350 MW超臨界機組啟動中振動大跳閘分析及解決措施

趙 偉，李 然

（國家能源集團華北電力有限公司廊坊熱電廠，河北 廊坊 065000）

1 研究背景

350 MW汽輪機為超臨界、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽、凝汽式汽輪機，采用數字電液調節系統控制。高中壓部分采用合缸反流結構（高壓調節級為順流結構），低壓缸采用雙流反向雙層缸結構。主蒸汽經兩根主蒸汽管分別送至高壓主汽門前，經兩個高壓主汽門（臥式帶有預啟閥的高壓主汽門）、四個高壓調門后，由四根高壓進汽套管用滑動接合連接方式送到各噴嘴室。蒸汽流經調節級和壓力級葉片，通過高中壓外缸下側的一個排汽口排到再熱器。蒸汽流經再熱器后同樣經兩根蒸汽管送至中壓主汽門前，經兩個中壓主汽門（內部帶有預啟閥的單閥座式提升閥）、兩個中壓調門進入中壓缸，通過中壓缸排汽口的中低壓連通管導入兩個低壓缸中部，然后分別流向兩端排汽口進入下部凝汽器[1]。

汽輪機控制系統采用某數字電液DEH控制系統，高中壓缸聯合啟動方式（默認）：采用雙回路系統，即高壓缸—高壓排汽通風閥—凝汽器回路以及中低壓缸—凝汽器回路，600 rpm以前為中壓主汽門控制升速，600 rpm后以高壓主汽門與中壓調門共同控制升速至2 200 rpm，后在2 900 rpm進行高壓主汽門與高壓調門切換至正常運行方式。

此次停備進行的相關檢修工作：3號高壓導管保溫滴水消漏、主汽右側支管疏水氣動門內漏閥門更換、1號、3號抽汽逆止門氣缸檢查。

設備存在的主要缺陷：2號機右側高壓主汽門內漏，每次掛閘設完閥限后未升速前盤車自動甩脫。

2 沖轉升速過程

2020年3月26日，該機組按調度令要求進行啟動工作，2020年03月27日02∶53左右，機組具備掛閘條件，機組掛閘，中壓主汽門聯鎖打開，設定閥限100后，機組轉速上升，自動甩脫盤車，值班員立即設定轉速目標值600 rpm，升速率100進行升速，定速600 rpm后，停留10 min左右（包括打閘摩擦檢查時間），1瓦振動有小斜率緩慢上升，后設定升速目標至2 200 rpm升速率100，通過第一個臨界區間時升速率自動設為400，此時1瓦振動有明顯上升且無緩解，至第二個臨界區間時，因1瓦振動超限導致機組掉閘，轉速正常惰走至600 rpm以下后重新掛閘定速至600 rpm，停留1小時20分左右，重新沖轉至2 200 rpm進行中速暖機，后正常并網。

3 故障原因分析

首先從振幅的變化來說，沖轉至600 rpm以后，振幅明顯隨著時間的推移而有變大的趨勢，第一次沖轉在一階臨界轉速時有明顯的上升，且在掉閘惰走至一階臨界轉速區時振動有明顯的回頭，按照振動的機理來說，必然存在軸系的不平衡，但在第二次沖轉時，振動又恢復至正常狀態，則可以明確判斷此振動為轉子暫時性熱彎曲所致，第二次沖轉時的暫時性熱彎曲得到很大緩解甚至消除[2]。

轉子暫時性熱彎曲（不排除產生軸徑碰磨可能）的產生由不均勻受熱的溫度梯度決定，溫度梯度越大，熱彎曲越大，因無法直接檢測轉子溫度，以高中壓調閥內壁溫度與內外缸壁溫為觀測點對轉子受熱（冷）進行參數進行分析。

為更好地找到此次啟動振幅大掉閘的問題所在，從該機組的歷史啟動次數中，取出兩種較為典型的冷態啟動過程曲線和參數作為比對。分別為2020-03-27、2019-10-23、2017-10-16三次冷態啟動，其中2019年次距離此次啟動最近且與此次啟動最相似，2017年次則為相對較理想的啟動。啟動參數對比見表1。

