1 000 MW二次再熱超超臨界汽輪機抱軸故障分析及優化

宗緒東，吳魯東

（1.華電國際技術服務分公司，山東 濟南 250014；2.華電萊州發電有限公司，山東 煙臺 261400）

0 引言

上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠引進西門子技術生產的超超臨界一次再熱、二次再熱1 000 MW機組，具有技術先進、效率高、系統簡單、運行靈活、快速啟動等特點，機組經濟性及實測熱效率達到世界先進水平。為了提高機組運行效率，減少機組內蒸汽泄漏造成的效率損失，汽輪機組動靜部件密封處的間隙往往都調整得很小，增加了運行過程中動靜部件發生碰磨的可能性［1］。采用上汽西門子技術的外高橋第三發電廠、國電北侖第一發電廠、華能玉環發電廠、天津國投北疆電廠等超超臨界一次再熱1 000 MW 機組，國電泰州、華能萊蕪發電廠等超超臨界二次再熱1 000 MW 機組均發生過機組非正常停運時，汽輪機轉子抱住、卡死不能盤車的事件，威脅機組運行安全［2-5］。當機組悶缸處理一段時間后，抱軸現象消失，可以正常啟動運行。經分析上述機組抱軸事件的一個共同點，機組非停后在切換輔汽備用汽源時，軸封供汽溫度均有較大幅度的下降并超過規程允許限值。如何控制好軸封供汽溫度，對機組安全運行有重要意義。2020 年7 月21 日，某超超臨界二次再熱機組在非停后恢復啟動過程中，發生了汽輪機抱軸故障，但整個啟動過程中軸封供汽溫度始終在規程運行范圍內。

1 1 000 MW 二次再熱超超臨界汽輪機組軸封系統

軸封供汽是指作為密封軸封汽的蒸汽，在電廠原先的熱力系統中，常見的軸封供汽的汽源是來自除氧器飽和蒸汽，隨著設計技術和制造工藝的不斷提高，高參數、大容量的新機組常采用自密封的軸封系統，所謂自密封的軸封系統，即指軸封密封汽是利用汽機本體的高壓端的軸封漏汽密封低壓端的軸封漏汽［6］。

3號、4號機組為上海汽輪機廠引進西門子技術設計制造的型號為N1000-31/600/620/620的1 000 MW超超臨界、二次再熱、五缸四排汽、反動式、單背壓凝汽式汽輪發電機組。主機軸封備用汽源由輔汽聯箱供汽，輔汽聯箱正常汽源由3號、4號機六段抽汽（額定壓力：0.777 MPa，溫度：401.5 ℃）供給，緊急情況下通過聯絡門由一期1號、2號機（東方汽輪機廠1 000 MW一次再熱超超臨界汽輪機組）輔汽聯箱供汽。一期輔汽聯箱正常由1 號、2 號機四段抽汽（額定壓力：1.159 MPa，溫度：392.8 ℃）供給，當1 號、2 號機負荷降低，四抽壓力不足時，輔汽聯箱可由再熱冷段（額定壓力4.823 MPa，溫度345.9 ℃）經調節閥節流后補充供汽。正常運行中3 號、4 號機軸封系統實現自密封，輔汽供軸封調節門關閉；超高壓缸軸封一檔漏汽接至高壓缸排汽管道；超高壓缸軸封二檔、高壓缸軸封一檔漏汽接至中低壓連通管；超高壓缸軸封三檔漏汽、高壓缸軸封二檔漏汽、中壓缸軸封一檔漏汽匯集至母管，一部分經減溫后向低壓軸封供汽，當母管壓力超限后，軸封母管漏汽經溢流調節閥進入10 號低加或凝汽器汽側；各軸封最外檔漏汽匯集至母管后進入軸封加熱器，空氣由軸加風機抽出排空；機組啟動、停止時，首先采用二期鄰機輔汽向本機各軸封供汽，當鄰機停運后，采用一期輔汽汽源。軸封供汽系統如圖1所示。

圖1 1 000 MW二次再熱汽輪機組軸封系統

2 抱軸故障分析

2.1 抱軸故障過程

2020 年7 月21 日，1 號、2 號、3 號機組運行，3 號機組進行容量核定試驗。17：05，負荷1 000 MW，發電機過激磁保護動作跳閘。切換一期輔汽供軸封，維持凝汽器真空-90 kPa 左右運行。18：36 投入盤車，大軸偏心為26 μm；19：14，值長下令點火啟動；22：30，凝汽器真空-84.8 kPa；22：31，啟動A 真空泵；22：50，真空升至-94.0 kPa。

