國產超超臨界汽輪機特點分析及問題建議

趙英淳，吳 凱，張 磊

(中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710054)

在國家大力推動大型高效超凈排放煤電機組產業化和示范應用的背景下，國內三大汽輪機廠——上海汽輪機廠、東方汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠，以提高蒸汽初參數為核心思想，在各自原有技術基礎上，先后設計、制造、投產了多臺新型超超臨界機組。

本文通過對比三大主機廠的超超臨界汽輪機本體、輔助系統及啟動運行等方面的異同點，簡析其改造思路；分析了各自調試及運行期間的典型問題及注意事項。

1 國產超超臨界汽輪機特點及改造思路

1.1 高壓缸結構和密封形式對比

汽輪機主汽參數提高后，對高壓內缸結合面的密封性提出了更高要求。

上汽機組高壓內缸為垂直縱向平分面結構[1]，采用這種設計可以減小缸體重量，提供良好的熱工況。另外，由于缸體為旋轉對稱，因而避免了不利的材料集中，各部分溫度可保持一致，使得機組在啟動停機或快速變負荷時缸體的溫度梯度很小，熱應力保持在一個很低的水平。

東汽和哈汽的高壓內缸采用了上、下兩半近乎筒形的缸體結構，為保證內缸接合面的密封性，采用了螺栓密封和紅套環密封的組合形式，即進汽區域采用螺栓密封的法蘭連接結構，螺栓盡量向中心靠攏，為避免與進汽口干涉，螺孔做成栽絲形式；其余區域均采用密封能力更強的紅套環密封形式，筒形的紅套環設計，可以減小內缸直徑，使缸體受熱均勻，熱應力小，適合快速啟停，有利于機組調峰。

1.2 配汽方式對比

鑒于傳統噴嘴調節的汽輪機最大焓降往往出現在調節級處，三大主機廠在改進設計時，同時選擇了取消沖動式調節級的方法，提高了高壓缸效率。汽輪機變工況時，進汽量的控制改為節流調節方式，蒸汽經過左右側高低位布置的高壓聯合閥組，切向直接進入蝸殼式汽室，減小第一級導葉進口參數的切向不均勻性，提高效率。

上汽和東汽機組還增設了補汽閥，滿足機組能夠到達更高的負荷，同時補汽閥還具有提高機組調頻調峰能力的功能。

1.3 軸系支撐方式和滑銷系統設計對比

為提高軸系穩定性，國產超超臨界機組軸承座均為落地布置，基礎變形對軸承荷載和軸系對中的影響小。

上汽機組除發電機轉子外，軸系設計采用獨特的單軸承“N+1”支承模式，軸系總長度更短，轉子臨界轉速高，穩定性好；轉子的死點和汽缸死點都位于包含推力徑向軸承的2號軸承座上，轉子和缸體膨脹都從這點開始，軸承座均支撐在基礎上，不隨機組膨脹移動[2]；整個軸系以2號軸承座內的徑向推力聯合軸承為死點向兩端膨脹；高壓外缸受熱后以2號軸承座為死點向調閥端方向膨脹，中壓外缸與低壓內缸通過推拉桿連接傳遞膨脹，一起向電機端方向膨脹；低壓外缸與凝汽器剛性連接承，不參與整個機組的滑銷系統。在運行中這樣的滑銷系統能使通流部分動靜之間的差脹較小。轉子激振力通過軸承殼體傳遞至軸承蓋，進而通過地腳螺栓和預埋件，直接傳遞至基礎，汽輪機振動保護采用2個瓦振速度值作為保護跳機條件，軸振僅作參考，且用橫向和縱向矢量合成的單峰值顯示。

東汽和哈汽機組高壓轉子、中壓轉子和兩根低壓轉子均為雙支撐結構，發電機轉子為三支撐結構；滑銷系統采用多死點設計，缸體膨脹死點位于低壓缸中心附近及中低壓缸之間軸承箱底部橫向定位鍵與縱向導向鍵的交點處，轉子膨脹死點位于推力軸承處，推力軸承布置在高壓缸與中壓缸之間的軸承箱上。

