900MW級“二拖一”燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組甩負荷試驗實例

康瑞庭，劉國華，唐浩源，張 剛

(華電電力科學研究院有限公司，呼和浩特 010051)

天津華電南疆熱電有限公司燃氣-蒸汽聯合循環發電機組為一套900MW級“二拖一”燃氣-蒸汽聯合循環供熱發電機組。全廠配置為：2臺PG9371FB型燃氣輪機、2臺燃氣輪發電機、2臺余熱鍋爐、1臺汽輪機和1臺汽輪發電機。

汽輪機型號為LNCB320/155-13.02/0.500/565/565型，為三壓、再熱、雙缸、向下排汽、燃氣-蒸汽聯合循環用凝汽式汽輪機。

1 試驗目的

甩負荷試驗是在發電機并網帶負荷情況下，突然拉掉發電機主斷路器，使發電機與電力系統解列，觀察機組的轉速與調速系統各主要部件在過渡過程中的動作情況，從而判斷調速系統的動態穩定性的試驗。

燃氣輪機-汽輪機調節系統能夠符合設計及運行要求，即在額定工況下發電機開關開路機組甩去額定負荷之后，機組調節系統動態過程應能迅速穩定，機組的最高轉速不超過額定轉速的110%，并能有效地控制空負荷3 000 r/min運行，通過測取機組甩負荷后的轉速動態過渡過程特性曲線及各參數之間的動作關系曲線，檢查機組調節系統和轉速控制系統的品質。

2 試驗前準備

2.1 旁路邏輯保護確認

2.1.1 高壓旁路閥

1) 快開：無快關條件且鍋爐主蒸汽壓力>13.8 MPa且無故障。

2) 快關：高壓旁路減溫水壓力<1 MPa，延時2 s且無故障；高壓旁路后蒸汽溫度>385 ℃且無故障；中壓旁路快關條件。

3) 超馳開至70%：汽輪機跳閘6 s脈沖且鍋爐主汽壓>7 MPa且無故障；汽輪機發電機解列6 s脈沖且#1鍋爐主汽壓>7 MPa且無故障。

2.1.2 中壓旁路閥

1) 快開：無快關條件且鍋爐再熱蒸汽壓力>2.87 MPa且無故障；#1高壓旁路蒸汽控制閥快開。

2) 快關：凝汽器液位>1 650 mm且無故障；凝汽器壓力>-60 kPa且無故障，測量值為表壓力；#1中壓旁路蒸汽減溫水壓力<1 MPa，延時2 s且無故障；#1中壓旁路凝氣溫度>180 ℃且無故障。

3) 超馳開：汽輪機跳閘6 s脈沖且#2鍋爐再熱汽壓>1.4 MPa且無故障；閥門開至50%；汽輪機發電機解列6 s脈沖且#2鍋爐再熱汽壓>1.4 MPa且無故障；閥門開至50%。

2.1.3 低壓旁路閥

1) 快開：無快關條件且鍋爐低壓蒸汽壓力>0.65 MPa且無故障。

2) 快關：凝汽器液位>1 650 mm且無故障；凝汽器壓力>-60 kPa且無故障，2 s脈沖，測量值為表壓力；低壓旁路蒸汽減溫水壓力<1 MPa且無故障；低壓旁路凝氣溫度>140 ℃且無故障。

3) 超馳開：無快關條件且汽輪機跳閘6 s脈沖且鍋爐低壓主汽壓力>0.4 MPa且無故障；閥門開至70%；無快關條件且汽輪機發電機解列6 s脈沖且鍋爐低壓主汽壓力>0.4 MPa且無故障；閥門開至70%。

2.2 閥門關閉時間測試

高、中壓調節汽閥和高、中壓主汽閥油動機的總關閉時間t為關閉過程中的延遲時間t1和關閉時間t2之和。

表1 閥門關閉時間測試

2.3 調節系統動態特性

汽輪機調節系統動態特性影響調節系統性能和穩定性。動態穩定性、動態超調量和過渡時間是衡量汽輪機調節系統動態品質的基本指標。機組投入運行前 ,必須進行甩負荷試驗, 目的是測量調節系統的超調量,因為過大的超調量將引起轉子的嚴重超速, 危及汽輪機的安全。甩50%負荷時，超調量φ不應超過5%。超調量的計算為:

3 甩負荷試驗

在試驗前閉鎖高、中、低壓旁路快關條件，閉鎖高、中、低壓汽包水位低聯跳燃氣輪機和汽輪機保護，閉鎖3號汽輪發電機故障聯跳汽輪機保護。機組退出CCS。

3.1 甩50%負荷

2018年12月15日和16日分別對1號燃氣輪機和2號燃氣輪機及3號汽輪機進行50%甩負荷試驗。1號燃氣輪機負荷167.5 MW ，2號燃氣輪機負荷167.5 MW，3號汽輪機150.8 MW。1號燃氣輪機轉速最大飛升值為3 167 r/min,穩定轉速為3 000 r/min；2號燃氣輪機轉速最大飛升為3 168 r/min，穩定轉速為3 001 r/min。3號汽輪機最大飛升值為3 078 r/min，穩定轉速為3 000 r/min。

通過計算，1、2號燃氣輪機超調量超限，不具備甩100%負荷的條件。3號汽輪機具備甩100%負荷條件。

3.2 燃氣輪機超調量超限檢查

燃氣輪機突然甩負荷后，由于燃料行程基準FSR限制值不合理導致燃氣輪機在甩50%負荷時出現超調量超限。

燃料行程基準(FSR)是燃氣輪機控制過程中燃料量值的總出口，在出口處增加小選作用(FSRMIN)，根據燃氣輪機運行的不同階段，其FSR的值來自不同控制系統的輸入。FSR值的來源主要包括啟動控制系統、轉速控制系統、溫度控制系統、加速控制系統、停機控制系統、手動控制系統。在燃氣輪機突然甩負荷后，抑制超速的主要是加速控制系統。

圖1 燃料行程控制原理圖

加速控制系統將轉子實際轉速信號TNH對時間求導，計算出轉子角加速度TNHA,若角加速度實測值超過了給定值TNHAR,則減小加速控制FSR值FSRACC，以減小角加速度，直到該值不大于給定值為止。若角加速度值小于給定值，則不斷增大FSRACC，迫使加速控制系統自動退出控制，角加速度為正值時就是轉速增加的動態過程，加速控制系統僅限制轉速增加的動態過程的加速度，對穩態(靜態)不起作用，對減速過程也不起作用。所以加速控制系統其實質是角加速度限制系統(FSKMIND6X FSR Corner 6-Shutdown Aux Curve)。在燃氣輪機突然甩去負荷后的過渡過程中，初期轉速上升較少，FSRN下降也較少，但此時加速度卻很大，使得FSRACC下降很小，所以此時角加速度限制系統的介入，能夠快速的降低FSR，減小轉子動態超速。同時角加速度限制系統的介入能夠限制燃氣輪機啟動過程中的加速率，以減小熱部件的熱沖擊。

參考第一次甩50%負荷時燃氣輪機轉速超調量，結合機組啟動的加速率，綜合考慮，決定將1、2號燃氣輪機FSR閥FSKMIND6X系數從21.7%修改為21%。

參數修改后，再一次甩50%負荷，1號燃氣輪機轉速最大飛升值為3 126 r/min，穩定轉速為3 000 r/min；2號燃氣輪機轉速最大飛升值為3 127 r/min，穩定轉速為3 000 r/min。

通過計算，1號燃氣輪機、2號燃氣輪機、3號汽輪機均具備甩100%負荷。

3.3 甩100%負荷

2019年2月25日機組整體甩負荷，1號燃氣輪機負荷315.8 MW，2號燃氣輪機負荷321.9 MW，3號汽輪機305.1 MW；超速保護定值為3 300 r/min。機組甩負荷后1號燃氣輪機最大轉速3 257 r/min，穩定轉速3 001 r/min；2號燃氣輪機最大轉速3 258 r/min，穩定轉速3 001 r/min ；3號汽輪機最大轉速3 167 r/min，穩定轉速3 000 r/min。均未觸發超速保護。

機組甩負荷后，高、中壓調節汽門快速關閉，機組轉速由最高轉速向下降低的時候，汽輪機高壓主蒸汽壓力由12.25 MPa最高升至13.28 MPa；汽輪機高壓主蒸汽溫度由557.3 ℃最高升到558.6 ℃；汽輪機中壓主蒸汽壓力由2.542 MPa最高升至3.542 MPa；汽輪機中壓主蒸汽溫度由561.1 ℃最高升到563.7 ℃；汽輪機低壓主蒸汽壓力由0.454 MPa最高升至0.549 MPa；汽輪機低壓主蒸汽溫度由296.4 ℃最高升到297.1 ℃；各安全門均未動作。各主、輔機工作狀況良好，運行調整快速得當，主汽溫度、再熱蒸汽溫度沒有大幅下降。

