300MW汽輪機機械超速遮斷裝置故障的分析及處理

林立人

摘要：機械超速遮斷是汽輪機電超速失效后防止超速的最后一道保障，本文分析了某電廠四號機組因機械超速遮斷系統故障機組多次跳閘的原因，提出了解決方法，從根本上保證了機組安全可靠運行。

關鍵詞：汽輪機；機械超速遮斷；跳閘；扭彈簧

概況

福建某電廠四號機組，采用引進型300MW亞臨界中間再熱凝汽式汽輪機，型號N300-16.7/538/538，制造廠家：上海汽輪機廠（引進美國西屋公司技術）。汽輪機機械超速遮斷系統隨主設備由上海汽輪機廠配套提供。機組于2006年5月投產，該機組在2012年連續三次因機械超速遮斷系統故障導致四號機組跳閘，嚴重影響到機組的安全可靠運行，鑒于此，有必要對機械超速遮斷系統故障進行深入地分析，提出解決方案，從而保障機組的安全可靠運行。

1.汽輪機機械超速遮斷系統介紹

機械超速遮斷系統基本由飛錘、超速遮斷滑閥、超速遮斷閥遙控及就地復位裝置、超速遮斷閥機構檢驗裝置、隔膜閥等組成（如圖1）。該機組的機械超速保護為飛錘式，飛錘重心不在轉子的中心線上，有一定的位移偏置，旋轉時可產生離心力，飛錘由彈簧壓在座上。正常運行時，因其離心力小于彈簧的預緊力而不能飛出。當轉子轉速超過一定數值（超速9%～11%），飛錘的離心力大于彈簧力，飛錘飛出，撞擊碰鉤，并帶動遮斷滑閥右移，泄去隔膜閥頂上的保安油壓，隔膜閥向上打開，快速泄去調節系統的安全油壓（AST），從而使各自動主汽門、調節汽門及各抽汽逆止門快速關閉，切斷汽機的全部進汽，防止轉速進一步上升，保護主機的安全。當轉速下降至接近額定轉速時，飛錘復位，可重新掛閘。

圖1 機械超速危急遮斷系統圖

注油試驗的目的是為了能在轉子不超速的情況下檢查飛錘動作是否正常。在注油試驗時，為了不使汽機停機，應在整個試驗過程中一直用手向外拉著試驗手柄，這樣可避免飛錘出擊時，隔膜閥頂上的保安油壓失去。注油試驗時，主油泵出口的壓力油經過注油試驗閥通過油管對轉子中心孔的噴嘴供油，通到飛錘的端面，油柱的離心力和油流速轉變壓力的雙重作用，使飛錘飛出，試驗成功。由于已對保安油進行隔離，僅是超速滑閥右移，脫扣復位手柄打至“脫扣”位置，而不會使隔膜閥頂部壓力失去。

圖2 注油試驗示意圖

2.存在問題

2012年3月25日，該電廠運行人員檢查發現#4機隔膜閥油壓表計顯示偏高（正常范圍為0.6～0.7 MPa），指針在紅線（0.8MPa）偏右位置，16：50，應發電部汽機專業要求，經部門同意按規程進行調整，由主值操作，值長助理監護，進行間斷性緩慢操作，操作過程加強觀察油壓變化，16：54，當隔膜閥壓力調節閥的手輪調整（關方向）約2/5圈，隔膜閥壓力表顯示在0.79MPa時，隔膜閥開啟，泄去安全油導致汽輪機跳閘。跳機后發現隔膜閥壓力表指針仍顯示在0.79MPa，表計拆下后依然卡在0.79MPa。聯系熱工更換#4機隔膜閥油壓表后，重新沖轉至3000轉/分鐘，并將隔膜閥油壓調至0.65MPa，20：47并網，20：53機組負荷約20 MW時，汽機再次跳閘，ETS上“就地打閘”信號發出。機組再次跳閘后，按照省調要求停機備用，于3月29日12：05重新并網運行（隔膜閥壓力調整至0.7MPa）。4月6日按計劃停機進行C級檢修。兩次機組跳閘處理耗油14.4噸，少發電量390萬千瓦時。