1.4 潤滑油系統和盤車裝置對比

東汽超超臨界汽輪機潤滑油系統保持了傳統的設計方式。上汽和哈汽取消了主油泵，改為配置兩臺交流潤滑油泵(一用一備)為軸瓦提供潤滑。哈汽的頂軸油及盤車裝置也保持了其以往的設計。上汽超超臨界汽輪機設計液壓盤車，盤車設備安裝于高壓轉子自由端(即1號軸承座前)，采用由機組頂軸油為動力的液壓馬達驅動，自動嚙合并配有超速離合器，由于頂軸油系統是驅動液壓盤車的油源，所以增設了一臺頂軸油泵(兩用一備)。

1.5 調節保安油系統對比

東汽超超臨界汽輪機調節保安油系統也保持了其以往的設計。上汽和哈汽取消了低壓保安油部分的設計，省去包括機械超速飛錘、高壓備用密封油泵、隔膜閥等設備。

上汽調節保安油系統在每個汽門處設計了冗余的快關電磁閥和卸荷閥組，以保證在危急工況下汽門能迅速瀉油關閉。哈汽調節保安油系統則仍保留了在調節保安油母管上設計AST和OPC泄油通道的設計理念，由于取消了低壓保安油部分的設計，哈汽機組增設了一套獨立電超速轉速通道及配套的冗余電磁閥組跳閘模塊，保證其在轉速到達3 330 r/min時能通過該模塊泄掉安全油，引發汽輪機安全跳閘。

2 國產超超臨界汽輪機調試及運行期間的典型問題及建議

2.1 汽輪機轉子抱死問題

由于汽輪機進汽參數高，汽封間隙的設計值小，上汽超超臨界汽輪機要求熱態工況下軸封蒸汽溫度達到280～320℃，但輔助蒸汽往往沒有這么高的溫度，因而很多機組在高負荷跳閘后，汽輪機在盤車過程中發生轉子抱死現象。

對抱死的原因進一步分析：汽輪機熱態停機時，汽封供汽溫度偏低，而汽封腔室金屬溫度較高，兩溫度之間存在較大溫差，導致高、中壓缸端部汽封急劇冷卻發生變形，產生動靜碰摩并造成轉子抱死。根據分析提出以下防轉子抱死措施。

(1)在機組高負荷運行狀態下，汽輪機汽封系統自密封后仍要加強對汽封母管蒸汽溫度的監視，結合主機廠對于汽封供汽參數的要求，將熱態停機后的汽封供汽溫度控制在合適范圍；

(2)始終保證軸封備用汽源管路的充足疏水，避免汽封進水，增設汽封供汽電加熱器，加強電加熱器狀態檢查，保證一旦汽機跳閘，汽封供汽電加熱器能夠立即啟動、調節汽封供汽溫度；

(3)停機以后如出現了主軸抱死導致盤車無法投入的情況，可嘗試手動盤車。若手動盤車無法盤動轉子，則悶缸處理，待軸封間隙恢復、能夠盤動轉子時，進行間歇性手動盤轉子直軸，直至重新投入盤車；切忌強行盤動轉子，以免造成轉子永久性損傷；

(4)建議設計院和主機廠考慮設計另一路高溫備用汽源，比如冷再或者主汽來汽，用以預防汽封供汽電加熱器出現故障、無法投運的情況出現時，可以根據需要選擇溫度合適的汽封汽源。

2.2 高壓缸上下缸溫差大

東汽和哈汽的超超臨界機組高壓內缸均采用了筒型缸結構和紅套環密封技術。在機組啟動、運行和帶負荷階段，兩種機型均出現過上下缸溫差大的現象，甚至導致高壓內缸變形、致使轉子在熱態停機盤車狀態下抱死的問題。

以某東汽超超臨界機組項目為例，汽輪機前六次啟動過程中，在升速、空負荷、帶負荷階段，均出現了高壓缸上下缸溫差大的現象。其中，高壓內缸內壁上下溫差>50℃，高壓缸夾層上下溫差、高壓外缸內壁上下溫差更大。經分析檢查，缸溫差大的問題呈以下特點。

