趙英淳,吳 凱,張 磊
(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司,陜西 西安 710054)
在國(guó)家大力推動(dòng)大型高效超凈排放煤電機(jī)組產(chǎn)業(yè)化和示范應(yīng)用的背景下,國(guó)內(nèi)三大汽輪機(jī)廠——上海汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī)廠、哈爾濱汽輪機(jī)廠,以提高蒸汽初參數(shù)為核心思想,在各自原有技術(shù)基礎(chǔ)上,先后設(shè)計(jì)、制造、投產(chǎn)了多臺(tái)新型超超臨界機(jī)組。
本文通過對(duì)比三大主機(jī)廠的超超臨界汽輪機(jī)本體、輔助系統(tǒng)及啟動(dòng)運(yùn)行等方面的異同點(diǎn),簡(jiǎn)析其改造思路;分析了各自調(diào)試及運(yùn)行期間的典型問題及注意事項(xiàng)。
汽輪機(jī)主汽參數(shù)提高后,對(duì)高壓內(nèi)缸結(jié)合面的密封性提出了更高要求。
上汽機(jī)組高壓內(nèi)缸為垂直縱向平分面結(jié)構(gòu)[1],采用這種設(shè)計(jì)可以減小缸體重量,提供良好的熱工況。另外,由于缸體為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,因而避免了不利的材料集中,各部分溫度可保持一致,使得機(jī)組在啟動(dòng)停機(jī)或快速變負(fù)荷時(shí)缸體的溫度梯度很小,熱應(yīng)力保持在一個(gè)很低的水平。
東汽和哈汽的高壓內(nèi)缸采用了上、下兩半近乎筒形的缸體結(jié)構(gòu),為保證內(nèi)缸接合面的密封性,采用了螺栓密封和紅套環(huán)密封的組合形式,即進(jìn)汽區(qū)域采用螺栓密封的法蘭連接結(jié)構(gòu),螺栓盡量向中心靠攏,為避免與進(jìn)汽口干涉,螺孔做成栽絲形式;其余區(qū)域均采用密封能力更強(qiáng)的紅套環(huán)密封形式,筒形的紅套環(huán)設(shè)計(jì),可以減小內(nèi)缸直徑,使缸體受熱均勻,熱應(yīng)力小,適合快速啟停,有利于機(jī)組調(diào)峰。
鑒于傳統(tǒng)噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)最大焓降往往出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級(jí)處,三大主機(jī)廠在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí),同時(shí)選擇了取消沖動(dòng)式調(diào)節(jié)級(jí)的方法,提高了高壓缸效率。汽輪機(jī)變工況時(shí),進(jìn)汽量的控制改為節(jié)流調(diào)節(jié)方式,蒸汽經(jīng)過左右側(cè)高低位布置的高壓聯(lián)合閥組,切向直接進(jìn)入蝸殼式汽室,減小第一級(jí)導(dǎo)葉進(jìn)口參數(shù)的切向不均勻性,提高效率。
上汽和東汽機(jī)組還增設(shè)了補(bǔ)汽閥,滿足機(jī)組能夠到達(dá)更高的負(fù)荷,同時(shí)補(bǔ)汽閥還具有提高機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰能力的功能。
為提高軸系穩(wěn)定性,國(guó)產(chǎn)超超臨界機(jī)組軸承座均為落地布置,基礎(chǔ)變形對(duì)軸承荷載和軸系對(duì)中的影響小。
上汽機(jī)組除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外,軸系設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的單軸承“N+1”支承模式,軸系總長(zhǎng)度更短,轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速高,穩(wěn)定性好;轉(zhuǎn)子的死點(diǎn)和汽缸死點(diǎn)都位于包含推力徑向軸承的2號(hào)軸承座上,轉(zhuǎn)子和缸體膨脹都從這點(diǎn)開始,軸承座均支撐在基礎(chǔ)上,不隨機(jī)組膨脹移動(dòng)[2];整個(gè)軸系以2號(hào)軸承座內(nèi)的徑向推力聯(lián)合軸承為死點(diǎn)向兩端膨脹;高壓外缸受熱后以2號(hào)軸承座為死點(diǎn)向調(diào)閥端方向膨脹,中壓外缸與低壓內(nèi)缸通過推拉桿連接傳遞膨脹,一起向電機(jī)端方向膨脹;低壓外缸與凝汽器剛性連接承,不參與整個(gè)機(jī)組的滑銷系統(tǒng)。在運(yùn)行中這樣的滑銷系統(tǒng)能使通流部分動(dòng)靜之間的差脹較小。轉(zhuǎn)子激振力通過軸承殼體傳遞至軸承蓋,進(jìn)而通過地腳螺栓和預(yù)埋件,直接傳遞至基礎(chǔ),汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)采用2個(gè)瓦振速度值作為保護(hù)跳機(jī)條件,軸振僅作參考,且用橫向和縱向矢量合成的單峰值顯示。