7 月22 日00：05，大軸偏心升至35 μm，2 號、3 號、4 號軸承振動逐漸增大并波動；00：20，盤車轉速由54 r/min 逐漸降低；01：39 盤車轉速降至0，手動試盤車不動，隨后采取關閉汽缸等各部疏水門進行悶缸處理。

2.2 抱軸故障原因

2.2.1 高壓缸上下缸溫差大

7 月21 日22：30 至7 月22 日00：20 盤車轉速開始下降期間，超高壓內缸上下溫差基本維持在0.4 ℃左右，高壓內缸上下溫差由3.7 ℃逐漸增至9.5 ℃（未超設計30 ℃報警值），因此排除了高壓內缸上下溫度變大，造成汽缸變形動靜部分發生碰磨的原因。

2.2.2 超高壓缸和高壓缸軸封受冷卻變形

超高壓缸進汽側軸封和高壓缸兩側端部軸封均為轉子鑲齒式，與汽封塊組成高低齒，形成迷宮式汽封結構，汽封間隙設計值為0.60 mm，間隙對溫度變化較為敏感；超高壓端部排汽側為平齒式汽封結構，設計值為0.70 mm。超高壓缸、高壓缸端部軸封弧段被冷卻，短時間內溫度場急劇變化，產生應力變形，動靜間隙縮小發生碰磨，轉速逐漸降低至零。此過程與2號、3 號、4 號軸承振動變化及高壓缸上、下缸溫差變化相吻合。超高壓缸、高壓缸軸封受冷卻主要原因如下。

1）軸封供汽溫度低。

上海汽輪機廠對于1 000 MW 等級二次再熱機組輔汽供汽溫度的控制要求：當超高壓轉子溫度低于200 ℃時，汽源溫度控制240～300 ℃；當超高壓轉子溫度高于400 ℃時，汽源溫度控制320～350 ℃；當超高壓轉子溫度在200～400 ℃時，汽源溫度范圍在上述區間內變化；汽源供汽調節閥延遲最低關閉溫度為235 ℃，最高關閉溫度為360 ℃，如圖2 所示。實際運行中，因機組跳閘后輔汽聯箱溫度調節困難，為規避軸封斷汽風險，華電句容、華能萊蕪等多臺1 000 MW 二次再熱機組均已將輔汽溫度高、低閉鎖保護解除。

圖2 1 000 MW二次再熱機組軸封供汽溫度控制曲線

查閱歷史數據，7月21日17：00到7月22 日02：00，輔汽汽封供汽閥前溫度維持在322～381 ℃，如圖3所示。機組跳閘后，超高壓轉子溫度應在400 ℃以上，最低軸封供汽蒸汽溫度沒有低于上海汽輪機廠規定，因此排除了軸封供汽溫度低的原因。

2）真空快速上升，吸入冷空氣造成軸封冷卻。

文獻［7］認為：在汽輪機停機、抽真空狀態時，如軸封失壓將會導致大量冷空氣進入汽輪機高、中、低壓軸封處，進而可能造成汽輪機軸封抱死。該分析結論值得商榷，原因如下：停機后如破壞真空，各汽缸與外界壓力一樣，不會吸入大量空氣；拉真空時超高壓缸、高壓缸、中壓缸、低壓缸、凝汽器均處于壓力相同的真空狀態，壓力變化過程一致，沒有形成從軸封處吸入空氣的動力；由圖3 可以看出，3 號機軸封供汽壓力調節門前壓力始終維持在0.71～0.94 MPa，未發生軸封斷汽現象；假定軸封吸入大量空氣，空氣進入凝汽器后會造成凝汽器真空迅速下降，而此過程中3 號機凝汽器真空未降反升；西門子公司規定汽機軸封允許吸冷空氣的時間，每次發生進冷空氣的時間不能超過3 h，1 年累積不能超過30 h（見圖4），因空氣傳熱系數遠低于蒸汽，短時間吸入空氣不會造成軸封迅速冷卻。綜上所述，排除了真空快速上升，吸入冷空氣造成軸封冷卻這一原因。