2012年5月7日夜班#4機組負荷300MW。7：00運行人員檢查發現#4機隔膜閥油壓降至0.65MPa（接班時為0.7MPa），匯報值長。發電部汽機專工將此情況通知設備部主任助理，設備部熱控檢修人員辦理工作票更換新壓力表，壓力表更換完畢，在恢復過程微開儀表閥門的瞬間，于11：08 #4機組因隔膜閥油壓低引起跳機。在確認#4機組跳機系因隔膜閥油壓瞬間降低引起，經省調同意，當日18：55#4機組重新并網運行。本次機組跳閘多耗油3.2噸，少發電量約154萬千瓦時。

3.原因分析

2012年3月25日第一次機組跳閘由于隔膜閥壓力表存在故障，運行人員又誤認為該表計正常，在調整隔膜閥油壓過程中隔膜閥打開導致機組跳閘。而緊接著發生的第二起和2012年5月7日發生的第三起機組跳閘都和機械超速遮斷系統動作的臨界值過低有一定的關系。

如圖1所示，當汽機就地復位掛閘時，將脫扣復位手柄向外推離轉子中心線（向左），使曲臂轉到掛扣位置，遮斷滑閥在油壓的作用下，被推向左側，停止泄油，使隔膜閥上的保安油壓力重新建立。正常隔膜閥上面的壓力被調整為0.6～0.7 MPa，這個壓力由于系統溢流閥微動作以及遮斷滑閥間隙漏油，實際到達遮斷滑閥閥芯的背壓將小于0.6～0.7 MPa，而復位扭彈簧的作用力與作用遮斷滑閥閥芯的背壓相反，所以正常情況時，隔膜閥上面壓力在低于0.35 MPa時，遮斷滑閥將被打開。

而試驗發現：四號機隔膜閥上部壓力下降至0.53 MPa時（正常應為0.35 MPa），遮斷滑閥即被打開，這個壓力與隔膜閥日常被調節在0.6～0.7 MPa過于接近，系統壓力稍有波動，遮斷系統即動作，機組跳閘。

遮斷系統動作的臨界值過低的原因：一是危急遮斷裝置及附屬管道、接頭故障導致危急遮斷滑閥未到系統設計的動作值即打開泄油最終導致隔膜閥打開機組跳閘；二是隔膜閥自身的故障過早動作導致機組跳閘。

經上述分析，細化分解故障原因，主要從表1進行故障排查：

表1 遮斷系統動作臨界值過低的原因匯總表

設備名稱 故障檢查 原因

隔膜閥 不啟EH油泵，動作值應在0.117MPa左右 動作值過高，將導致系統過早泄壓，使機組跳閘

閥門活動是否靈活 閥門活動不順暢，將導致隔膜閥誤動

危急遮斷滑閥 停機溢流閥動作值是否過低

一個在0.703～0.773MPa ，另一個在0.773～0.843MPa 動作值過低，溢流閥對保安油進行泄壓，使遮斷滑閥的背壓降低，導致遮斷滑閥不正常提前動作，機組跳閘

系統接頭是否泄漏 系統管道或接頭泄漏，保安油泄壓，使遮斷滑閥的背壓降低，導致遮斷滑閥不正常提前動作，機組跳閘

危急遮斷滑閥及試驗滑閥的閥芯或閥桿是否不嚴密 危急遮斷滑閥及試驗滑閥的閥芯或閥桿不嚴，使遮斷滑閥的背壓降低，導致遮斷滑閥不正常提前動作，機組跳閘

系統進油節流孔是否堵塞 系統進油節流如果堵塞將使保安油瞬間間隙漏油加大卻得不到及時補油，將導致遮斷滑閥不正常提前動作，機組跳閘

危急遮斷滑閥的扭彈簧初始加載力矩是否過大 急遮斷滑閥的扭彈簧加載力矩是與保安油作用在遮斷滑閥上的力是相反的，如果扭彈簧初始加載力矩過大，將導致遮斷滑閥不正常提前動作，機組跳閘

