158型汽輪機(jī)高壓缸上下缸溫差突變原因分析

楊帆，丁勇能

(杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州　310015)

158型汽輪機(jī)高壓缸上下缸溫差突變原因分析

楊帆，丁勇能

(杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州310015)

9FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在正常停機(jī)若干小時后，158型汽輪機(jī)高壓缸上下缸溫差急劇變化，導(dǎo)致機(jī)組在清吹階段因軸振大而中止啟動。通過對高壓主汽管道各區(qū)域溫度分布情況的分析和計算，找到造成高壓缸缸溫差異常的原因。

汽輪機(jī);高壓缸缸溫;突變

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸作為在高溫、高壓環(huán)境下工作的高精度主要部件，如果突發(fā)進(jìn)水故障，機(jī)組下缸通常會被快速冷卻，上下缸溫差急劇增大，導(dǎo)致汽缸產(chǎn)生較大的熱變形，嚴(yán)重時甚至?xí)騽屿o間隙消失而引發(fā)碰摩、大軸彎曲，造成葉片損傷或者斷裂，汽缸結(jié)合面漏汽，高溫金屬部件永久變形和由熱應(yīng)力引起的金屬裂紋，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行［1］。

因此，分析汽輪機(jī)汽缸進(jìn)水故障的現(xiàn)象、原因，制定完善的防進(jìn)水措施，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。

1　機(jī)組概況

某STAG 109FA SS燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)“一拖一”單軸機(jī)組，即1臺燃?xì)廨啓C(jī)、1臺蒸汽輪機(jī)、1臺發(fā)電機(jī)和1臺余熱鍋爐。蒸汽輪機(jī)為LN136-10.3/2.3/0.36/564/564/312雙缸三壓再熱抽凝式158型汽輪機(jī)，余熱鍋爐為自然循環(huán)、三壓、再熱、無補(bǔ)燃的NG-109F-R型余熱鍋爐。STAG 109FA SS軸系布置見圖1。

2015年2月18日00:56:00，機(jī)組根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度要求解列停機(jī)。鍋爐保溫保壓，爐側(cè)電動隔離閥保持開啟狀態(tài)，高壓主汽閥關(guān)閉，高壓主汽管路上各疏水閥關(guān)閉，汽輪機(jī)撤出軸封汽，破壞真空，處于盤車狀態(tài)。

2015年2月18日17:31:00，機(jī)組準(zhǔn)備頂峰運行，投軸封、抽真空。根據(jù)規(guī)程執(zhí)行燃?xì)廨啓C(jī)清吹程序(軸系由LCI拖動，轉(zhuǎn)速從0 r/min升至698 r/min清吹轉(zhuǎn)速，持續(xù)17 min)，機(jī)組3X軸振逐漸增大至0.154 mm，清吹程序中止。轉(zhuǎn)子惰走至零轉(zhuǎn)速，因盤車嚙合齒輪力矩超限，盤車自投失敗。檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組在啟動階段前的高壓缸上缸溫度為366℃，下缸溫度為231℃。

2　高壓缸溫差異常的原因分析

由于該158型汽輪機(jī)不設(shè)置抽汽管路、高低壓加熱器、獨立除氧器等設(shè)備，可以排除蒸汽或者水從抽汽管路、加熱器逆流進(jìn)入汽缸的可能性。

通過對歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場設(shè)備安裝情況的了解，根據(jù)高壓主汽流程(見圖2)和停機(jī)期間主汽溫度的變化趨勢(見表1、圖3)的分析，初步判斷為在停機(jī)若干小時后，有冷源介質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)，導(dǎo)致了上下缸溫差在短時間內(nèi)急劇增大。

表1　高壓主汽管路各敏感點溫度變化表

2.1高壓主汽管路溫度敏感點分析

從表1、圖3可見:機(jī)組00:56:00解列，04: 46:00爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐溫度(TE5020)從387℃開始快速降溫，05:28:00降溫至281℃趨于平緩，平均降溫速率為2.52 K/min。

06:53:00，汽輪機(jī)側(cè)主汽溫度(TTIS)從413℃開始快速降溫，07:52:00降溫至258℃趨于平緩，平均降溫速率為2.63 K/min。

