汽封供汽汽源溫度匹配的探索和實(shí)踐

杜開榜，童宏仙，劉孝峰

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海200240)

汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)的功能是減少動靜間隙的漏汽，汽輪機(jī)端部汽封可防止汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽溢出至大氣，并防止空氣進(jìn)入汽輪機(jī)和凝汽器，通過維持汽封供汽母管的微正壓和汽封漏汽母管的微負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)密封功能。在機(jī)組啟停和低負(fù)荷時，需要引入外部蒸汽來實(shí)現(xiàn)汽封供汽母管的微正壓。在機(jī)組高負(fù)荷時，則通過內(nèi)部高中壓漏汽來維持汽封供汽母管的微正壓，此時無需外部蒸汽的引入，俗稱機(jī)組達(dá)到自密封。汽封系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系著機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，而汽封供汽溫度的匹配則是汽封系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

目前上海汽輪機(jī)廠所設(shè)計的超超臨界汽輪機(jī)均采用單路輔助蒸汽作為機(jī)組啟動和低負(fù)荷時汽封系統(tǒng)的密封蒸汽汽源，通過溫度匹配來滿足機(jī)組在所有工況下對軸封蒸汽的需求。

采用單路汽源設(shè)計的汽封系統(tǒng)，系統(tǒng)配置有一個供汽閥門站和一個溢流閥門站。汽封供汽閥門站及溢流閥門站分別采用1路氣動調(diào)節(jié)閥加1路手動調(diào)節(jié)閥，以保證汽封系統(tǒng)的正常工作。正常情況下，汽封系統(tǒng)通過氣動閥門的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化操作。手動調(diào)節(jié)閥作為備選方案，在汽封系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)功能故障工況下(如分布式控制系統(tǒng)故障，測點(diǎn)反饋故障或定位器故障等)使用，以實(shí)現(xiàn)上述特殊工況下機(jī)組汽封系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在確保實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下簡化系統(tǒng)配置，可有效地降低因設(shè)備故障導(dǎo)致的系統(tǒng)異常，便于現(xiàn)場的控制和維護(hù)。

單路汽源汽封系統(tǒng)的汽源溫度的選取主要基于3點(diǎn)：保證各種工況下軸封處轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在正常范圍，保證汽封端部的差脹正常，以及保證不會有凝結(jié)水進(jìn)入汽輪機(jī)。為確保各種啟動和停機(jī)工況下轉(zhuǎn)子和端部汽封的安全性，汽封系統(tǒng)對汽封蒸汽溫度有嚴(yán)格的限制，當(dāng)汽封供汽溫度超出許用的溫度范圍時，須嚴(yán)格禁止不合格蒸汽的進(jìn)入[1]。目前國內(nèi)已投運(yùn)的超超臨界機(jī)組中，部分電廠出現(xiàn)了由于汽封供汽溫度過低導(dǎo)致的大軸抱死的事故[2]。同樣，若汽封蒸汽溫度過高，則會影響轉(zhuǎn)子壽命和端部差脹，這也會給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來隱患。針對這些問題，本文從輔助蒸汽來源進(jìn)行分析，結(jié)合軸封供汽溫度要求，提出一種控制汽封供汽溫度，使其滿足要求的思路。

1 汽封用輔助蒸汽來源簡述

電廠輔助蒸汽均來源于輔助蒸汽聯(lián)箱，輔助蒸汽系統(tǒng)的作用是保證機(jī)組安全可靠的啟停，以及在機(jī)組低負(fù)荷或異常工況下提供整個電廠需要的汽源。除去汽輪機(jī)軸封用汽外，其還提供除氧器用汽、鍋爐暖風(fēng)用汽以及其他用汽。典型的輔助聯(lián)箱設(shè)計如圖1所示。

