350 MW超臨界汽輪機(jī)冷態(tài)啟動中壓缸脹差大的分析及處理

吳興無， 姚志宏， 邱 琛， 譚 銳， 何新榮

(1. 國家能源集團(tuán)宿州熱電有限公司，安徽宿州 234000；2. 國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210046)

金屬構(gòu)件受熱后，會在長、寬、高的方向上均發(fā)生膨脹，其膨脹量和膨脹速率與金屬材料膨脹系數(shù)、傳熱邊界(如對流傳熱系數(shù)、流體流速等)等因素有關(guān)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸從冷態(tài)到帶負(fù)荷運行，金屬溫度變化非常大。轉(zhuǎn)子的體積較小，溫升和熱膨脹較快；而汽缸的體積較大，溫升和熱膨脹較慢。因此，轉(zhuǎn)子和汽缸在機(jī)組的啟停、暖機(jī)和升速過程中會存在一定的熱膨脹差[1-2]。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組存在通流間隙小、滑銷系統(tǒng)卡澀、沖轉(zhuǎn)參數(shù)和暖機(jī)轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)?shù)葐栴}時，機(jī)組在冷態(tài)啟動過程中容易出現(xiàn)脹差偏大的問題。這會造成機(jī)組冷態(tài)啟動過程時間延長，嚴(yán)重時甚至?xí)饎屿o部件摩擦、機(jī)組軸系振動等一系列故障。因此，脹差保護(hù)成為汽輪機(jī)監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分[3-4]。

筆者通過分析某電廠2臺350 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)運行參數(shù)、安裝和檢修情況及機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)，分析該型機(jī)組冷態(tài)啟動中壓缸脹差偏大的原因，實施了相應(yīng)的處理措施。

1 機(jī)組運行情況

1.1 機(jī)組概況

該型汽輪機(jī)是通過引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的改進(jìn)型汽輪機(jī)。汽輪機(jī)高、中壓部分為分缸結(jié)構(gòu)，具有獨立的高壓缸和中壓缸；汽輪機(jī)低壓部分為雙流、雙排汽的低壓缸。中壓缸采用內(nèi)缸加隔板套的結(jié)構(gòu)，同時中壓缸設(shè)計采用整體錐筒結(jié)構(gòu)，并且加厚缸壁以提高汽缸的剛性。中壓轉(zhuǎn)子采用無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子，中壓共有7級葉輪，中壓轉(zhuǎn)子1～7級均為菌型葉根槽。

該型汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸的靜止部分死點位于汽輪機(jī)軸線與中壓缸和低壓缸中間的軸承箱底部橫向鍵中心線交點上，高壓缸和中壓缸的靜止部分以死點為中心向機(jī)頭膨脹。推力軸承位于高壓缸和中壓缸之間的軸承箱內(nèi)。運行時，推力軸承帶動整個軸系隨中間軸承箱向前移動，轉(zhuǎn)子以推力軸承為相對死點向機(jī)頭、機(jī)尾膨脹。機(jī)組在高壓轉(zhuǎn)子前端(前軸承箱內(nèi))、中壓轉(zhuǎn)子后端(中壓缸和低壓缸間的軸承箱內(nèi))和低壓轉(zhuǎn)子后端(低壓缸后軸承箱內(nèi))裝有脹差傳感器，用于測量高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子與對應(yīng)的汽缸熱膨脹的差值(分別簡稱為高壓缸脹差、中壓缸脹差和低壓缸脹差)。脹差以轉(zhuǎn)子的熱膨脹值大于靜子的熱膨脹值為正，反之為負(fù)。中壓缸正脹差保護(hù)值根據(jù)中壓通流部分間隙最小軸向間隙(中壓轉(zhuǎn)子第7級間隙)確定為6.5 mm。

