某超超臨界機組高壓缸切除事件分析與處理

袁岑頡，王異成，馬 寧，丁 寧，張 維

（1.浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江 嘉興 314201；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

汽輪機從掛閘沖轉到并網帶初負荷是一個極其復雜的過程，主要通過汽輪機高調門、中調門、高排逆止閥、高排通風閥和高壓旁路閥等執行機構的配合完成。汽輪機沖轉時，上汽超超臨界機組DEH（數字電液控制）系統通過轉速回路的作用將轉速目標指令轉換為流量指令分配至高調門和中調門，實現轉速的精準控制[1]。

在汽輪機沖轉期間，為了防止汽流倒流至高壓缸，高排逆止閥處于指令關閉狀態，進氣電磁閥失電。當機組帶10%負荷后，進氣電磁閥得電，高排逆止閥開啟。但是由于該類型閥門的特殊構造，當高排壓力高于冷再壓力一定值時，同樣能夠將逆止閥頂開至一定開度。高排通風閥則不參與機組啟動，只有在正常運行中發生汽輪機跳閘或高壓缸葉片保護動作時，主汽門、高調門處于關閉狀態，高壓缸不再進汽，高排通風閥自動開啟。高壓旁路閥在汽輪機沖轉期間一般投入旁路自動，采用定壓模式控制主蒸汽壓力，隨著汽輪機逐漸進汽，旁路自動關小[2]。

1 機組高壓缸葉片保護

為了限制高壓缸葉片的熱應力，保護高壓缸葉片，上汽超超臨界機組設置了高壓缸葉片保護功能[3]。該保護的設置方法為：采用高壓缸12級后葉片溫度與高壓缸轉子溫度所對應的函數進行偏差比較，函數F（x）如表1所示。

表1 高壓缸轉子溫度函數F（x）

當高壓缸12級后葉片溫度和高壓缸轉子溫度函數兩者偏差小于15℃時，關閉主汽門、高調門與高排逆止閥，開啟高排通風閥，高壓缸處于切除狀態；兩者偏差小于0℃時，觸發汽輪機ETS（汽輪機緊急跳閘系統）保護，汽輪機遮斷[4]。

如圖1所示，為了使高壓缸12級后葉片溫度處在允許區域，上汽超超臨界機組在DEH中還設置HATR（高壓缸葉片溫度控制器）。該控制器通過高壓缸/中壓缸修正功能，適當調整高調門和中調門的開度，來保證高壓缸在任何不穩定狀態運行過程中（如甩負荷、啟動和停機期間）葉片溫度不超過允許值[5]。當葉片溫度超過了可變的設定值，采用HATR來減少中調門的開度，從而增加高調門的開度，增加高壓缸的進汽量。

圖1 高壓缸轉子溫度與葉片溫度的限制曲線

如圖2所示，高壓缸葉片溫度控制器是一個PI（比例-積分）調節器，高壓缸12級后葉片溫度和高壓缸轉子溫度對應函數值的偏差作為控制器的輸入，調節器為雙向限幅，調節器輸出送至OSB（進汽量設定）[6]。當葉片溫度升高，偏差增大，OSB送給中調門的指令中會減去溫度控制器的輸出，從而關小中調門，達到增加高壓缸進汽量的目的[7]。當高壓葉片溫度在允許范圍時，溫度控制器不起作用， 輸出為“0”。

圖2 高壓缸葉片溫度控制器原理

2 高壓缸切除事件分析

2.1 事件經過與處理過程

2017年11月4號，某發電廠1號機組整套啟動期間，轉速3 009 r/min，主汽壓5.36 MPa，主汽溫 536℃。 22：03：09， 高壓缸葉片 12級后溫度與高壓缸轉子溫度函數值偏差小于15℃，高壓缸切除保護觸發。如圖3所示，高壓缸切缸保護觸發后，同時關閉主汽門、高調門與高排逆止閥，聯鎖開啟高排通風閥，高壓缸被切除，此時高壓缸不再進汽。

圖3 高壓葉片溫度過高導致高壓缸切除

高壓缸切除保護觸發前，高壓缸葉片12級后溫度的升高導致HATR輸出不斷增加，該控制器輸出會作用到中調門，降低中調門的開度來增加高調門的開度，增加高壓缸的進汽量。如圖4所示，由于高排溫度控制器輸出不斷增加，中調門開度不斷減小，為了保持轉速穩定，NPR（轉速負荷控制器）輸出不斷增加，在第1點時，轉速負荷控制器NPR輸出和汽輪機啟動裝置TAB輸出發生了第一次切換。如圖5所示，上汽超超臨界機組DEH控制采用中央小選控制，即TAB輸出、NPR輸出、YFDPR（主蒸汽壓力控制）輸出3路進行小選比較后形成有效的OSB作用到汽機調門上[8]。此時TAB輸出小于NPR輸出并接管控制，DEH轉速控制回路不再起作用，轉速開始波動，無法維持在3 009 r/min。

圖4 汽輪機轉速失控前后的趨勢

圖5 DEH三路小選功能

在主蒸汽溫度不斷攀升的同時，由于高壓旁路閥位的較大開度導致高排逆止閥后壓力大于閥前壓力，在前后差壓的作用下高排逆止閥被關小，導致高壓缸葉片12級后溫度持續上升，期間高排溫度保護動作，切除高壓缸，高排溫度控制器輸出仍然不斷增加，最終導致在高壓缸被切除的情況下，中調門開度持續減小，最終導致轉速失控，轉速最低降至2 500 r/min左右。