圖3 3號機組軸封供汽壓力及溫度

圖4 西門子汽輪機軸封允許吸入冷空氣時間與高壓轉子溫度關系曲線

3）軸封供汽溫度突然降低及溫降速度過快。

文獻［8］通過對3 個電廠的超超臨界機組抱軸事件計算分析得出結論：軸封供汽溫度突然降低及溫降速度過快是導致機組在熱態停機時發生動靜部分碰磨乃至抱軸事故的主要原因。

3 號機組高壓缸進汽溫度為620 ℃，額定負荷高壓缸前、后軸封漏汽溫度超過400 ℃，前、后軸封齒溫度接近400 ℃。當機組跳閘后，按照上海汽輪機廠的規定，軸封通入320～350 ℃的輔汽，實際上對軸封齒是一個冷卻過程。但只要軸封供汽溫度控制在此區間，冷卻速度是可控的，能夠保證軸封與大軸的間隙在安全范圍。

從圖3 可以看出，7 月21 日17：00 到7 月22 日02：00 期間，雖然軸封供汽溫度始終維持在320 ℃以上，但7 月21 日20：00—21：00，軸封供汽溫度由380 ℃突降至335 ℃，供汽溫度下降速度快、幅度大，造成高壓缸前、后軸封快速冷卻，高壓缸前后軸封與大軸徑向、軸向間隙逐漸降至0，動靜碰磨造成抱軸。

軸封供汽溫度下降原因。因4 號機組停運，3 號機組跳閘后采用一期輔汽聯箱汽源，正常運行時由1號、2 號機組四段抽汽供，當壓力不足時可切換至冷再蒸汽供。查閱2 號機組歷史曲線（圖5），7 月21 日20：00，為提高輔汽供汽壓力，快速開大2 號機組冷再至輔汽聯箱調節閥，由于冷再蒸汽溫度低（320 ℃），造成輔汽聯箱蒸汽溫度快速下降。

圖5 2號機冷再供汽輔汽聯箱調節閥開啟造成輔汽聯箱溫度下降趨勢圖

3 優化方案

解決軸封供汽溫度低有兩種方法：一是增加外接輔助高溫汽源（主蒸汽），二是軸封供汽增加電加熱器。因3 號、4 號機主蒸汽壓力、溫度較高，改造工作量較大，因此排除外接輔助高溫汽源方案。

文獻［9-12］通過對國內超超臨界汽輪機組抱軸事件分析，制定了軸封輔汽汽源加裝電加熱器方案，改造后取得了良好效果。針對該公司3 號、4 號機組的現狀，應采取如下優化方案。

加強運行調整及監控。3 號、4 號機組同時運行時，二期輔汽聯箱溫度始終能夠滿足軸封供汽要求。但一臺機組停運，必須使用一期輔汽汽源。如一期機組冷再供輔汽調節門開啟速度過快，軸封供汽溫度不能滿足要求。因此當3 號、4 號機組任一臺機組停運后，應合理調整1 號、2 號機組負荷及冷再供汽調節門開啟速度，維持一期輔汽聯箱溫度相對穩定，避免大幅度快速波動。

利用機組檢修機會，在3 號、4 號機組輔汽供汽調節門前各加裝一組電加熱器及疏水管路。為了防止機組正常運行時電加熱器干燒，在電加熱器后增加常開的疏水管路，并且調整軸封電加熱器設置將軸封蒸汽溫度維持比較高的溫度范圍，通過少許的通流量來保證軸封電加熱器正常運行時的安全可靠性。機組正常運行時，通過對軸封電加熱器設置將軸封蒸汽溫度控制在350 ℃左右，以滿足軸封蒸汽和轉子的溫度限制，防止本機出現轉子抱軸甚至抱死的情況出現，改造方案詳見圖6。

圖6 加裝軸封電加熱器系統

4 結語

超超臨界汽輪機組軸封間隙小，對軸封供汽溫度及變化速率敏感，極熱態啟動如果控制不當會造成抱軸事件發生，威脅機組安全運行。對超超臨界二次再熱機組極熱態啟動過程發生的抱軸事件進行了分析，認為軸封吸入空氣造成軸封冷卻導致抱軸故障的結論值得商榷，指出一期輔汽汽源切換是造成軸封供汽溫度快速下降是抱軸發生的直接原因，并制定了針對性的運行控制和優化改造方案，問題得到解決，為國內同類型機組抱軸事件的分析與預防提供參考。