趙超,孟禮,朱建,張文英
(江蘇闞山發(fā)電有限公司,江蘇 徐州 221134)
給水泵汽輪機為燃煤發(fā)電機組的重要輔機,近年來,機組頻繁參與電網深度調峰任務,負荷波動頻繁,要求給水流量跟蹤響應快,這就需要給水泵汽輪機需要具備良好的動態(tài)調節(jié)特性來滿足電網調節(jié)的任務。
闞山發(fā)電公司給水泵汽輪機為單缸、單流、單軸、反動式純凝汽汽輪機,型號為NK63/71/0。給水泵汽輪機調節(jié)性能異??赡軙l(fā)超速事故,超速會對人身安全和設備造成極大危害[1]。為嚴格執(zhí)行國家能源局發(fā)布的國能安全[2014]161號《防止電力生產事故的二十五項重點要求》,保證電力系統安全、穩(wěn)定和高效經濟運行,給水泵汽輪機調節(jié)系統異常問題一旦出現需及時解決。
給水泵汽輪機的汽源為主汽輪機第四段抽汽,備用汽源為高壓缸排汽,啟動調試汽源為輔助蒸汽。正常工作時,第四段抽汽先經過速關閥(SSV)到達進汽室,進汽室內裝有5個提板式調節(jié)汽閥,給水泵汽輪機調節(jié)汽閥結構圖如圖1所示。根據負荷和轉速指令,油動機通過杠桿機構操縱提板,調節(jié)5個調節(jié)汽閥開度,調整進入給水泵汽輪機的蒸汽流量來控制給水泵汽輪機的轉速[2]。
圖1 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥結構圖
當油動機伺服閥接收關小調節(jié)汽閥的指令后,目的是減少進汽量來降低給水泵汽輪機的轉速,然而,實際轉速卻從3 702 r/min急劇升至3 791 r/min;當油動機伺服閥接收開大調節(jié)汽閥的指令后,目的是增加進汽量來提高給水泵汽輪機的轉速,然而,實際轉速卻從3 791 r/min急劇下降至3 698 r/min。調節(jié)性能出現了與原調速系統設計功能相悖的情況,具體異常說明如下:
2021年2月8日05:25:14,當時負荷為273 MW,2A給水泵出口壓力為16.06 MPa,2B給水泵出口壓力為16.08 MPa,2A給水泵汽輪機設定轉速為3 689 r/min,調節(jié)汽閥開至30.04%,實際轉速為3 702 r/min,比設定值高出13 r/min,調節(jié)汽閥關到22.22%時,轉速出現異常升至3 791 r/min,給水流量從460 t/h增加至588 t/h。
2021年2月8日05:27:12,設定轉速不變,調節(jié)汽閥指令從22.22%增加至25%,調節(jié)汽閥開至26.38%,實際轉速從3 791 r/min急劇下降至3 698 r/min,給水流量從460 t/h下降至300 t/h,觸發(fā)給水泵最小流量閥門全開,造成給水流量低。接著開度指令增加,調節(jié)汽閥開度增大,小機升速至3 820 r/min左右,給水量維持穩(wěn)定。
追溯2021年2月20日上午10:00,除出現上述現象外,出現2A、2B開度值由3%左右偏差達到10%左右的情況。經查閱,2021年2月8日調節(jié)汽閥出現的狀態(tài)和2021年2月20日出現的2A、2B開度值偏差的情況,在2021年1月15日機組啟動過程中,給水泵汽輪機掛閘(速關閥全開,調節(jié)汽閥未開啟狀態(tài)),給水泵汽輪機轉速從盤車300 r/min突然升至1 400 r/min。就地檢查發(fā)現油動機的連接桿產生彎曲。圖2為啟動過程中出現過調節(jié)汽閥閥門未關閉到位,導致油動機連接桿產生壓桿彎曲現象。
圖2 油動機連接桿產生壓桿彎曲現象