1.2 機(jī)組冷態(tài)啟動運行情況

5號機(jī)組第一次C修后的冷態(tài)啟動過程中，在帶初負(fù)荷(28～30 MW)階段，中壓缸缸脹為18 mm，中壓缸脹差最大達(dá)到了6.8 mm(保護(hù)值為6.5 mm)，造成中壓缸脹差保護(hù)動作。該機(jī)組投運后的2年里又發(fā)生了3次冷態(tài)啟動過程中，因中壓缸脹差大造成啟動失敗的事故。該電廠6號機(jī)組也存在冷態(tài)啟動過程中，中壓缸脹差大的問題，但是情況略好于5號機(jī)組，未發(fā)生啟動失敗的事故；但是，其啟動時間偏長，鍋爐到50%額定負(fù)荷后點火投自動發(fā)電控制(AGC)需要至少25 h。為避免冷態(tài)啟動過程中，中壓缸脹差大造成保護(hù)動作，該電廠5號和6號機(jī)組冷態(tài)啟動中，升速至3 000 r/min，只能長時間帶初負(fù)荷暖機(jī)，造成鍋爐尾部煙道煙氣溫度無法快速達(dá)到脫硝投入條件，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)投入運行的時間推遲，無法滿足地方環(huán)保局關(guān)于機(jī)組并網(wǎng)后4 h內(nèi)脫硝系統(tǒng)正常投入運行的要求。該電廠5號、6號機(jī)組冷態(tài)啟動過程中，中壓缸脹差大的問題嚴(yán)重制約了該型機(jī)組的啟動速度，影響了機(jī)組的安全性和環(huán)保經(jīng)濟(jì)性[5-6]。近幾年，火電機(jī)組年利用時間逐年降低，機(jī)組的啟停次數(shù)逐年增多，該問題日益突出。

2 原因分析

該型汽輪機(jī)冷態(tài)啟動過程脹差的變化規(guī)律與其他汽輪機(jī)冷態(tài)啟動過程中脹差變化規(guī)律一致；同時，在正常運行過程中，該型汽輪機(jī)中壓缸脹差也在合理范圍內(nèi)，表明該機(jī)型的脹差測量裝置的布置滿足監(jiān)測要求?，F(xiàn)場對中壓缸脹差測量裝置相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了檢查，主要包括零位校準(zhǔn)、探頭檢定、組態(tài)檢查、趨勢對比等，未發(fā)現(xiàn)異常。此外，在檢修期間，該電廠在機(jī)組的另一側(cè)增加了一套中壓缸脹差測量裝置，兩套測量裝置的測量結(jié)果基本一致。因此，可判定該型機(jī)組配備的中壓缸脹差測量裝置布置合理，測量結(jié)果能準(zhǔn)確反映機(jī)組汽缸與轉(zhuǎn)子相對膨脹量的變化[7-8]。

2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)

汽輪發(fā)電機(jī)組高、中壓部分有合缸和分缸兩種軸系結(jié)構(gòu)。與高、中壓合缸機(jī)組的轉(zhuǎn)子相比，高、中壓分缸機(jī)組的高、中壓轉(zhuǎn)子的長度更長，因此在冷態(tài)啟動過程中其受熱膨脹后的絕對膨脹值較大，脹差也容易較大。該型汽輪機(jī)設(shè)計階段為保證機(jī)組的出力和熱效率，通流部分軸向間隙設(shè)計得偏小，根據(jù)中壓通流部分的最小軸向間隙(中壓第7級間隙)，將中壓缸正脹差保護(hù)值確定為6.5 mm，比一般高、中壓缸分缸機(jī)組的中壓缸正脹差保護(hù)值小1.5～3.0 mm[1]。此外，該型汽輪機(jī)中壓缸采用雙層結(jié)構(gòu)，中壓缸未配備夾層加熱裝置，沒有蒸汽直接加熱外缸，只能依靠內(nèi)缸輻射傳熱，造成冷態(tài)啟動過程中，中壓缸外缸溫升非常慢，導(dǎo)致中壓缸的膨脹速率較小[9-10]。

根據(jù)調(diào)研，對于采用該型汽輪機(jī)的機(jī)組，共有6臺機(jī)組投入運行，并且在冷態(tài)啟動過程中，均存在中壓缸脹差大的問題，造成冷態(tài)啟動時間過長(25～30 h)，個別機(jī)組甚至需要38～45 h才能帶到滿負(fù)荷，表明該型汽輪機(jī)軸系布置和結(jié)構(gòu)特點是引起該問題的主要原因。

2.2 檢修安裝

現(xiàn)場調(diào)取機(jī)組啟動過程機(jī)組熱膨脹及脹差變化曲線，發(fā)現(xiàn)熱膨脹及脹差變化曲線均是圓滑平穩(wěn)的，不存在跳動的情況，并且兩側(cè)的中壓缸脹差接近且基本同步變化，因此可基本排除滑銷系統(tǒng)卡澀的情況[11]。