08:33:00，汽輪機(jī)高壓缸上下缸溫差逐漸擴(kuò)大，至12:00:00左右，高壓缸上缸溫度447℃，下缸溫度108℃，上下缸溫差達(dá)到339 K的最大值。

2.2主汽管道內(nèi)冷源“介質(zhì)”的形成

從圖3分析，高壓主汽管道內(nèi)蒸汽溫度首先是從爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐開始降溫。根據(jù)現(xiàn)場查看和溫度測量，導(dǎo)致主汽管道內(nèi)冷源“介質(zhì)”形成的因素有:

(1)爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐半露天布置，位于爐頂29 m層平臺下方的鍋爐墻體與汽輪機(jī)主廠房墻體之間的“空氣”走廊上。該走廊風(fēng)速長期維持在10～15 m/s，且當(dāng)天凌晨環(huán)境溫度在5℃左右，疏水罐與外界換熱條件較好。

(2)爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐保溫棉材料為硅酸鋁氈，厚度為25 mm，且該疏水罐的熱電偶管座未保溫，暴露在空氣中。在機(jī)組正常運行時，通過紅外成像儀測量(見圖4)。該疏水罐保溫層外壁平均溫度為95.2℃，熱電偶管座外壁溫度可達(dá)476.5℃。

由圖4可見，該疏水罐的保溫棉厚度不足、熱電偶管座未保溫會導(dǎo)致熱量的大量散發(fā)。

(3)爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐疏水的冷卻。05:28:00，疏水罐的高壓主汽管道內(nèi)壓力為6.54 MPa，疏水罐內(nèi)的實測疏水溫度為281℃。由此可知，由于該疏水罐保溫不足、外部環(huán)境換熱條件好，在持續(xù)的放熱過程中，疏水罐內(nèi)過熱蒸汽逐漸的冷卻至凝結(jié)水。

(4)爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐內(nèi)冷卻的疏水量。

根據(jù)圖紙查閱，疏水罐體外筒體直徑D1= 0.35 m，內(nèi)筒體直徑D2=0.32 m，計算時取名義直徑D=(D1+D2)/2=0.335 m;筒體長度L=0.9 m。

疏水罐內(nèi)疏水溫度為ts=281℃，取疏水罐壁溫為tw=276℃，計算時定性溫度tm=(ts+ tw)/2=278.5℃。

由tm可查得該溫度對應(yīng)下的飽和水物性參數(shù)和汽化潛熱為:

近似為豎壁膜狀對流換熱:

疏水罐內(nèi)冷卻的疏水量為:

2.3主汽管道內(nèi)冷源“介質(zhì)”的流動

在爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐內(nèi)冷卻下的凝結(jié)水必然逐漸沿著高壓主汽管道向下流動，冷卻后的凝結(jié)水匯集到高壓主汽最低點+3.7 m層管道上(見圖5)。

高壓主汽+3.7 m層管路長度為L=3.6 m，內(nèi)徑Dn=305 mm，管道有效容積為0.262 9 m3。經(jīng)過3 h的匯集，爐側(cè)電動隔離閥前疏水罐內(nèi)冷卻的疏水與高壓主汽管道內(nèi)剩余蒸汽冷卻的部分疏水，約不少于242.58 kg(密度為810.68 kg/m3)，容積約0.299 2 m3的凝結(jié)水充滿+3.7 m層高壓主汽管道形成“水栓”。由于高壓主汽閥存在內(nèi)漏情況，“水栓”前主汽管路壓力逐漸降低，“水栓”前后產(chǎn)生壓差，推動“水栓”前進(jìn)至高壓主汽閥。

形成該“水栓”的凝結(jié)水通過高壓主汽閥泄漏至汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽管，此時該凝結(jié)水溫度為242℃，而高壓缸進(jìn)汽管與汽輪機(jī)高壓缸相通，在軸封汽未投入的情況下，該管段內(nèi)壓力近似為大氣壓力或者微正壓。部分凝結(jié)水瞬間汽化，體積膨脹約40～50倍，在短時間充滿高壓缸進(jìn)氣管后，進(jìn)入高壓缸內(nèi)。由于此時高壓缸下缸溫度為483℃，凝結(jié)水及汽化的蒸汽作為“冷源”介質(zhì)通過熱交換大量地吸熱，致使高壓缸下缸溫度急劇下降［2］。