4.處理過程

4.1 2012年4月6日四號機組按計劃停機開始進行C級檢修，利用此次停機機會從以下幾個方面對機械超速遮斷系統進行了檢查和處理。

4.1.1隔膜閥的動作特性為：在AST安全油壓力為13.8MPa，當保安油油壓降到0.345MPa時閥門打開。在AST安全油壓力為0MPa，當保安油油壓降到0.117MPa時閥門關閉。對隔膜閥進行了動作值試驗：壓住掛閘手柄（強置遮斷滑閥在保安油低的情況下不動作，使系統不掉壓），調整隔膜閥頂部壓力，使隔膜閥上部壓力不斷下降，觀察隔膜閥自身的動作壓力值，最后試驗測到為0.12MPa，動作值正常。此后對隔膜閥進行了解體檢查，沒有存在卡澀等其它影響閥門性能的故障。隔膜閥問題可以排除。

4.1.2危急遮斷系統設置了兩個動作值高低不同的停機溢流閥，降了可以保護系統不過壓外，還可以起到對隔膜閥頂部壓力的穩壓作用。拆下系統兩個停機溢流閥用氮氣進行了壓力動作值試驗，動作值均符合上汽圖紙試驗要求，一個為0.76MPa，另一個為0.85MPa。停機溢流閥問題可以排除。

4.1.3掛閘后，對前箱內低壓安全油管道、及管道接頭進行外觀檢查，未發現外漏泄油故障。該問題可以排除。

4.1.4掛閘后，檢查危急遮斷滑閥及試驗滑閥泄油口，較為嚴密，無噴油現象。對危急遮斷滑閥解體，用紅丹檢查閥芯密封嚴密。用外徑、內徑千分尺測量危急遮斷滑閥及試驗滑閥閥桿配合間隙為0.01～0.02mm。該問題可以排除。

4.1.5對系統進油的節流孔進行檢查，未發現異物堵塞現象，清洗干凈后復裝。該問題可以排除。

4.1.6此次檢修中更換了調整性能不佳的隔膜閥壓力調整閥；此外在隔膜閥回油管上增加一個節流孔板（直徑為3毫米）減少隔膜閥壓力調整閥調整時的回油流量。

4.2 2015年5月7日第三次跳閘后，從以下幾點進行檢查和處理。

4.2.1對危急遮斷滑的動作壓力進行試驗，投啟動油泵，掛閘，調整隔膜閥頂部壓力，使隔膜閥上部壓力不斷下降，觀察危急遮斷滑的動作壓力值，最后試驗測到為0.53MPa，這與從其它機組試驗獲取的數據0.35MPa偏差較大，而之前隔膜閥的試驗動作值為0.12MPa，從而可以初步明確問題出在危急遮斷滑的動作壓力過高。

4.2.2檢查安裝在危急遮斷復位連桿上的扭彈簧，并結合掛閘的用力，判斷出扭彈簧初始加載力矩過大，這也是造成危急遮斷滑閥過早動作致使機組跳閘的主要原因。決定在下次B級以上機組檢修時對危急遮斷裝置進行更換，并進行超速試驗。

4.2.3根據上述檢查結果，結合故障處理時間有限，進行了以下處理：將隔膜閥回油管上直徑3mm的節流孔板更換為直徑2.4mm，進一步減少隔膜閥回油管的回油流量。確保即使在隔膜閥壓力調整閥全開，機組正常運行時，隔膜閥油壓可以保持在0.8MPa。從此次處理后直到2014年9月四號機進行B+級檢修，再無發生危急遮斷系統的故障。

4.3 2014年9月給合4B+檢修，徹底處理危急遮斷滑閥故障。

4.3.1更換新的危急遮斷裝置。

4.3.2更換后，投入啟動油泵進行試驗發現，新的危急遮斷裝置的動作壓力從原來過高的0.53MPa減小到過低的0.1MPa，雖然現狀仍可以解決原來危急遮斷滑閥過低動作導致機組跳閘的故障，但經過分析，卻有可能導致機組超速時不跳閘的新問題出現，這個問題雖然可以在注油試驗和機械超速試驗得到檢驗，但開機時的時間很寶貴，而且原因還不明，如果處理時間較久，有可能造成機組不能按時并網。