（3）管道敷設(shè)。給排水管道布置時應(yīng)遵守“壓力管讓重力管，小管徑讓大管徑，支管讓干管”的原則。管線交叉時，優(yōu)先設(shè)計重力管，然后再進(jìn)行壓力管設(shè)計。本項目污水排水管為重力管，設(shè)計時先干管后支管，做到管線最短、管徑最小、埋深最小，充分發(fā)揮出重力的作用。優(yōu)先設(shè)計主管道以及管徑較大的管道，盡量保證管線布置水平，避免出現(xiàn)交叉、打彎等情況，且主管道應(yīng)盡量靠近最大用戶布置。本項目中回水供水管主管管徑DN1000，主要回水用水點為選礦廠房，因此優(yōu)先在選礦廠房旁布置回水供水管道。

對比該電廠5號和6號機(jī)組的冷態(tài)啟動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在相同的沖轉(zhuǎn)參數(shù)和運行方式下，2臺機(jī)組汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸的膨脹速率相差較多，說明2臺機(jī)組的軸承座與基礎(chǔ)臺板間滑動面的摩擦阻力相差較大[11]。在冷態(tài)啟動過程中，5號機(jī)組中壓缸脹差大的情況比6號機(jī)組中壓缸脹差大的情況要嚴(yán)重得多，表明5號機(jī)組軸承座與基礎(chǔ)臺板間滑動面的摩擦阻力較大，同時對機(jī)組的缸體熱膨脹有一定的影響[12-13]。

2.3 機(jī)組運行

機(jī)組在運行期間主要存在以下問題：

(1) 軸封供汽溫度較高。在冷態(tài)啟動過程中，投入輔助蒸汽對軸封供汽時，汽封套受熱后向兩側(cè)膨脹，雖然對整個汽缸的膨脹影響不大，但是汽封處轉(zhuǎn)子受熱后會伸長。轉(zhuǎn)子伸長量主要是由供汽溫度和軸封供汽量決定的，加熱時間也會對其產(chǎn)生一定的影響[14-16]。

該電廠5號和6號機(jī)組汽輪機(jī)在沖轉(zhuǎn)過程中，軸封供汽溫度控制效果不理想，經(jīng)常超過300 ℃，并且軸封供汽溫度波動大，中壓缸脹差跟隨軸封供汽溫度的變化而波動。如在2019年3月20日，6號機(jī)組汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前軸封供汽溫度達(dá)到了326 ℃，導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)前中壓缸脹差最大達(dá)到了4.38 mm，表明該電廠5號和6號機(jī)組軸封供汽參數(shù)的控制對機(jī)組冷態(tài)啟動過程中的中壓缸脹差有較大的影響。

(2) 暖機(jī)轉(zhuǎn)速較低。冷態(tài)啟動暖機(jī)是一個充分預(yù)熱的過程，暖機(jī)轉(zhuǎn)速越高，暖機(jī)過程中的進(jìn)汽量越大，汽缸接觸的蒸汽越多，膨脹越快。廠家提供的冷態(tài)啟動過程曲線中要求汽輪機(jī)在1 500 r/min暖機(jī)轉(zhuǎn)速下暖機(jī)2.5 h，而該電廠5號和6號機(jī)組實際暖機(jī)轉(zhuǎn)速為1 150 r/min，暖機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，并且5號和6號機(jī)組中速暖機(jī)時間一般為2 h左右，導(dǎo)致每次汽輪機(jī)升速至3 000 r/min后及帶初始負(fù)荷期間的中壓缸脹差仍出現(xiàn)較大上升，有引起跳機(jī)事故的風(fēng)險[17]。

(3) 沖轉(zhuǎn)及暖機(jī)時真空較高(-93～-90 kPa)，導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)階段和暖機(jī)期間汽輪機(jī)進(jìn)汽量偏小，造成汽缸膨脹速率低，不利于控制脹差[18]。

綜上所述，該電廠5號和6號機(jī)組冷態(tài)啟動過程中的中壓缸脹差偏大，造成冷態(tài)啟動及初負(fù)荷暖機(jī)的時間過長。主要原因為：該型汽輪機(jī)采用高、中壓分缸，設(shè)計通流部分軸向間隙小，造成脹差保護(hù)值??；中壓缸為雙層結(jié)構(gòu)，缺少中壓缸夾層加熱系統(tǒng)，中壓缸膨脹慢；啟動期間軸封供汽溫度較高；暖機(jī)轉(zhuǎn)速較低；沖轉(zhuǎn)及暖機(jī)過程中真空偏高也產(chǎn)生了一定的影響。