在停機(jī)階段，汽輪機(jī)高壓缸排汽有兩條通道，見圖6。

從表1、圖3可見:08:33:00高壓缸上下缸溫差開始趨于變大，3 min后，本體擴(kuò)容器內(nèi)溫度(TE6702)從47℃迅速躍升到82℃，意味著有“高溫”介質(zhì)進(jìn)入了本體擴(kuò)容器。而與本體擴(kuò)容器連接的所有閥門中高壓通風(fēng)閥是唯一處于開啟狀態(tài)的閥門。

由此可以清晰地查明高壓主汽疏水的流經(jīng)途徑，見圖7。

綜上所述，由于機(jī)組高壓主汽管路保溫不佳，經(jīng)過若干小時后高壓主汽管道內(nèi)剩余的蒸汽部分冷凝為凝結(jié)水，通過高壓主汽閥泄漏至汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽管。由于高壓主汽閥后疏水閥因程序設(shè)定處于關(guān)閉狀態(tài)，凝結(jié)水或汽化后形成的“冷源”進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，因高壓缸缸體不設(shè)疏水閥，無法及時排出的“冷源”介質(zhì)逐漸充滿高壓缸下缸，致使高壓下缸受冷后急劇冷卻，最終使得高壓缸上下缸產(chǎn)生339 K的巨大溫差。

3　防范措施

汽輪機(jī)機(jī)組運行中要加強(qiáng)對重要設(shè)備、部件的維護(hù)，保證如高壓主汽閥等重要閥門的動作靈活可靠、關(guān)閉嚴(yán)密和缸溫測點的可靠有效，發(fā)現(xiàn)缺陷及時消除。

完善機(jī)組重要管道、區(qū)域的保溫，對于破損、松動的保溫要第一時間給予修復(fù)。

在停機(jī)后要嚴(yán)密監(jiān)視、定時記錄汽缸內(nèi)壁溫度、大軸彎曲值、盤車電流、汽缸膨脹、脹差等參數(shù)［1］。若機(jī)組啟動前上下缸溫差大于50 K，因停止執(zhí)行啟機(jī)程序，采取有效措施降低上下缸溫差。

對于日開夜停的兩班制機(jī)組，在停機(jī)后要注重監(jiān)視主汽管道各部位的疏水溫度，如發(fā)生短時間內(nèi)溫度突降現(xiàn)象，因開啟相應(yīng)位置疏水閥，排除管道累積疏水［3］。

4　結(jié)語

汽輪機(jī)汽缸進(jìn)水會危害機(jī)組安全運行，有可能造成重大的設(shè)備事故。筆者通過對高壓主汽管路各敏感點溫度的分析，希望對目前越來越多實行日開夜停的調(diào)峰兩班制燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的安全啟動有一定的借鑒意義。

［1］李曉波，陳德強(qiáng).汽輪機(jī)汽缸進(jìn)水原因分析及處理［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011，29(5):36-39.

［2］付建國，李廣金，趙愛軍，等.機(jī)組快速減負(fù)荷過程中高缸壁溫劇降現(xiàn)象的分析與解決［J］.河南電力，2001(1):15-17.

［3］林健秋.高壓缸缸溫異?，F(xiàn)象的分析與探討［J］.廣西電力，2011，34(1):49-51.

Cause Analysis on Sudden Change of Temperature Difference between Upper and Lower Casing of HP Cylinder in a 158 Type Turbine

Yang Fan，Ding Yongneng
(Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd.，Hangzhou 310015，China)

After normal shutdown of a 9FA gas-steam combined cycle unit for several hours，the temperature difference between upper and lower casing of its high-pressure cylinder in the 158 type turbine changes violently，resulting in startup termination of the unit in purging stage due to shaft vibration.The causes are finally found through analysis and calculation on the temperature distribution at different areas of the high-pressure main steam pipe.

steam turbine;temperature of HP cylinder;sudden change

TK267

A

1671-086X(2016)01-0054-04

2015-07-20

楊帆(1974—)，男，高級工程師，主要從事電廠工程技術(shù)管理和行政管理工作。

E-mail:yangfan_golf@126.com