東汽和哈汽機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和兩根低壓轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為三支撐結(jié)構(gòu);滑銷系統(tǒng)采用多死點(diǎn)設(shè)計(jì),缸體膨脹死點(diǎn)位于低壓缸中心附近及中低壓缸之間軸承箱底部橫向定位鍵與縱向?qū)蜴I的交點(diǎn)處,轉(zhuǎn)子膨脹死點(diǎn)位于推力軸承處,推力軸承布置在高壓缸與中壓缸之間的軸承箱上。
東汽超超臨界汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)保持了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式。上汽和哈汽取消了主油泵,改為配置兩臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵(一用一備)為軸瓦提供潤(rùn)滑。哈汽的頂軸油及盤車裝置也保持了其以往的設(shè)計(jì)。上汽超超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)液壓盤車,盤車設(shè)備安裝于高壓轉(zhuǎn)子自由端(即1號(hào)軸承座前),采用由機(jī)組頂軸油為動(dòng)力的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),自動(dòng)嚙合并配有超速離合器,由于頂軸油系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)液壓盤車的油源,所以增設(shè)了一臺(tái)頂軸油泵(兩用一備)。
東汽超超臨界汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安油系統(tǒng)也保持了其以往的設(shè)計(jì)。上汽和哈汽取消了低壓保安油部分的設(shè)計(jì),省去包括機(jī)械超速飛錘、高壓備用密封油泵、隔膜閥等設(shè)備。
上汽調(diào)節(jié)保安油系統(tǒng)在每個(gè)汽門處設(shè)計(jì)了冗余的快關(guān)電磁閥和卸荷閥組,以保證在危急工況下汽門能迅速瀉油關(guān)閉。哈汽調(diào)節(jié)保安油系統(tǒng)則仍保留了在調(diào)節(jié)保安油母管上設(shè)計(jì)AST和OPC泄油通道的設(shè)計(jì)理念,由于取消了低壓保安油部分的設(shè)計(jì),哈汽機(jī)組增設(shè)了一套獨(dú)立電超速轉(zhuǎn)速通道及配套的冗余電磁閥組跳閘模塊,保證其在轉(zhuǎn)速到達(dá)3 330 r/min時(shí)能通過該模塊泄掉安全油,引發(fā)汽輪機(jī)安全跳閘。
由于汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)高,汽封間隙的設(shè)計(jì)值小,上汽超超臨界汽輪機(jī)要求熱態(tài)工況下軸封蒸汽溫度達(dá)到280~320℃,但輔助蒸汽往往沒有這么高的溫度,因而很多機(jī)組在高負(fù)荷跳閘后,汽輪機(jī)在盤車過程中發(fā)生轉(zhuǎn)子抱死現(xiàn)象。
對(duì)抱死的原因進(jìn)一步分析:汽輪機(jī)熱態(tài)停機(jī)時(shí),汽封供汽溫度偏低,而汽封腔室金屬溫度較高,兩溫度之間存在較大溫差,導(dǎo)致高、中壓缸端部汽封急劇冷卻發(fā)生變形,產(chǎn)生動(dòng)靜碰摩并造成轉(zhuǎn)子抱死。根據(jù)分析提出以下防轉(zhuǎn)子抱死措施。
(1)在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下,汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)自密封后仍要加強(qiáng)對(duì)汽封母管蒸汽溫度的監(jiān)視,結(jié)合主機(jī)廠對(duì)于汽封供汽參數(shù)的要求,將熱態(tài)停機(jī)后的汽封供汽溫度控制在合適范圍;
(2)始終保證軸封備用汽源管路的充足疏水,避免汽封進(jìn)水,增設(shè)汽封供汽電加熱器,加強(qiáng)電加熱器狀態(tài)檢查,保證一旦汽機(jī)跳閘,汽封供汽電加熱器能夠立即啟動(dòng)、調(diào)節(jié)汽封供汽溫度;