4 存在問題及處理

3號汽輪發電機組100%甩負荷試驗時，聯軸器、SSS離合器短軸及離合器受到沖擊時，聯軸器聯接螺栓及中間墊片止口同時失去定位作用，造成聯軸器發生相對位移，產生轉子不平衡,造成晃度增大、軸系振動超標。經過對連接對輪螺栓的緊固和軸系增加配重等一系列處理措施的實施，3號汽輪機各軸瓦振動正常，無超標現象，機組運行穩定。

4.1 汽輪機振動超標現象

2019年2月25日，機組100%甩負荷試驗前，1號燃氣輪機負荷315.4 MW、2號燃氣輪機負荷314.3 MW、3號汽輪機負荷292.2 MW，“二拖一”總負荷921.9 MW，3號汽輪機各瓦軸振正常，均在報警值125 μm以下，最大軸振103.9 μm，位于2瓦Y方向。

2月25日21：20，經市調批準，開始進行機組100%甩負荷試驗。21:21:39，1號發電機解列，21:21:44，2號發電機解列，21:21:51，3號發電機解列，3號汽輪機最高轉速3 165 r/min，定速3 000 r/min時，1X軸振156.7 μm、1Y軸振131.9 μm、2X軸振220 μm、2Y軸振286 μm、3X軸振208 μm、3Y軸振215 μm， 3號汽輪機跳閘停機。之后在2月26日02:30、2月26日 17:34、2月27日18：18、2月28日17：34對3號汽輪機沖車4次，1Y、2X、2Y、3X、3Y軸振在126 μm～286 μm之間，振動值均在報警值以上。

4.2 汽輪機振動超標現象處理過程

2019年3月8日，汽輪機缸溫降至180 ℃后，在悶缸狀態下，每間隔30 min盤車180°，拆除2號軸承箱上蓋，實測高壓轉子與SSS離合器聯軸器最大晃度為0.30 mm(安裝時的原始數據0.01 mm)，聯軸器24條聯結螺栓伸長量經測量有6條螺栓伸長量不足安裝標準，最大偏差0.18 mm，高壓轉子偏心最大為30 μm。鑒于上述實際情況，以及安裝時的聯軸器螺栓、中間軸銷孔和高中壓轉子銷孔的基礎數據，決定拆卸聯軸器螺栓并重新緊固。螺栓緊固時，聯軸器連接螺栓伸長量在原設計基礎上增加20%，增加后伸長量為0.47～0.50 mm，擰緊力矩為3 936 N· m。按照上述技術數據對聯軸器進行了拆卸和復裝，并恢復軸承箱，復裝后實測發電機和高中壓轉子聯軸器的轉子對輪最大晃度為0.02 mm，中間軸和高中壓轉子聯軸器的高中壓轉子對輪最大晃度為0.03 mm、短軸對輪最大晃度為0.04 mm、對輪墊片最大晃度為0.04 mm，高壓轉子偏心58～63 μm 。

3月14日汽輪機再次沖轉2次，2號軸振最大180 μm，停機，盤車投入。

3月15日～3月21日在悶缸狀態下，分別在汽輪機中壓轉子2號軸瓦處的平衡盤同一相位、1號軸瓦處的平衡盤同一相位、2號軸瓦處的聯軸器聯接螺栓緊固螺帽上、在SSS離合器短軸的配重槽內加裝配重塊。再次進行3號汽輪機沖車，軸系最大振動3X=138 μm。

3月25日，1號燃氣輪機發電機組進行進項試驗，3號汽輪發電機組帶負荷后軸系振動穩定，最大振幅穩定在2Y=112 μm。

2019年4月28日，168小時試運結束時，1X=78 μm、1Y=69 μm、2X=48 μm、2Y=30 μm、3X=109 μm、3Y=69 μm、4X=48 μm、4Y=44 μm、5X=64 μm、5Y=67 μm、6X=89 μm、6Y=83 μm、7X=26 μm、7Y=15 μm、8X=38 μm、8Y=12 μm，軸系振動皆在報警值以下。機組運行穩定。