3 處理措施

(1) 通過采用更換高、中壓對輪墊片的方式調(diào)整了軸系K值(制造廠給的一個汽缸內(nèi)的動靜間隙值，是高、中、低壓轉(zhuǎn)子第一個壓力級與第一級靜葉之間的軸向距離)，檢修期間將中壓缸的軸系K值由26.6 mm縮小至25.6 mm，然后將中壓缸脹差保護(hù)值由6.5 mm放寬至7.5 mm。

(2) 檢修期間對滑銷系統(tǒng)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)軸承座與基礎(chǔ)臺板間滑動面有明顯生銹和固化的情況。檢修期間向各軸承座與基礎(chǔ)臺板間滑動面注入高溫潤滑劑，使基礎(chǔ)臺板間滑動面得到充分潤滑，減少摩擦阻力。

(3) 通過技術(shù)改造，增加中壓缸夾層加熱裝置，從中壓缸調(diào)節(jié)閥后疏水管道上引出一路管道，然后利用中壓缸進(jìn)汽端疏水管將再熱蒸汽導(dǎo)入中壓缸下夾層，使高溫蒸汽和中壓缸外缸內(nèi)壁直接接觸進(jìn)行對流傳熱，加快中壓缸外缸的溫升速率。

(4) 設(shè)置軸封供汽減溫水，在冷態(tài)啟動過程中，將軸封供汽溫度控制在230～260 ℃，同時將冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)前中壓缸脹差控制在3.0 mm以內(nèi)[19]。

(5) 優(yōu)化高壓缸預(yù)暖操作方法。廠家運行說明書中要求的內(nèi)容為：冷態(tài)啟動時，高壓缸調(diào)節(jié)級金屬溫度低于150 ℃，在鍋爐升溫、升壓時進(jìn)行高壓缸預(yù)暖，當(dāng)高壓缸第一級下半內(nèi)壁金屬升溫至190 ℃并保持一段時間后，結(jié)束預(yù)暖?，F(xiàn)將其優(yōu)化為鍋爐上水時、機(jī)組真空建立后進(jìn)行高壓缸預(yù)暖；將高壓缸倒暖投入狀態(tài)一直保持到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前再解除，延長倒暖時間。

(6) 優(yōu)化沖轉(zhuǎn)及暖機(jī)時相關(guān)控制參數(shù)，降低真空并將其維持在-81～-79 kPa，將暖機(jī)轉(zhuǎn)速由1 150 r/min提高至1 500 r/min，控制主蒸汽及再熱蒸汽的溫升速率等，同時保證暖機(jī)時間達(dá)到2.5 h后再進(jìn)行并網(wǎng)[20]。

(7) 暖機(jī)時調(diào)整采暖蝶閥開度，將該閥開度由100%降低至0%～5%，以延長蒸汽在中壓缸內(nèi)的停留時間，提升中壓缸的熱膨脹速率[21]。

采取相關(guān)優(yōu)化措施后，該電廠5號機(jī)組優(yōu)化前、后相關(guān)參數(shù)的變化見表1。

表1 5號機(jī)組優(yōu)化前、后相關(guān)參數(shù)的變化

采取相關(guān)優(yōu)化措施后，該電廠5號和6號機(jī)組汽輪機(jī)在冷態(tài)啟動過程中，自沖轉(zhuǎn)到機(jī)組正常帶負(fù)荷，中壓缸脹差最大不超過6.4 mm。嚴(yán)格按照廠家提供的啟動曲線進(jìn)行沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)和帶負(fù)荷，點火到并網(wǎng)僅需要8.5 h左右，并網(wǎng)后5.5 h左右就可以投AGC及脫硝，比優(yōu)化前冷態(tài)啟動時間縮短約16 h，但仍未滿足相關(guān)要求，存在優(yōu)化空間。

4 結(jié)語

某電廠350 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)冷態(tài)啟動過程中中壓缸脹差容易偏大，造成冷態(tài)啟動及初負(fù)荷暖機(jī)的時間過長。通過分析得到造成該問題的主要原因為機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)特點和啟動過程參數(shù)控制不合理。

通過采取調(diào)整軸系K值、增加中壓缸夾層加熱系統(tǒng)和優(yōu)化啟動過程參數(shù)控制等措施，該型機(jī)組冷態(tài)啟動過程中的中壓缸脹差偏大問題得到圓滿解決，提高了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。