(1)由于高壓缸疏水設計不合理、疏水溫度低。現場檢查發現高壓缸外缸疏水設計不合理。同時高壓外缸部分疏水點閥后溫度未超過100℃，疏水不暢。

(2)高壓缸夾層內蒸汽流量不均勻、變化大。在機組帶負荷期間，經常出現負荷、主汽溫度穩定的工況下，夾層上半溫度大幅度變化的現象，幅度接近100℃。夾層蒸汽來源主要為內缸軸封漏汽，穩定負荷下不應出現溫度和流量大幅度變化。說明上下缸夾層內存在其他來源的不同溫度的蒸汽，懷疑可能是高壓內缸或與缸體相連的抽汽管道的結合面密封效果未達到設計要求，導致高壓內缸相關結合面存在漏汽，進入內外缸夾層對汽流形成了擾動。

(3)下補汽閥插管密封泄漏量過大。東汽超超臨界機組下補氣閥插管疏水引至高壓缸第五級下半夾層位置，解體檢查發現下缸補汽管道與內缸密封環配合間隙標準為0.017～0.05 mm，實測配合間隙局部達到0.09 mm，補汽閥插入管密封環存在泄漏現象。查看相關歷史數據，由于第五級漏汽溫度低于正常下隔層溫度，高壓缸下補汽閥插管密封漏汽至下隔層，漏入下隔層的低溫蒸汽對高壓內、外缸下部進行冷卻，導致高壓缸上隔層溫度始終高于下隔層溫度。

2.3 補汽閥開啟導致1、2瓦振動及軸向位移突跳問題

汽輪機設計補汽閥是為了提高機組運行的經濟性和增強負荷調節能力，從調門前閥體引出的主蒸汽經過補汽閥后分兩路回到高壓缸第5 級作功。

多臺上汽超超臨界汽輪機在補汽閥開啟后或到達一定開度時出現1/2瓦振動及軸向位移突跳現象，嚴重影響機組的過負荷調節能力。

以某上汽超超臨界660 MW機組項目為例，在機組帶負荷試運期間，補汽閥最大一次開至20%，此次補汽閥開啟的持續時間約30 min。在補汽閥開啟前后，軸向位移由-0.03 mm變化至0.05 mm，1瓦和2瓦振速變化均不到1 mm/s，振幅增大幅度達10～15 μm。

由這些數據來看，從補汽閥開啟到補汽閥開度達到20%的30 min內，1瓦和2瓦振動及軸向位移的波動較為明顯，但仍在安全范圍之內。結合其他上汽—西門子汽輪機的運行狀況，基本能夠得到結論：補汽閥開啟后或開度達到一定值時，汽輪機會隨之產生汽流激振，出現振動突跳現象，且補汽閥開度越小，1瓦和2瓦振動及軸向位移的波動幅度也就越小。

在實際調試過程中，可以在風險可控范圍內，通過機組補汽閥在典型工況開度與振動的試驗，確定汽流激振導致軸瓦振動、軸向位移突跳時的閥門開度上限，并將測試結果寫入DEH邏輯中，確保機組安全運行。

2.4 閥門活動試驗過程中汽輪機跳閘問題

上汽超超臨界汽輪機調節保安油系統，母管上未設計AST/OPC模塊，每個閥門的安全油來源于各自的進油母管，危急跳閘泄油功能是通過每個汽門各自設計的冗余快關電磁閥-卸荷閥模塊實現的。任一快關電磁閥動作，均可使對應閥門安全油壓消失而保證閥門快速關閉。汽輪機閥門活動試驗過程，分為閥門關閉和閥門恢復兩個過程。在閥門關閉過程中，閥門快關電磁閥帶電、同時模擬量指令置零，使閥門快關；隨后閥門恢復過程中，快關電磁閥恢復帶電，重新建立安全油，模擬量指令逐步恢復至試驗前狀態。

閥門活動試驗導致機組跳閘最常見的原因是EH油壓低跳機，主要是由于閥門恢復過程中，快關電磁閥動作后單向閥閥座未正常回座，安全油壓未建立的情況下模擬量指令開始恢復，伺服閥動作溝通了進油母管與泄油母管，造成EH油壓母管降低。當EH油壓低于汽輪機跳閘保護值時，會觸發汽機EH油壓低保護動作。

