S109FA燃?xì)?蒸汽輪機(jī)溫態(tài)啟動(dòng)失敗分析與防范措施

萬志勇

(江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213011)

0 引言

某公司引進(jìn)了2套390 MW美國(guó)GE公司S109FA型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。調(diào)試初期曾發(fā)生機(jī)組在溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)3X軸振異常增大現(xiàn)象。當(dāng)機(jī)組升速至1 600 r/min時(shí)，#3瓦的3X軸振由0.05 mm急速上升至0.15 mm(GE公司MARK Ⅵ控制系統(tǒng)中跳機(jī)保護(hù)定值規(guī)定：#1～#8 X/Y方向任一軸振達(dá)0.228 6 mm，延時(shí)1 s跳機(jī))，立即手動(dòng)操作控制臺(tái)“緊急停機(jī)”按鈕，燃機(jī)跳閘，機(jī)組啟動(dòng)不成功。

該情況給機(jī)組安全運(yùn)行帶來了極大隱患，公司進(jìn)行隱患排查分析，并采取相應(yīng)措施，取得了良好效果。本文對(duì)排查過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 運(yùn)行方式簡(jiǎn)介

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組具有效率高、啟停快、調(diào)峰性能高、滑參數(shù)運(yùn)行等特點(diǎn)，既能攜帶基本負(fù)荷也能攜帶中間負(fù)荷，一般被電網(wǎng)調(diào)度作為調(diào)峰機(jī)組使用。作為調(diào)峰機(jī)組，燃?xì)?蒸汽輪機(jī)晝行夜伏，啟動(dòng)方式基本為熱態(tài)啟動(dòng)，溫態(tài)或冷態(tài)啟動(dòng)幾率較小[1]。

2 機(jī)組特點(diǎn)

為滿足燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰性能，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)理念傾向于滿足快速啟停需要，不設(shè)置抽氣口，汽缸對(duì)稱布置。為滿足快速啟停要求，防止快速啟動(dòng)時(shí)由于膨脹不同步而引起的動(dòng)靜間碰撞或摩擦，應(yīng)較常規(guī)機(jī)組適當(dāng)放大通流部分、軸封及油封檔處的軸向動(dòng)靜間隙。汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽、無調(diào)節(jié)級(jí)、運(yùn)行時(shí)調(diào)閥全開，以減小上、下缸溫差，使溫度分布均勻。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組以往以熱態(tài)啟動(dòng)居多，均未發(fā)現(xiàn)有軸振異常變大現(xiàn)象。冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)不多，也未發(fā)生此異常現(xiàn)象。此次啟動(dòng)失敗發(fā)生在機(jī)組停運(yùn)投入盤車后60 h，缸溫為337 ℃，在溫態(tài)啟動(dòng)范圍(GE公司運(yùn)行規(guī)范規(guī)定高、中壓缸上缸內(nèi)壁溫度在204～371 ℃或機(jī)組停運(yùn)時(shí)間在48～72 h之間為溫態(tài)啟動(dòng))。

3 問題分析

3.1 運(yùn)行操作分析

檢查啟動(dòng)失敗機(jī)組啟動(dòng)前的參數(shù)：燃?xì)廨啓C(jī)輪間溫度最高點(diǎn)99 ℃；汽機(jī)高壓缸上壁溫度337 ℃，高壓缸下壁溫度296 ℃；中壓缸上壁溫度326 ℃，中壓缸下壁溫度248 ℃；#1軸向位移為0.1 mm；#2軸向位移為0.06 mm；#1差脹為-0.78 mm；#2差脹為-1.46 mm；大軸偏心值為0.03 mm；高中壓缸缸脹為17.6 mm；軸膨脹量為23.06 mm。啟動(dòng)前高、中壓缸上下溫差較大，分別為41 ℃和48 ℃。

分析停機(jī)過程中的主、再熱蒸汽溫降情況，檢查發(fā)現(xiàn)主、再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)選用自動(dòng)邏輯運(yùn)行且溫度調(diào)節(jié)正常；檢查停機(jī)后是否有異常水、汽進(jìn)入汽缸，凝汽器水位是否有異常升高，主/再熱/低壓汽閥、旁路閥、旁路預(yù)暖閥、軸封手動(dòng)門等是否內(nèi)漏以及機(jī)組盤車運(yùn)行情況，經(jīng)檢查上述內(nèi)容均正常；檢查啟動(dòng)操作中軸封投用步驟、順序、輔汽溫度與壓力，均按操作票正常完成；最后檢查啟動(dòng)前余熱鍋爐、汽機(jī)管道及本體疏水開啟情況，也均正常。