由于轉速的持續波動可能會導致轉子進入共振區，嚴重威脅機組的安全，而此時的高壓缸葉片溫度控制器在高壓缸切除的情況下已經失去了原有設計的保護意義，因此運行操作人員手動切除了高排溫度控制器[9]。在高排溫度控制器切除時，中調門快速開啟，NPR輸出快速降低，如圖4所示，在第2點時，NPR輸出和TAB輸出發生了第二次切換，DEH轉速控制回路再次起作用，轉速恢復3 009 r/min穩定運行。高壓缸切除后，高壓缸葉片12級后溫度慢慢降低，待溫度降低至報警值以下時，運行操作人員在DEH畫面上投入了高壓缸投缸順控，在順控邏輯的作用下，高壓缸調門慢慢開啟，高壓缸恢復了進汽。

2.2 原因分析

調閱趨勢記錄后發現，1號機組在汽輪機沖轉期間曾有2次大幅度加煤的過程，如圖6所示，燃料量短時間內的快速增加，導致主蒸汽溫度快速上升。在高壓缸保護動作前，由于汽輪機此時處于空載狀態，高排逆止閥、高排通風閥均處于關閉狀態，主汽溫的上升直接帶動高壓缸葉片12級后溫度的上升，最終高壓缸葉片12級后溫度超過500℃，到達切缸保護值，發生高壓缸切除保護動作時，主蒸汽溫度最高達到了536℃。因此主蒸汽溫度的超溫是本次事故的直接原因。高壓缸轉子未暖透導致高壓轉子溫度過低同樣會增加高壓缸切除的風險，但是本次事故中高壓缸轉子溫度已經達到了450℃，因此不存在高壓缸轉子未暖透導致高壓缸切缸的情況[10]。

除此之外，高排逆止閥前壓力上升導致的汽輪機鼓風也是本次事件的原因之一。雖然上汽超超臨界機組設計為悶缸啟動，汽輪機沖轉期間高排逆止閥和高排逆止閥均處于指令強制關閉狀態，但在實際沖轉過程中，高排逆止閥在前后差壓的作用下會略微開啟，這部分開度使高壓缸存在一定的通流量，從而降低末級葉片的溫度[11]。此次切缸前高壓旁路處于手動控制，未投入旁路自動，較大的開度導致高排逆止閥后壓力較逆止閥前壓力高了約0.5 MPa。高排逆止閥在前后壓差的作用下被關小，高壓缸排汽受阻，高排逆止閥前壓力上升，高壓缸排汽量減少，導致高壓缸末級葉片鼓風所產生的熱量無法及時被足夠的排汽攜帶走，最終造成高壓缸末級葉片溫度快速上升[12]。從圖6可以看出，在高壓缸保護動作前，高排逆止閥前壓力確實有明顯的上升過程。

本次事故中主蒸汽壓力僅為5.36 MPa，低于額定的沖轉壓力，導致高壓缸排汽壓力過低無法頂開高排逆止閥，間接導致汽輪機通流量減小。同時，主蒸汽壓力過低導致機組在沖轉期間NPR輸出較大，當高排溫度控制器起作用時加速了NPR和TAB的切換，影響機組轉速控制。

圖6 導致高壓缸切除的因素

3 防范與優化措施

根據事件分析結果提出以下措施：

（1）汽輪機沖轉期間加強對主蒸汽溫度的控制，嚴格按照沖轉要求控制主蒸汽溫度，防止發生由于主蒸汽溫度超過沖轉溫度合理范圍導致的高壓缸切除事件。上汽超超臨界機組合理沖轉壓力區間為6.5～8.5 MPa，合理沖轉溫度區間為450～460℃[13]。

（2）合理進行高、低壓旁路閥的控制，在確保沖轉期間主蒸汽壓力穩定的同時，高旁閥后壓力略小于高排逆止閥前壓力有利于高壓缸的通流，降低汽輪機鼓風的風險，從而防止汽輪機末級葉片超溫[14]。

（3）如果在機組啟動沖轉期間出現了高壓缸葉片12級后溫度快速上升的情況，運行操作人員可以在保證高旁閥后壓力小于高排逆止閥前壓力的前提下，手動使高排逆止閥進氣電磁閥帶電，通過開啟高排逆止閥來增加汽輪機通流量，從而降低高壓缸切缸風險。同時考慮對凝汽器沖擊較大等原因，不建議通過手動方法開啟高排通風閥。

（4）上汽超超臨界機組DEH系統在控制邏輯設計上存在不完善，高壓缸葉片溫度控制器在高壓缸切除、高調門保護全關時已經失去了原有的作用[15]，無法再通過降低中調門開度的方法來增加高調門的開度，進而增加高壓缸的進汽量。經過論，決定對上汽DEH系統控制邏輯進行完善，增加閉鎖邏輯，當高壓缸保護切除時，自動撤出高壓缸葉片溫度控制器。當高壓缸投入后，運行人員需手動投入高壓缸葉片溫度控制器。

4 結語

汽輪機高壓缸切除事故嚴重威脅機組的安全穩定運行，同時會對汽輪機葉片造成不同程度的影響，因此要盡量避免發生此類事故。通過合理控制汽輪機沖轉參數，調整好旁路開度，能夠降低高壓缸切除的風險，通過邏輯優化能夠避免高壓缸切除時高壓缸葉片溫度控制器仍然起作用的問題。