(3)停機(jī)以后如出現(xiàn)了主軸抱死導(dǎo)致盤車無(wú)法投入的情況,可嘗試手動(dòng)盤車。若手動(dòng)盤車無(wú)法盤動(dòng)轉(zhuǎn)子,則悶缸處理,待軸封間隙恢復(fù)、能夠盤動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí),進(jìn)行間歇性手動(dòng)盤轉(zhuǎn)子直軸,直至重新投入盤車;切忌強(qiáng)行盤動(dòng)轉(zhuǎn)子,以免造成轉(zhuǎn)子永久性損傷;
(4)建議設(shè)計(jì)院和主機(jī)廠考慮設(shè)計(jì)另一路高溫備用汽源,比如冷再或者主汽來(lái)汽,用以預(yù)防汽封供汽電加熱器出現(xiàn)故障、無(wú)法投運(yùn)的情況出現(xiàn)時(shí),可以根據(jù)需要選擇溫度合適的汽封汽源。
東汽和哈汽的超超臨界機(jī)組高壓內(nèi)缸均采用了筒型缸結(jié)構(gòu)和紅套環(huán)密封技術(shù)。在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和帶負(fù)荷階段,兩種機(jī)型均出現(xiàn)過上下缸溫差大的現(xiàn)象,甚至導(dǎo)致高壓內(nèi)缸變形、致使轉(zhuǎn)子在熱態(tài)停機(jī)盤車狀態(tài)下抱死的問題。
以某東汽超超臨界機(jī)組項(xiàng)目為例,汽輪機(jī)前六次啟動(dòng)過程中,在升速、空負(fù)荷、帶負(fù)荷階段,均出現(xiàn)了高壓缸上下缸溫差大的現(xiàn)象。其中,高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上下溫差>50℃,高壓缸夾層上下溫差、高壓外缸內(nèi)壁上下溫差更大。經(jīng)分析檢查,缸溫差大的問題呈以下特點(diǎn)。
(1)由于高壓缸疏水設(shè)計(jì)不合理、疏水溫度低?,F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸外缸疏水設(shè)計(jì)不合理。同時(shí)高壓外缸部分疏水點(diǎn)閥后溫度未超過100℃,疏水不暢。
(2)高壓缸夾層內(nèi)蒸汽流量不均勻、變化大。在機(jī)組帶負(fù)荷期間,經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)荷、主汽溫度穩(wěn)定的工況下,夾層上半溫度大幅度變化的現(xiàn)象,幅度接近100℃。夾層蒸汽來(lái)源主要為內(nèi)缸軸封漏汽,穩(wěn)定負(fù)荷下不應(yīng)出現(xiàn)溫度和流量大幅度變化。說明上下缸夾層內(nèi)存在其他來(lái)源的不同溫度的蒸汽,懷疑可能是高壓內(nèi)缸或與缸體相連的抽汽管道的結(jié)合面密封效果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致高壓內(nèi)缸相關(guān)結(jié)合面存在漏汽,進(jìn)入內(nèi)外缸夾層對(duì)汽流形成了擾動(dòng)。
(3)下補(bǔ)汽閥插管密封泄漏量過大。東汽超超臨界機(jī)組下補(bǔ)氣閥插管疏水引至高壓缸第五級(jí)下半夾層位置,解體檢查發(fā)現(xiàn)下缸補(bǔ)汽管道與內(nèi)缸密封環(huán)配合間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.017~0.05 mm,實(shí)測(cè)配合間隙局部達(dá)到0.09 mm,補(bǔ)汽閥插入管密封環(huán)存在泄漏現(xiàn)象。查看相關(guān)歷史數(shù)據(jù),由于第五級(jí)漏汽溫度低于正常下隔層溫度,高壓缸下補(bǔ)汽閥插管密封漏汽至下隔層,漏入下隔層的低溫蒸汽對(duì)高壓內(nèi)、外缸下部進(jìn)行冷卻,導(dǎo)致高壓缸上隔層溫度始終高于下隔層溫度。
汽輪機(jī)設(shè)計(jì)補(bǔ)汽閥是為了提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和增強(qiáng)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力,從調(diào)門前閥體引出的主蒸汽經(jīng)過補(bǔ)汽閥后分兩路回到高壓缸第5 級(jí)作功。
多臺(tái)上汽超超臨界汽輪機(jī)在補(bǔ)汽閥開啟后或到達(dá)一定開度時(shí)出現(xiàn)1/2瓦振動(dòng)及軸向位移突跳現(xiàn)象,嚴(yán)重影響機(jī)組的過負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。