《××電廠運(yùn)行規(guī)程》6.1.15 條“機(jī)組禁止啟動(dòng)條件”規(guī)定：汽機(jī)高、中壓缸內(nèi)壁上、下金屬溫度差大于50 ℃禁止啟動(dòng)。根據(jù)啟動(dòng)前參數(shù)可以看出汽機(jī)上下缸溫差較大，特別是中壓缸上、下缸溫差達(dá)48 ℃，雖然滿足啟動(dòng)條件，卻是這次機(jī)組啟動(dòng)中#3瓦軸振動(dòng)突升的主要原因。

圖1 S109FA機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

利用鄰機(jī)調(diào)停時(shí)間觀察缸溫下降情況，尤其是高、中壓上下缸溫變化情況。通過觀察發(fā)現(xiàn)機(jī)組停運(yùn)投入盤車12 h后，上、下缸溫差呈現(xiàn)剪刀差現(xiàn)象并逐步變大。在機(jī)組停運(yùn)54～60 h時(shí)，上、下缸溫差最大。尤其是中壓缸上、下缸溫差接近50 ℃。而后剪刀差又逐步縮小，至68 h后上、下缸溫度下降速率接近同步。

3.2 系統(tǒng)布置簡(jiǎn)介

S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為單軸布置，如圖1所示：整臺(tái)機(jī)組在同一軸系運(yùn)行，共有八個(gè)軸承支撐，從左起依次為#2、#1、#3、#4、#5、#6、#7、#8軸承，分別支撐燃機(jī)與壓氣機(jī)、高中壓缸、低壓缸、發(fā)電機(jī)。

汽輪機(jī)為D10型、三壓、中間再熱、單軸、沖動(dòng)式無抽汽純凝式機(jī)組。汽輪機(jī)高、中壓合缸，通流部分反向布置，高壓缸有12個(gè)壓力級(jí)，中壓缸有9個(gè)壓力級(jí)。其后有來自余熱鍋爐低壓過熱蒸汽的進(jìn)汽，該蒸汽與中壓缸排汽相混合，共同流入低壓缸。低壓缸為雙流程向下排汽形式，每個(gè)流程有6個(gè)壓力級(jí)，共12級(jí)。

由于機(jī)組采用單軸布置，在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，汽輪機(jī)鼓風(fēng)熱量增加，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至2 250 r/min，MARK Ⅵ 控制邏輯打開低壓進(jìn)汽調(diào)門，引入輔助冷卻蒸汽來冷卻低壓通流部分。冷卻蒸汽進(jìn)入低壓主汽管后分兩路：一路經(jīng)低壓主汽調(diào)門進(jìn)入低壓缸，冷卻低壓轉(zhuǎn)子后進(jìn)入凝汽器；一路經(jīng)中低壓蒸汽聯(lián)通管逆流進(jìn)入中壓缸，其中一部分蒸汽冷卻中壓通流部分后經(jīng)中壓缸發(fā)散閥(IEV)進(jìn)入凝汽器，另有一小部分蒸汽由于高中壓合缸，進(jìn)入高壓汽缸，冷卻高壓通流部分后經(jīng)高壓缸發(fā)散閥(HEV)進(jìn)入凝汽器。

3.3 系統(tǒng)布置分析

為減小高、中壓缸上、下缸溫差，首先對(duì)高、中壓缸的保溫進(jìn)行加厚處理以減小汽缸散熱，并采取延長(zhǎng)汽機(jī)送軸封蒸汽、抽真空檢驗(yàn)時(shí)間。發(fā)現(xiàn)溫差雖有所改善，但效果不明顯。

繼續(xù)檢查系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)停機(jī)后高、中壓缸發(fā)散閥處于開啟狀態(tài)。高、中壓缸發(fā)散閥位于高、中壓缸底部，管道連通至凝汽器且管徑較粗。停機(jī)初期，主汽調(diào)門關(guān)閉，此二閥開啟通風(fēng)降溫以減少鼓風(fēng)熱量對(duì)葉片的影響，產(chǎn)生類似于缸體疏水門的作用，能夠順帶排出停機(jī)過程中因主蒸汽壓力、溫度下降產(chǎn)生的疏水，對(duì)改善高、中壓缸上、下缸溫差是有益的。此二閥因通向凝汽器使高、中壓汽缸底部與大氣相通。由于下汽缸散熱面積大、散熱快，停機(jī)時(shí)間稍長(zhǎng)便易造成高、中壓汽缸上下溫差大。