4.3.3如圖4，對危急遮斷系統的板機進行遮斷所需的力進行試驗：掛閘，從樞軸到板機面直線距離為101.6mm的點，用彈簧稱進行板機遮斷力測量：隔膜閥頂部壓力為0.68MPa時板機遮斷力13.5Kg；隔膜閥頂部壓力為0.60MPa時板機遮斷力12Kg，均大于標準9.1～11.3kg，這進一步證明了機組超速時有可能不跳閘。

4.3.4進行問題查找，通過手動掛閘感受扭彈簧的初始加載力矩，明確偏小，問題仍指向扭彈簧。解體拆出扭彈簧進行測量和測試，獲得圖3的外形尺寸和表2的詳細性能參數。分析得知，扭彈簧的初始加載力矩多少將直接影響到危急遮斷系統動作值。經過多次試驗扭彈簧的安裝角度變化對危急遮斷滑閥動作值和板機遮斷所需力的變化，得知扭彈簧的安裝角度在15度時，危急遮斷滑閥動作值和板機遮斷所需力均符合性能要求。返回去觀察舊的危急遮斷裝置中的扭彈簧的安裝角度在25度，新購置的危急遮斷裝置中的扭彈簧的安裝角度在0度，均偏差較大。所以，應對扭彈簧重新定位安裝。

圖3 復位扭彈簧外形尺寸示意圖

表2 復位扭彈簧的性能參數

旋向 矩形絲尺寸 有效圈數 外軸直徑 平均直徑 內圓直徑

右 7.14×2.39 6 38.9 31.65 24.4

彈簧扭角（度） 負載扭矩（N.m）

（kg.cm） 應力（Pa）

（kg/mm2）

完全自由長度 0 0 0

正常工作時 17 6.73±0.225

68.6±2.3 332.4

33.9

最大負荷時 35 13.896±0.45

145.7±4.6 686.5

70

4.3.5新安裝后危急遮斷裝置的扭彈簧最終固定在17度，試驗結果：危急遮斷滑閥動作值為0.38MPa，板機遮斷力在隔膜閥頂部壓力為0.68MPa時為11Kg，性能正常。

4.3.6 2014年11月30日，4B+修后開機，注油試驗兩次動作油壓均為0.18MPa，正常；機械超速試驗兩次動作值為3260rpm、3273rpm，正常。問題得到徹底解決。

5.結束語

科學技術日新月異，電子技術發展迅猛，但電超速保護在汽輪機危急遮斷系統中的應用仍不能完全替代機械超速遮斷保護，作為機組超速的最后一道保護，應重視機械超速遮斷裝置的定期檢修和校驗。該電廠在四號機組的多次處理過程中，積累了大量經驗，建議在機組大修或更換新的危急遮斷裝置應進行以下檢查：

5.1泄漏檢查

5.1.1調整溢流閥一個在0.703～0.773MPa ，另一個在0.773～0.843MPa。

5.1.2如圖4所示，危急遮斷滑閥閥芯（件49）的漏油不噴出或者試驗滑閥（件10）超過1分鐘才從端部開孔流出來。

5.1.3系統管道及接頭無泄漏。

5.2操作檢查

5.2.1如圖4所示，用板機或復位連桿（件6）進行遮斷，動作幾次，觀察所有零件是否靈活。

5.2.2如圖4所示，對試驗滑閥（件10）定位，在“試驗”位置時復位所需要的時間，應不超過2秒鐘。

5.2.3如圖4所示，量出從樞軸到板機面直線距離為101.6mm的點，在此點用一標力桿或測量裝置的當量負載來得出遮斷所需的力，在正常隔膜頂部壓力0.6～0.7 MPa時，此力應為9.1～11.3kg。

5.2.4如圖4所示，當試驗滑閥（件10）在試驗位置，進行遮斷時，隔膜頂部壓力在圖示的“X”處下降應不超過0.21MPa。

5.2.5掛閘，調整隔膜閥頂部壓力，觀察危急遮斷滑的動作壓力值，約0.35MPa是合適的。

5.3注意

扭彈簧的安裝角度在15度時是合適的，但由系統會存在間隙漏油，不同的機組情況不同，最終必須通過試驗危急遮斷滑閥動作值和板機遮斷力來得知角度調整多少合適。

圖4 危急遮斷裝置示意圖

參考文獻：

[1]上海汽輪機有限公司.引進型300MW中間再熱凝汽式汽輪機系統說明書.