以某上汽超超臨界660 MW機(jī)組項(xiàng)目為例,在機(jī)組帶負(fù)荷試運(yùn)期間,補(bǔ)汽閥最大一次開至20%,此次補(bǔ)汽閥開啟的持續(xù)時(shí)間約30 min。在補(bǔ)汽閥開啟前后,軸向位移由-0.03 mm變化至0.05 mm,1瓦和2瓦振速變化均不到1 mm/s,振幅增大幅度達(dá)10~15 μm。
由這些數(shù)據(jù)來(lái)看,從補(bǔ)汽閥開啟到補(bǔ)汽閥開度達(dá)到20%的30 min內(nèi),1瓦和2瓦振動(dòng)及軸向位移的波動(dòng)較為明顯,但仍在安全范圍之內(nèi)。結(jié)合其他上汽—西門子汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況,基本能夠得到結(jié)論:補(bǔ)汽閥開啟后或開度達(dá)到一定值時(shí),汽輪機(jī)會(huì)隨之產(chǎn)生汽流激振,出現(xiàn)振動(dòng)突跳現(xiàn)象,且補(bǔ)汽閥開度越小,1瓦和2瓦振動(dòng)及軸向位移的波動(dòng)幅度也就越小。
在實(shí)際調(diào)試過程中,可以在風(fēng)險(xiǎn)可控范圍內(nèi),通過機(jī)組補(bǔ)汽閥在典型工況開度與振動(dòng)的試驗(yàn),確定汽流激振導(dǎo)致軸瓦振動(dòng)、軸向位移突跳時(shí)的閥門開度上限,并將測(cè)試結(jié)果寫入DEH邏輯中,確保機(jī)組安全運(yùn)行。
上汽超超臨界汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安油系統(tǒng),母管上未設(shè)計(jì)AST/OPC模塊,每個(gè)閥門的安全油來(lái)源于各自的進(jìn)油母管,危急跳閘泄油功能是通過每個(gè)汽門各自設(shè)計(jì)的冗余快關(guān)電磁閥-卸荷閥模塊實(shí)現(xiàn)的。任一快關(guān)電磁閥動(dòng)作,均可使對(duì)應(yīng)閥門安全油壓消失而保證閥門快速關(guān)閉。汽輪機(jī)閥門活動(dòng)試驗(yàn)過程,分為閥門關(guān)閉和閥門恢復(fù)兩個(gè)過程。在閥門關(guān)閉過程中,閥門快關(guān)電磁閥帶電、同時(shí)模擬量指令置零,使閥門快關(guān);隨后閥門恢復(fù)過程中,快關(guān)電磁閥恢復(fù)帶電,重新建立安全油,模擬量指令逐步恢復(fù)至試驗(yàn)前狀態(tài)。
閥門活動(dòng)試驗(yàn)導(dǎo)致機(jī)組跳閘最常見的原因是EH油壓低跳機(jī),主要是由于閥門恢復(fù)過程中,快關(guān)電磁閥動(dòng)作后單向閥閥座未正?;刈踩蛪何唇⒌那闆r下模擬量指令開始恢復(fù),伺服閥動(dòng)作溝通了進(jìn)油母管與泄油母管,造成EH油壓母管降低。當(dāng)EH油壓低于汽輪機(jī)跳閘保護(hù)值時(shí),會(huì)觸發(fā)汽機(jī)EH油壓低保護(hù)動(dòng)作。
單向閥未正?;刈脑蛑饕袃蓚€(gè)方面,一方面是由于快關(guān)電磁閥的節(jié)流孔堵塞而造成的單向閥的彈簧油壓不能正常建立。另一方面,油路中的雜質(zhì)會(huì)造成單向閥卡澀,單向閥不能正?;刈?。
為了防止閥門活動(dòng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)意外,應(yīng)該定期監(jiān)視EH油油質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視EH油泵油壓及電機(jī)電流,防止過流,如出現(xiàn)意外情況,應(yīng)立即中斷試驗(yàn),防止跳機(jī)。此外,也可以建立閥門防卡澀保護(hù)邏輯,當(dāng)條件觸發(fā)時(shí),應(yīng)迅速切斷油動(dòng)機(jī)進(jìn)油,防止EH油母管油壓降低。
哈汽超超臨界機(jī)組啟動(dòng)時(shí),掛閘暖閥過程中,高中壓主汽門打開3%后,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速即開始上升,盤車脫扣;直至主汽門全關(guān)后,轉(zhuǎn)速才開始下降。
這種調(diào)閥不嚴(yán)密現(xiàn)象由于機(jī)組調(diào)閥結(jié)構(gòu)中存在卸載孔引起的。哈汽高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)組由于蒸汽參數(shù)高、閥門口徑大,為降低調(diào)閥開啟初始力矩,必須采用帶卸載孔結(jié)構(gòu)形式的高壓調(diào)節(jié)閥、再熱調(diào)節(jié)閥,因此在高中壓主汽門全開的工況下,高壓調(diào)節(jié)閥、再熱調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)也會(huì)有少量蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速升高。