圖1 典型的用戶輔助蒸汽聯(lián)箱設(shè)計

為確保輔助聯(lián)箱的安全可靠，輔助聯(lián)箱往往設(shè)置多路來汽，典型的輔助聯(lián)箱來汽設(shè)計包含啟動鍋爐來汽、老廠來汽、本機(jī)冷再熱蒸汽以及本機(jī)抽汽。同時，2臺或多臺機(jī)組的輔助聯(lián)箱互相連通，互作備用，以確保輔助蒸汽的穩(wěn)定性。典型的輔助蒸汽聯(lián)箱的蒸汽來源如下：

1)啟動鍋爐來汽，由啟動鍋爐燃燒產(chǎn)生，適用于單臺機(jī)組的首次啟動。

2)老廠來汽，來自電廠老機(jī)組輔助聯(lián)箱蒸汽，在參數(shù)匹配的情形下可以滿足機(jī)組各工況的軸封蒸汽需求。

3)本機(jī)抽汽，來自本機(jī)組的某段抽汽(一般為4段抽汽)。

4)冷再熱蒸汽，由本機(jī)組的冷再熱蒸汽管道接入輔助聯(lián)箱。在冷再熱管道有汽的工況下可以一直供應(yīng)輔助蒸汽。

當(dāng)輔助蒸汽來源于老廠或啟動鍋爐來汽時，由于老廠或啟動鍋爐本身溫度略低，或由于管道存在溫降，當(dāng)電廠實(shí)際運(yùn)行時，在采用老廠來汽或啟動鍋爐來汽作為軸封蒸汽汽源時，汽封供汽閥門站前溫度往往不滿足設(shè)計需求。當(dāng)軸封蒸汽來源于本機(jī)抽汽或冷再熱蒸汽時，其溫度高于軸封用汽需求。由于在機(jī)組自密封階段不需要外部蒸汽，因此汽封供汽閥門站前蒸汽基本無流動，而輔助蒸汽溫度的下降容易造成供汽閥門站前積水，此時一旦機(jī)組需要供應(yīng)大量外部蒸汽，就會導(dǎo)致軸封供汽無法滿足需求。如果輔助蒸汽聯(lián)箱與汽封供汽的需求不一致，則在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行中易發(fā)生軸封溫度不滿足設(shè)計要求的情況。

2 汽封用蒸汽匹配解決方案

通過輔助蒸汽聯(lián)箱的配置情況可以看出，輔助蒸汽聯(lián)箱與汽封供汽溫度的需求存在一定的不匹配性。針對現(xiàn)場運(yùn)行過程中閥門站前溫度不滿足要求的情況，對輔助聯(lián)箱至供汽閥門站前的配置進(jìn)行了優(yōu)化。問題主要原因及相應(yīng)的優(yōu)化方案如下：

1)輔助蒸汽管道溫降較大。為防止供汽閥門站前出現(xiàn)死汽，一般在設(shè)計時考慮在閥門站前加設(shè)暖管用節(jié)流孔板，輔助蒸汽溫降較大的原因在于暖管節(jié)流孔板的通流能力不足導(dǎo)致沒有足夠的蒸汽加熱管道，致使因管道散熱導(dǎo)致蒸汽冷卻降溫。但若擴(kuò)大節(jié)流孔板，則會導(dǎo)致蒸汽的浪費(fèi)。基于經(jīng)濟(jì)性與可控性考慮，可加設(shè)預(yù)暖疏水閥，當(dāng)暖管節(jié)流孔板的暖管能力不足時將其打開，以確保閥門站前溫度不會過低。

2)輔助蒸汽來源溫度較高，超過設(shè)計允許值。對此可通過加設(shè)減溫器，以確保蒸汽溫度滿足要求。

3)輔助蒸汽溫度來源偏低，低于設(shè)計允許值。對此可通過加設(shè)電加熱裝置，以確保蒸汽溫度滿足要求。

輔助聯(lián)箱至汽封閥門站前優(yōu)化匹配推薦配置如圖2所示。

圖2 輔助聯(lián)箱至汽封閥門站前優(yōu)化匹配推薦配置

通過加設(shè)暖管用孔板、疏水閥、減溫器以及電加熱器可以有效解決輔助蒸汽聯(lián)箱與汽封供汽需求不一致的問題，但由于加設(shè)了相應(yīng)的設(shè)備，需要進(jìn)行相應(yīng)的邏輯控制，以確保各設(shè)備安全可靠地投入運(yùn)行。