4 采取措施及驗(yàn)證

綜上分析，決定采取以下措施：停機(jī)、破真空、停軸封后，強(qiáng)制關(guān)閉高、中壓缸發(fā)散閥來改善高、中壓缸上、下缸溫差；在停機(jī)初期，高、中壓缸發(fā)散閥在高壓調(diào)門關(guān)閉后，自動(dòng)邏輯打開通風(fēng)降溫；停軸封投入盤車后即手動(dòng)關(guān)閉高、中壓缸發(fā)散閥，利用悶缸原理，用高、中壓汽缸缸體的蓄熱來均衡高、中壓汽缸上、下缸溫度，使得停機(jī)后的高、中壓缸上、下缸溫差得到有效控制，避免機(jī)組啟動(dòng)中的振動(dòng)過大。

由于高、中壓缸發(fā)散閥的啟閉邏輯均為MARK Ⅵ 操作系統(tǒng)控制，在MARK Ⅵ 操作界面“Steam”頁面中增添“EV Mode”模塊，可以操作兩閥。在停機(jī)、破真空、停軸封后通過操作模塊中的“Manual Close”鍵來手動(dòng)強(qiáng)制關(guān)閉高、中壓缸發(fā)散閥。正常機(jī)組運(yùn)行中該模塊中“Auto”鍵黃燈亮。

為防止運(yùn)行中誤操作高、中壓缸發(fā)散閥，在MARK Ⅵ 邏輯中加以限制。只有在機(jī)組主保護(hù)信號(hào)L4動(dòng)作后，“EV Mode”模塊才能激活操作。為了防止機(jī)組啟動(dòng)時(shí)高、中壓缸發(fā)散閥未開，將開閥作為啟機(jī)前的必要條件。在MARK Ⅵ 操作系統(tǒng)“ST Start Permits”頁面中增加“HP/IP Evacuation Valves(高、中壓缸發(fā)散閥)”，狀態(tài)必須為“Valves must be open(閥門必須開啟)”。

采取以上措施后，觀察停機(jī)后的缸溫變化情況，停機(jī)56 h后，高、中壓汽缸上下缸溫差達(dá)到最大，分別為12 ℃、21 ℃。高、中壓缸上下溫差得到極大改善。在機(jī)組溫態(tài)啟動(dòng)試驗(yàn)中，3X軸振穩(wěn)穩(wěn)地控制在0.08 mm內(nèi)，完全達(dá)到了隱患整改的目的，為啟動(dòng)成功率提供了堅(jiān)實(shí)的保障，保證了機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)效益。

驗(yàn)證成功后對(duì)《××電廠運(yùn)行規(guī)程》停機(jī)后工作進(jìn)行以下修正。

8.1.37機(jī)組真空至0，關(guān)閉軸封進(jìn)汽調(diào)門，停用軸封風(fēng)機(jī)，關(guān)閉軸封進(jìn)汽手動(dòng)門。

8.1.38機(jī)組轉(zhuǎn)速至0，檢查盤車自動(dòng)投用正常(否則，應(yīng)立即手動(dòng)投入盤車)，潤(rùn)滑油溫定值降至26～32 ℃，記錄偏心值和盤車電流。

8.1.39關(guān)閉余熱鍋爐煙氣擋板，注意汽包壓力上升情況。

8.1.40關(guān)閉高、中壓缸放散閥(HEV、IEV)。

對(duì)《運(yùn)行規(guī)程》啟動(dòng)前準(zhǔn)備工作進(jìn)行以下修正。

6.4.60將高、中壓缸發(fā)散閥(HEV、IEV)自動(dòng)投入，查閥門自動(dòng)開啟、狀態(tài)指示正常。

5 結(jié)論

針對(duì)溫態(tài)啟動(dòng)中發(fā)生的軸振異常增大情況采取停機(jī)、破真空、停軸封后即強(qiáng)制關(guān)閉高、中壓缸發(fā)散閥(HEV、IEV)以及對(duì)高、中壓缸保溫進(jìn)行加厚處理等一系列改進(jìn)措施，使得停機(jī)后的高、中壓缸上下缸溫差得到有效控制，避免了機(jī)組溫態(tài)啟動(dòng)中軸振過大現(xiàn)象的發(fā)生。