為保證此設(shè)計(jì)漏量不影響機(jī)組安全運(yùn)行,根據(jù)哈汽廠B/Z18.21.1(R1)—2017《高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)及甩負(fù)荷試驗(yàn)判別準(zhǔn)則》,須達(dá)到以下以下要求。
(1)在保證閥門在加工和安裝過程中符合廠家的公差范圍要求。
(2)應(yīng)定期進(jìn)行閥門嚴(yán)密性試驗(yàn),合格標(biāo)準(zhǔn)為主再熱蒸汽溫度不低于510℃,主再熱蒸汽壓力不低于額定值50%時(shí):主汽閥,機(jī)組定速3 000 r/min,關(guān)閉四只主汽門,經(jīng)過一段時(shí)間后,其轉(zhuǎn)速應(yīng)低于(P/P0×1 000) r/min(其中,P為實(shí)際進(jìn)汽壓力,應(yīng)不低于50%額定主蒸汽壓力;P0為額定蒸汽壓力);調(diào)節(jié)閥,機(jī)組定速3 000 r/min,關(guān)閉四只主調(diào)節(jié)汽門,經(jīng)過一段時(shí)間后,其轉(zhuǎn)速應(yīng)降至900~1 200 r/min。
(3)機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷或進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí),滿負(fù)荷下汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)超調(diào)量不應(yīng)大于8%,即最高飛升轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過3240 r/min。
上汽超超臨界機(jī)組在調(diào)試期間也出現(xiàn)過類似調(diào)閥嚴(yán)密性問題。以某上汽超超臨界1 000 MW機(jī)組為例,在做機(jī)組調(diào)門嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí),汽機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有下降到可接受的轉(zhuǎn)速范圍,距可接受轉(zhuǎn)速還有十幾轉(zhuǎn)的差距。這也是由于調(diào)門自身結(jié)構(gòu)中密封間隙過大,漏汽量超過設(shè)計(jì)裕度,導(dǎo)致調(diào)門嚴(yán)密性不合格。調(diào)試或運(yùn)行期間,如發(fā)現(xiàn)該問題,嚴(yán)禁進(jìn)行汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn),并擇機(jī)對(duì)調(diào)閥進(jìn)行檢修。
哈汽超超臨界汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)取消了主油泵,增設(shè)了一臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵。多臺(tái)機(jī)組在交流油泵聯(lián)啟過程中,潤(rùn)滑油母管壓力低于汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低跳閘值導(dǎo)致機(jī)組跳閘。廠用電全停工況下兩臺(tái)交流油泵全停,直流油泵啟動(dòng)勵(lì)磁過程中,潤(rùn)滑油母管壓力無(wú)法滿足軸瓦油膜形成的最低要求,汽輪機(jī)斷油燒瓦風(fēng)險(xiǎn)高。
發(fā)現(xiàn)該問題后,在潤(rùn)滑油供油母管上(冷油器及濾油器后)增設(shè)了一組蓄能器,油泵聯(lián)啟過程中油壓過低的問題得以解決。
三大汽輪機(jī)制造廠以提高機(jī)組熱效率為目標(biāo),以提高機(jī)組進(jìn)汽初參數(shù)為中心思想,分別提出了各自的改造思路。本文對(duì)三大廠家的新型超超臨界機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比,總結(jié)了各自的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn);針對(duì)國(guó)產(chǎn)超超臨界機(jī)組在調(diào)試、運(yùn)行期間出現(xiàn)的典型問題,做出了分析。對(duì)更深層次地理解和掌握國(guó)產(chǎn)新型超超臨界機(jī)組的改造思路,提高機(jī)組在調(diào)試、運(yùn)行環(huán)節(jié)的安全可靠性水平有一定積極作用。