部分電廠在實(shí)際運(yùn)行中已有增設(shè)電加熱器、減溫器及暖管用節(jié)流孔板的考慮[3-5]，但未針對詳細(xì)的控制邏輯進(jìn)行分析。本文結(jié)合典型的配置方案，針對電廠實(shí)際運(yùn)行效果，對控制邏輯進(jìn)行詳細(xì)的研究，提出一套可靠的控制方案。

3 輔汽至汽封閥門站各設(shè)備邏輯控制優(yōu)化探索

3.1 某電廠運(yùn)行情況分析

某電廠采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的新型超超臨界二次再熱機(jī)組，其輔助蒸汽來源于老廠來汽、本機(jī)冷再熱蒸汽、本機(jī)6段抽汽以及鄰機(jī)輔助聯(lián)箱。輔助聯(lián)箱至汽封閥門站前設(shè)有汽封電加熱器、減溫器、節(jié)流孔板及預(yù)熱用疏水閥。雖增設(shè)了用以解決輔助聯(lián)箱與汽封供汽需求矛盾的全部設(shè)備，但在實(shí)際使用過程中，由于邏輯控制的不完善，仍出現(xiàn)了供汽溫度需求與輔助蒸汽不一致問題。

電廠原控制邏輯如圖3所示。當(dāng)汽封溫度高于供汽溫度值上限時，投入減溫器，使減溫器出口溫度達(dá)到整定值。當(dāng)汽封溫度低于啟動電加熱器下限時，投入電加熱器，使其出口溫度達(dá)到整定值。當(dāng)汽封閥門站前溫度超出供汽溫度允許范圍(高于上限或低于下限時)，汽封供汽閥門站關(guān)閉。

圖3 電廠原控制邏輯

在某次停機(jī)過程中，由于機(jī)組輔助蒸汽聯(lián)箱來汽溫度偏高，因此投入減溫器以將出口溫度維持在整定值。減溫器出口溫度(供汽閥入口)的波動導(dǎo)致汽封供汽閥門站頻繁開關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致供汽不穩(wěn)定。停機(jī)閥門站前溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 電廠某次停機(jī)閥門站前溫度變化曲線

在電廠另一次停機(jī)過程中，輔助蒸汽聯(lián)箱來汽溫度偏低，且電加熱器響應(yīng)時間較慢，導(dǎo)致閥門站前溫度低于設(shè)定值，機(jī)組無法供應(yīng)穩(wěn)定的軸封用汽。此次停機(jī)閥門站前溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 電廠另一次停機(jī)閥門站前溫度變化曲線

3.2 解決方案

前文問題的主要原因在于減溫器及電加熱器的調(diào)溫存在一定的波動且信號需要一定的響應(yīng)時間，而一旦汽封供汽閥門站前的溫度不滿足供汽閥的要求，則汽封供汽閥門強(qiáng)制關(guān)閉，導(dǎo)致供汽中斷。需要對邏輯進(jìn)行優(yōu)化完善，以確保各設(shè)備的正常工作。

3.2.1 降低減溫器出口整定值

適當(dāng)?shù)亟档蜏p溫器出口的整定值，以確保出口溫度的波動不會導(dǎo)致溫度超限。以減溫器前溫度測點(diǎn)作為判定減溫器開啟的依據(jù)，電加熱器與減溫器工作進(jìn)行反聯(lián)鎖，正常運(yùn)行時只能有一個設(shè)備在運(yùn)行。

減溫水調(diào)節(jié)閥開啟邏輯如下：

1)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度低于200 ℃時，如果減溫器前溫度高于300 ℃，則開啟減溫水調(diào)節(jié)閥；

