高壓缸應力大造成機組跳閘分析與處理

劉永友

(安徽淮南平圩發(fā)電有限責任公司，安徽 淮南 232089)

0 引言

某電廠3期2×1 000 MW機組使用北重阿爾斯通(北京)電氣裝備有限公司(ALSTOM)生產(chǎn)的四缸、四排汽、一次再熱反動式凝汽汽輪機，其控制系統(tǒng)采用ALSTOM的P320-V4系統(tǒng)。高壓缸有2個高壓主汽截止閥、2個高壓主調(diào)節(jié)閥、2個過載閥；中壓缸有2個中聯(lián)主汽截止閥、2個調(diào)節(jié)閥。

金屬部件若受熱不均，會出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生熱應力；溫差越大，熱應力也越大。部件高溫部分受到壓縮應力，低溫部分受到拉伸應力，而壓縮和拉伸應力交錯循環(huán)將會導致金屬產(chǎn)生疲勞裂紋，消耗設備的使用壽命；裂紋逐漸擴大，直到設備斷裂失效。汽輪機在非穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，汽輪機轉(zhuǎn)子表面溫度變化優(yōu)先于轉(zhuǎn)子中心溫度變化，由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子應力變化。轉(zhuǎn)子應力除了與溫度有關外，還與轉(zhuǎn)子的幾何尺寸、材質(zhì)等相關。ALSTOM的汽輪機不僅將應力計算應用于汽輪機啟停及升降負荷過程中，而且將應力作為汽輪機的重要保護項目直接作用在汽輪機保護控制系統(tǒng)。

1 故障簡述

2016-11-27T21:34:36，電廠6號機組負荷從961.6 MW降至893.5 MW，高壓缸熱應力溫度從461.1 ℃升至476.2 ℃，高壓缸實際應力從2.2 %升至65.8 %，升負荷裕度由100 %降至79.5 %，高排壓力從4.98 MPa降至4.59 MPa。

21:52:36，6號機組負荷降至829.5 MW，熱應力溫度升至495.7 ℃，高壓缸實際應力從65.8 %升至103.2 %，升負荷裕度降至-7.4 %，汽輪機熱應力強制甩負荷動作，高調(diào)閥流量指令由78 %開始下降。

21:54:44，高調(diào)閥指令降至25.8 %，負荷降至312 MW，鍋爐給水流量低，鍋爐MFT動作，聯(lián)鎖汽輪機跳閘。

2 檢查過程

2.1 邏輯動作

汽輪機高壓缸應力大于102 %，對應的汽輪機升負荷裕度小于-5 %，高壓缸應力大強制甩負荷到0條件觸發(fā)，甩負荷速率20 %/min；汽輪機高壓調(diào)閥快速關閉，機組給水流量不足，給水流量低條件觸發(fā)鍋爐MFT。

2.2 應力測點檢查

對高壓缸應力溫度測量回路進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，該溫度元件為3支，趨勢顯示一致且無突變或壞點現(xiàn)象，排除元件及測量回路故障。因探頭測量實際溫度顯示偏低，檢查溫度探頭校驗記錄，U601A檢修該應力溫度元件校驗合格。

3 原因分析

圖1 高壓缸應力溫度組件安裝示意

高壓缸應力溫度測點安裝在高壓缸內(nèi)缸進汽口處，應力溫度組件通過高壓缸內(nèi)缸和外缸之間的套筒安裝在內(nèi)缸壁上，安裝示意如圖1所示。套筒頭部圓形密封，探頭頭部與高壓內(nèi)缸內(nèi)表面的距離為5 mm，高壓缸內(nèi)壁與高壓缸進汽直接接觸，該測點溫度近似于高壓缸轉(zhuǎn)子表面溫度。溫度探頭安裝到位后，將溫度探頭和彈簧盤焊接在一起，防止探頭在套管內(nèi)晃動(在第1次安裝時確認)。在彈簧盤后元件有一個S彎，防止探頭因高壓缸內(nèi)外缸膨脹或收縮而損壞。S彎出口焊接在法蘭盤上，法蘭盤固定在高壓外缸上。

第1次安裝調(diào)整后，彈簧盤處點焊固定，即彈簧盤至探頭端部距離固定。正常時高壓缸內(nèi)外缸間間隙固定，探頭端部與高壓缸內(nèi)缸壁可靠接觸，溫度測量準確。若探頭未緊貼內(nèi)缸壁，探頭測量溫度將降低且受套管內(nèi)氣體溫度影響。若套管密封不嚴，高壓缸排汽將影響探頭測量，造成探頭溫度降低，且在工況變化時溫度變化幅度更大，從而造成應力大幅變化。

結合機組MFT前高壓缸應力溫度變化趨勢分析，確認高壓缸應力溫度探頭未緊貼高壓內(nèi)缸內(nèi)壁，造成溫度測量值偏低且負荷變化時應力溫度波動大，從而造成此次變負荷過程中高壓缸應力值大于102 %。

4 處理措施

機組停運后，測量高壓缸應力測點相關參數(shù)，測點位置如圖2所示。測量高壓缸應力探頭彈簧盤至探頭頂部距離A為395 mm；測量高壓缸彈簧固定面至最深處距離F為13 mm，算得應力探頭彈簧至探頭頂部距離G為382 mm。實際測量該值為375 mm，小于G值7 mm，因此高壓缸應力探頭頂部不能觸及內(nèi)缸內(nèi)壁，無法準確反映高壓缸應力實際變化。

拆除應力探頭后，發(fā)現(xiàn)密封組件內(nèi)5個圓墊片與1個密封環(huán)裝反。測量套筒頂部到外缸法蘭面距離B為51 mm，套筒長度為230 mm，C為290 mm，計算D為9 mm，符合標準。

圖2 高壓缸應力測點相關參數(shù)測量

將高壓缸應力探頭密封組件重新調(diào)整，保持D值不變。安裝后測得F為21 mm，算得G為374 mm，應力探頭可達到底部，可以準確反映高壓缸應力變化。按此標準安裝后，高壓缸應力測量準確，機組運行正常。

5 結束語

ALSTOM汽輪機應力控制模型，在實際應用中體現(xiàn)了一定的優(yōu)越性：在應力不超過允許值的情況下，加快了汽輪機啟停和負荷變動的速度，縮短了機組啟停時間，減少了機組啟停及大幅度變負荷過程中對汽輪機材質(zhì)的損害，延長機組使用壽命，提高了機組的安全性及經(jīng)濟性。

此次高壓缸應力值大造成機組跳閘的根本原因是應力探頭安裝不到位，反映出機組檢修時對應力探頭的安裝不規(guī)范、驗證不到位。為此，升級了應力探頭安裝文件版本，明確安裝標準，確保一次元件測量可靠。同時，機組在正常變負荷過程中高壓缸應力溫度出現(xiàn)如此大的波動，可以確定應力溫度測量不準確；此時應解除相關應力溫度保護后對測點進行檢查，并加強相關參數(shù)監(jiān)視。