單向閥未正常回座的原因主要有兩個方面，一方面是由于快關電磁閥的節流孔堵塞而造成的單向閥的彈簧油壓不能正常建立。另一方面，油路中的雜質會造成單向閥卡澀，單向閥不能正常回座。

為了防止閥門活動試驗時出現意外，應該定期監視EH油油質。試驗時應嚴密監視EH油泵油壓及電機電流，防止過流，如出現意外情況，應立即中斷試驗，防止跳機。此外，也可以建立閥門防卡澀保護邏輯，當條件觸發時，應迅速切斷油動機進油，防止EH油母管油壓降低。

2.5 調閥嚴密性問題

哈汽超超臨界機組啟動時，掛閘暖閥過程中，高中壓主汽門打開3%后，汽輪機轉速即開始上升，盤車脫扣；直至主汽門全關后，轉速才開始下降。

這種調閥不嚴密現象由于機組調閥結構中存在卸載孔引起的。哈汽高參數超超臨界汽輪機組由于蒸汽參數高、閥門口徑大，為降低調閥開啟初始力矩，必須采用帶卸載孔結構形式的高壓調節閥、再熱調節閥，因此在高中壓主汽門全開的工況下，高壓調節閥、再熱調節閥全關時也會有少量蒸汽進入汽輪機導致轉速升高。

為保證此設計漏量不影響機組安全運行，根據哈汽廠B/Z18.21.1(R1)—2017《高參數超超臨界汽輪機閥門嚴密性試驗及甩負荷試驗判別準則》，須達到以下以下要求。

(1)在保證閥門在加工和安裝過程中符合廠家的公差范圍要求。

(2)應定期進行閥門嚴密性試驗，合格標準為主再熱蒸汽溫度不低于510℃，主再熱蒸汽壓力不低于額定值50%時：主汽閥，機組定速3 000 r/min,關閉四只主汽門，經過一段時間后，其轉速應低于(P/P0×1 000) r/min(其中，P為實際進汽壓力，應不低于50%額定主蒸汽壓力；P0為額定蒸汽壓力)；調節閥，機組定速3 000 r/min,關閉四只主調節汽門，經過一段時間后，其轉速應降至900～1 200 r/min。

(3)機組發生甩負荷或進行甩負荷試驗時，滿負荷下汽輪機動態超調量不應大于8%，即最高飛升轉速不應超過3240 r/min。

上汽超超臨界機組在調試期間也出現過類似調閥嚴密性問題。以某上汽超超臨界1 000 MW機組為例，在做機組調門嚴密性試驗時，汽機轉速沒有下降到可接受的轉速范圍，距可接受轉速還有十幾轉的差距。這也是由于調門自身結構中密封間隙過大，漏汽量超過設計裕度，導致調門嚴密性不合格。調試或運行期間，如發現該問題，嚴禁進行汽輪機甩負荷試驗，并擇機對調閥進行檢修。

2.6 潤滑油泵聯啟過程中機組跳閘問題

哈汽超超臨界汽輪機潤滑油系統取消了主油泵，增設了一臺交流潤滑油泵。多臺機組在交流油泵聯啟過程中，潤滑油母管壓力低于汽輪機潤滑油壓低跳閘值導致機組跳閘。廠用電全停工況下兩臺交流油泵全停，直流油泵啟動勵磁過程中，潤滑油母管壓力無法滿足軸瓦油膜形成的最低要求，汽輪機斷油燒瓦風險高。

發現該問題后，在潤滑油供油母管上(冷油器及濾油器后)增設了一組蓄能器，油泵聯啟過程中油壓過低的問題得以解決。

3 結語

三大汽輪機制造廠以提高機組熱效率為目標，以提高機組進汽初參數為中心思想，分別提出了各自的改造思路。本文對三大廠家的新型超超臨界機組進行了對比，總結了各自的結構和技術特點；針對國產超超臨界機組在調試、運行期間出現的典型問題，做出了分析。對更深層次地理解和掌握國產新型超超臨界機組的改造思路，提高機組在調試、運行環節的安全可靠性水平有一定積極作用。