通過表1的參數比對，得出以下簡要分析：沖車參數方面，三次啟動的主汽壓與再熱汽壓基本維持在相同水平，與冷態啟動要求相符，本次沖轉初始的再熱汽溫大于主汽溫32℃，2019年次啟動主汽溫大于再熱汽溫6℃，2017年次啟動主汽溫大于再熱汽溫23℃；1X振幅方面，本次啟動與2019年次啟動，振動在定速600 rpm后均表現出了一定程度的不穩定，隨時間振幅緩慢上升，區別是本次啟動進入二階臨界到跳閘振幅的斜率在快速升速，而2019年次在一階臨界前后僅有小幅度上升且在二階臨界后振幅峰值94μm后快速回落至正常值且持續穩定，2017年次啟動的振幅在定速600后則較為穩定，在一階臨界轉速后振幅有小幅的下降，在二階臨界后振幅峰值63μm后回落并穩定，在整個沖轉過程中未見明顯的振動惡化趨勢；調閥內壁溫度方面，本次啟動與2019年次啟動的調閥內壁溫度左右側均有較大的溫差且過程中內壁溫均有不同幅度的下降，而2017次啟動左右側內壁溫偏差很小且內壁溫在沖轉過程中均為上升；內外汽缸上下壁溫方面，本次啟動的內外缸壁溫同樣出現一定程度的下降，2019年次啟動則內缸出現一定程度的下降，而2017年次的啟動內外缸壁溫度均僅有0.5℃的溫度下降。

表1 啟動過程相關參數匯總表

本次啟動的再熱汽溫度大于主汽溫32℃，峰值達40℃，汽輪機說明書（限制值，預防措施和試驗）要求75%額定負荷以下，不允許再熱汽溫大于主汽溫，但主汽溫可以大于再熱汽溫83℃以內，高中壓缸合缸機組，高中壓缸進汽部分為沖轉初期承受的熱應力最大部分，需主汽溫度高于再熱汽溫度來維持高壓轉子與低壓轉子一致的膨脹量，確保高中壓缸及其轉子的金屬應力最小，所以沖轉過程中再熱汽溫明顯大幅大于主汽溫是轉子不平衡受熱的一個原因；本次在沖轉初期，再熱汽溫度大于425℃，峰值達450℃，參照說明書（啟動蒸汽參數）要求冷態再熱汽門前蒸汽溫度不超過410℃，空負荷與低負荷運行導則里的真空值為7 kPa對應的440℃，取低值為410℃，本次再熱汽溫度超上限較多，對于轉子來說，會形成更大的溫度梯度，即更大的彎曲。本次檢修工作涉及到汽缸周圍的組件較多，包括3號高壓導氣管、高壓缸抽汽管道和右側主蒸汽支管疏水管道，均進行了保溫拆除工作，汽缸部分進汽管道金屬溫度水平較低，而主機右側高壓主汽閥內漏導致無法進行前期的掛閘暖閥暖管工作，導致本次與2019年次啟動均存在一定程度的負溫差啟動，即進入汽缸的蒸汽溫度先降后升（尤其是高壓缸），但本次的降幅大于2019年次的降幅，且高調后左右側進汽管道金屬溫度的不匹配程度會加大左右側進汽的偏差，是造成轉子不平衡受熱的另一個原因。

4 解決措施

主再熱汽溫度控制不佳、未充分暖閥暖管是高中壓缸和轉子不平衡受熱的主要原因，產生可逆的暫時性熱彎曲，導致1瓦的振動在升速時迅速惡化并掉閘。應對措施主要針對嚴格控制再熱汽溫度等沖車參數，在沖轉前高效的對進汽管道和閥門預暖，建議采取如下措施：

1）沖轉過程中嚴格控制主、再熱汽溫度，尤其是再熱汽溫度冷態不大于410℃且不大于主汽溫度。

2）有機會盡快消除中壓調門內漏缺陷，沖轉前進行充分掛閘暖閥，將各進主調節汽門和汽缸的管道充分暖管。

3）無法消除中壓調門內漏缺陷時，采取600 rpm定速暖閥暖管，高壓調門設閥限100全開后，蒸汽通過高壓主汽門預啟閥進入調門蒸汽室，通過高壓導氣管疏水、進汽通風閥疏水和汽缸本體疏水進行主蒸汽支管、調節汽門蒸汽室和高壓導氣管暖管，疏水溫度達到要求后再進行2 200 rpm目標升速（具體溫度在下次啟動過程中確認），進行后續正常中速暖機和并網等操作，或在一階臨界轉速與二階臨界轉速區之間停留一個暖機轉速，進行適當停留暖閥暖管。

5 結論

采取上述措施后，后期機組啟動過程中未再發生由于振動大導致機組跳閘的事故，說明措施行之有效。機組啟動過程中，我們應及時消除設備缺陷，加強主、再熱汽溫的調整，密切監視缸溫及脹差變化，確保各項參數嚴格按照啟動曲線進行，保證汽輪機沖轉安全平穩。