，導(dǎo)致汽封進汽閥失電全關(guān)而汽封溢流閥全開的情況，造成了真空在50 s內(nèi)由-93 kPa跌至-87 kPa，險些造成跳機，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。

圖6 汽封禁供的條件

大修時，在汽封溢流閥校驗的過程中，發(fā)現(xiàn)汽封溢流閥調(diào)節(jié)指令和現(xiàn)場反饋一致，且此閥門在汽源失去時，能依靠其汽源裝置上的閉鎖閥使汽封溢流閥關(guān)閉。但是在現(xiàn)場閥門接線發(fā)生斷線或者DEH控制柜卡件底板故障，從而引起卡件失電的情況下，此閥門將立即處于全開位置。當(dāng)軸封系統(tǒng)進入自密封狀態(tài)，汽封進汽閥關(guān)閉，汽封溢流閥開啟調(diào)節(jié)軸封母管壓力時，如發(fā)生上述情況，會使汽封溢流閥全開，并且由于溢流管路較粗，會造成汽輪機真空的急速下跌，進而發(fā)生跳機的危險。

為了保護機組安全，汽封溢流閥在現(xiàn)場定位器失電或者汽源失去時，應(yīng)處于全關(guān)的安全位置。聯(lián)系廠家安裝人員得知，由于當(dāng)時調(diào)試人員在調(diào)試此閥門時無法將其指令與現(xiàn)場反饋相一致，因此，直接將DEH組態(tài)中此閥門的輸出指令4～20 mA對應(yīng)正常閥門開度“0～100 %”，改成對應(yīng)“100 %～0”，以保持指令與反饋一致，但卻未考慮此閥門的安全位置(在其他同類型機組調(diào)研時也發(fā)現(xiàn)有此類的情況）。

該發(fā)電廠汽封溢流閥為上下氣缸式調(diào)節(jié)型閥門，使用的閥門定位器為DVC6000型智能定位器，此定位器在控制電源失去時，定位器的“A”口壓力為“0”，“B”口壓力為汽源壓力，而調(diào)試人員未考慮閥門失電時的安全位置，錯誤地將定位器的“A”口接閥門上氣缸，“B”口接閥門下氣缸，致使閥門在失電的情況下全開。對現(xiàn)場定位器管路進行修改，將“A”口接下氣缸，“B”口接上氣缸，DEH組態(tài)中此閥門的輸出指令4～20 mA恢復(fù)成對應(yīng)正常閥門開度“0～100 %”后，重新對汽封溢流閥進行校驗，使此閥門在失電時處于“關(guān)”的安全位置。

軸封母管壓力上升，會對汽機大軸中心線高度有一定的影響，導(dǎo)致油膜振蕩進而引起振動增大；“軸封母管后溫度”上升，會導(dǎo)致進入低壓缸端的軸封蒸汽溫度過高，使低壓缸軸頸溫度上升，產(chǎn)生軸的局部熱應(yīng)力和熱膨脹，造成轉(zhuǎn)動部分與軸承的碰擦，從而引起振動增大。

該發(fā)電廠4號機組經(jīng)常出現(xiàn)以上情況，而3號機組則沒有出現(xiàn)，經(jīng)對比現(xiàn)場壓力變送器安裝位置發(fā)現(xiàn)，3號機組的2個壓力變送器垂直安裝在軸封母管的正上方，而4號機組的2個壓力變送器則安裝在軸封母管的側(cè)下方。4號機組的這種安裝方式容易使得測量管路中積水，造成測量不準(zhǔn)。在檢修時將4號機組的安裝方式改成與3號機組一致，解決了上述問題。

(3) 該發(fā)電廠參與軸封母管溫度控制的點只有“軸封母管后溫度”這一個點，一旦此點出現(xiàn)壞信號，溫度控制就將失效。因此，建議在同一位置再加裝1個溫度元件，以增加“軸封母管后溫度”測量的可靠性。

參考文獻:

1 畢華南，李紅艷．660 MW機組軸封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行分析[J]．華電技術(shù)，2009(10)．

2014-06-12。

方 立(1985-)，男，助理工程師，主要從事發(fā)電廠熱工控制運行維護和管理工作，email：51358974@qq．com。

代軍科(1976-)，男，工程師，主要從事熱力發(fā)電廠汽輪機組生產(chǎn)運行和啟動調(diào)試工作。

孫泉榮(1963-)，男，高級工程師，主要從事熱力發(fā)電廠汽輪機組生產(chǎn)運行和啟動調(diào)試以及發(fā)電機組熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性研究和性能分析工作。

金純鋼(1973-)，男，工程師，主要從事熱力發(fā)電廠熱工控制研究與機組性能試驗和啟動調(diào)試工作。