2)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度高于400 ℃時，如果減溫器前溫度高于350 ℃，則開啟減溫水調(diào)節(jié)閥；

3)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度在200～400 ℃時，減溫器開啟溫度在二者之間。

減溫器出口整定值設(shè)定如下：

1)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度高于200 ℃時，設(shè)定減溫器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)為280 ℃；

2)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度高于400 ℃時，設(shè)定減溫器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)為335 ℃；

3)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度在200～400 ℃時，設(shè)定減溫器整定溫度在二者之間。

優(yōu)化后減溫器控制邏輯如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后減溫器控制邏輯

3.2.2 降低電加熱器出口整定值

適當(dāng)?shù)亟档碗娂訜崞鞒隹诘恼ㄖ?，以確保出口溫度的波動不會導(dǎo)致溫度超限。以電加熱器前溫度測點(diǎn)作為判定電加熱器開啟的依據(jù)，電加熱器與減溫器工作進(jìn)行反聯(lián)鎖，正常運(yùn)行時只能有一個設(shè)備在運(yùn)行。

電加熱器開啟邏輯如下：

1)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度低于200 ℃時，如果電加熱器前溫度低于240 ℃，則開啟電加熱器；

2)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度高于400 ℃時，如果電加熱器前溫度低于320 ℃，則開啟電加熱器。

電加熱器出口整定值設(shè)定如下：

1)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度低于200 ℃時，將電加熱器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)設(shè)定為280 ℃；

2)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度高于400 ℃時，將電加熱器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)設(shè)定為335 ℃；

3)當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度在200～400 ℃時，將電加熱整定溫度設(shè)定在二者之間。

優(yōu)化后電加熱器控制邏輯如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后電加熱器控制邏輯

3.2.3 控制邏輯優(yōu)化

為便于減溫器和電加熱器的調(diào)溫響應(yīng)，防止在調(diào)溫波動過程中出現(xiàn)閥門站關(guān)閉的情況，對供汽溫度超限導(dǎo)致供汽閥門站關(guān)閉的控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化：

1)當(dāng)閥門站前溫度低于供汽溫度允許值下限且高于溫度低無延遲關(guān)閥門曲線時，發(fā)出報警信號，并延遲關(guān)閉軸封供汽閥；

2)當(dāng)輔助蒸汽溫度低于溫度低無延遲關(guān)閥門曲線時，立即關(guān)閉軸封供汽調(diào)節(jié)閥；

3)當(dāng)閥門站前溫度高于供汽溫度允許值上限且溫度低于400 ℃時，發(fā)出報警信號并延遲關(guān)閉軸封供汽閥；

4)當(dāng)閥門站前汽封供汽溫度測點(diǎn)大于400 ℃時，立即聯(lián)鎖關(guān)閉軸封供汽調(diào)節(jié)閥。

優(yōu)化后供汽閥門站與閥前溫度的控制邏輯如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后供汽閥門站與閥前溫度的控制邏輯

3.2.4 其他注意事項

需快速將減溫器和電加熱器的溫度穩(wěn)定在整定值范圍內(nèi)，波動不得超過10 ℃。當(dāng)閥門站前溫度低于260 ℃時,打開預(yù)熱用疏水閥;當(dāng)該溫度超過265 ℃時，關(guān)閉預(yù)熱用疏水閥。雖然有一系列的邏輯控制，建議現(xiàn)場仍需要密切關(guān)注汽封供汽溫度。

4 結(jié) 論

本文基于電廠輔助蒸汽與汽封供汽不匹配的現(xiàn)象，對輔助蒸汽來源和典型的配置方案(電加熱器、減溫器、暖管孔板及疏水閥)及相關(guān)控制邏輯進(jìn)行了分析,提出了一套具有實(shí)際操作性的汽封用汽匹配方案和控制邏輯。此方案可以解決目前部分電廠存在的輔助蒸汽與汽封供汽不匹配的問題，可以有效地確保汽封供汽的穩(wěn)定性，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。