4.3 汽輪機振動超標現象總結

3號汽輪發電機組100%甩負荷試驗時，聯軸器、SSS離合器短軸及離合器受到沖擊時，聯軸器聯接螺栓及中間墊片止口同時失去定位作用，造成聯軸器發生相對位移，產生轉子不平衡，造成晃度增大、軸系振動超標。汽輪機廠家同意對其不合格聯接螺栓和相關配件進行擇機更換。

聯軸器聯接螺栓孔徑過大失去定位作用。2017年11月份，現場安裝時發現高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器聯接螺栓孔錯口最大0.2 mm，造成現場穿裝螺栓無法進行，汽輪機廠派人到現場用D=59 mm的鉸刀擴孔處理，擴孔后的中間軸聯軸器銷軸孔徑為D=59.05～59.1 mm，高中壓轉子聯軸器銷孔為D=59.05～59.1 mm。同時安裝單位在絞刀擴孔前，依據設備廠家提供的《汽輪機安裝說明書》及安裝圖紙先行進行聯軸器聯接螺栓的二次加工，加工后的連接螺栓直徑為D=58.93～58.94 mm，致使中間軸和高中壓轉子的聯軸器銷孔孔徑與連接螺栓直徑的差值超標，鉸孔后的差值為0.11～0.16 mm，而設計值為0.04～0.06 mm；同時繼續使用二次加工后的螺栓；另外聯軸器螺栓安裝時緊力增加5%。為補償聯軸器聯接螺栓與螺栓孔間隙增大造成限位功能的缺失，聯軸器螺栓安裝時緊力增加5%，以增加聯軸器端面摩擦力，提升聯軸器不產生相對位移工況下傳遞力矩的能力，但實際情況是增加5%的螺栓緊力，無法抵御在非正常工況下聯軸器需要承受的力矩，在甩100%負荷試驗時，聯軸器所傳遞的力矩大于聯軸器端面摩擦力，造成高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器產生徑向位移，使聯軸器晃度達到0.28 mm，汽輪機轉子中心發生變化，新的軸系不平衡產生，使汽輪機2號軸承軸振增加，波及1號、3號軸承軸振也隨之增加。

高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器中間墊片止口失去定位作用。通過查閱試運數據，3號汽輪機甩50%負荷試驗前軸系振動為優，試驗后軸系振動數據惡化，超出合格標準；3號汽輪機進行100%甩負荷試驗后，振動嚴重超標。通過對比分析，機組甩50%負荷試驗時，高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器受到的沖擊力小于機組甩100%負荷試驗時的沖擊力，高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器、中間墊片產生的相對位移小于機組甩100%負荷試驗時的相對位移，從而也說明在汽輪發電機組非正常工況時，軸系受到沖擊時，振動的惡化程度隨沖擊力的變化而變化，即在恒定螺栓緊固力的工況下，沖擊力越大，軸系中心產生的變化也越大。在高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器的中間墊片失去限位的情況下，通過增加聯接螺栓緊力，進而增大端面摩擦力是無法平衡突變工況下力矩的陡增。

聯軸器中間墊片孔徑過大失去定位作用。因高壓轉子與SSS離合器短軸聯軸器中間墊片存在較大(0.75 mm)偏心，隨后進行了返廠擴孔二次處理，致使中間墊片同時失去聯軸器螺栓定位作用，造成在100%甩負荷試驗時發生位移，進而產生轉子不平衡。

5 結語

通過對天津華電南疆熱電有限公司燃氣-蒸汽聯合循環發電機組進行50%甩負荷試驗，發現了1號燃氣輪機、2號燃氣輪機角加速度限制系統限制值設置不合理，通過修改該定值，使得1號燃氣輪機、2號燃氣輪機在100%甩負荷后轉速能夠快速回落到3 000 r/min，不發生超速保護動作，保持全速空載運行。3號汽輪機在100%甩負荷后，發現了2瓦振動嚴重超標現象，在處理過程中發現聯軸器螺栓不合格等重大隱患。通過本次機組甩負荷試驗，為整個機組在今后的安全穩定奠定了良好的基礎。同時在本次機組甩負荷過程中，調節系統動態特性良好，超速保護不動作，動態過程迅速平穩。