對于調節(jié)汽閥總開度下降,轉速卻異常上升,給水流量上升的現象,初步判斷2A調節(jié)汽閥內部5個調門中2號調節(jié)汽閥沒有關閉到位,閥座凸出,閥芯被閥座頂開,引起進汽量突然增加轉速突然上升;對于調節(jié)汽閥再次開大,轉速卻下降100 r/min的現象,初步判斷是在橫梁上提的過程中,調節(jié)汽閥閥芯與閥座復位,造成進汽通流面積減小,造成進汽量減少轉速降低。
對比圖3和圖5,門芯導向桿與導向套處可能存在卡澀,造成閥梁下關時(調節(jié)汽閥關小),閥芯接觸閥座,受到閥座施加向上的支反力使得閥芯向上抬升,進汽口與閥芯遮蓋度減小,進汽流量增加。圖4箭頭所示,當閥梁向上提至某一開度時,閥芯導向桿回正,將閥門關閉,造成進汽流量減小,轉速異常下降。
自2021年2月20日以來,未出現調節(jié)汽閥開大后轉速突降的現象,是因為2A調節(jié)汽閥中的2號閥芯導向桿處在圖3(2)中,閥芯導向桿處于偏斜狀態(tài)未回正落下(此位置接近于2號閥全開狀態(tài)),2號調節(jié)汽閥的進汽量未明顯減少,調速系統發(fā)出關小2A調節(jié)汽閥指令,才能維持速度的正常調節(jié),這就擴大了2A、2B在同轉速下調節(jié)汽閥開度偏差值從原始的3%增加到10%左右。當速度進一步升高時,達到第3號閥門開始參與調速的開度,第2號閥已經不參與轉速調節(jié),第2號閥芯導向桿在運行期間是否回正,對轉速的影響都不大。因此,出現2A、2B調節(jié)汽閥開度偏差大的新問題,是因為圖3中第2個閥芯導桿懸掛的影響。
圖3 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥閥芯異常狀況動態(tài)分析圖
圖4 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥閥座凸出,閥芯偏斜造成關閉時進汽增加
綜上所述,給水泵汽輪機調節(jié)汽閥根據轉速指令,1號到5號順序依次打開。圖5所示為給水泵汽輪機調節(jié)汽閥1號閥門全開及2號未開時的正常狀態(tài)示意圖。由于調節(jié)汽閥閥座與進汽室母材材質不一致,閥座材質為ZG20CrMoV,進汽室母材材質為15MoG,進汽室與閥座的金屬熱膨脹系數不同,在給水泵汽輪機運行的熱態(tài)情況下,金屬溫度受進汽溫度影響,插裝在進汽室的閥座與母材產生熱膨脹偏移,閥座熱膨脹凸起因此調節(jié)汽閥進汽異常,是造成本次調速系統異常的原因。
圖5 給水泵汽輪機調節(jié)汽閥1號閥門全開及2號未開時的正常狀態(tài)示意圖
利用機組檢修期間對2A給水泵汽輪機調節(jié)汽閥解體檢查時發(fā)現2號閥座凸起,凸起高度達12.6 mm。2號閥座凸起現場狀況如圖6所示。解體情況與上述原因分析一致,驗證了閥座凸起造成了給水泵汽輪機調速失常的原因。現場使用干冰將其冷卻收縮,然后用千斤頂將其頂回原位,所有閥座采用點固焊來約束熱膨脹凸起。
圖6 2號閥座凸起現場狀況
缺陷處理完成后,2A給水泵汽輪機轉速調節(jié)性能恢復正常。2A給水泵汽輪機掛閘時(速關閥全開,調節(jié)汽閥未開啟狀態(tài)),給水泵汽輪機盤車轉速穩(wěn)定在300 r/min,未出現異常升速現象。2A給水泵汽輪機沖轉時,2A調節(jié)汽閥指令從22.0%增加至25%,實際轉速從3 791 r/min上升至3 815 r/min,升速性能正常。經過比對分析,在相同的轉速3 791 r/min,修前對應調節(jié)汽閥開度為26.38%,修后開度恢復到22%,根據調節(jié)汽閥流量特性曲線,對應給水泵汽輪機的進汽量從3.335 kg/s降低到2.102 kg/s,在上述273 MW負荷條件下,查閱給水泵汽輪機的進汽焓值約為3 228 kJ/kg,2A給水泵汽輪機單位時間內可節(jié)約3 980.12 kW的熱耗量。
調節(jié)汽閥是給水泵汽輪機調速系統的重要組成設備,由于調節(jié)汽閥的閥座與進汽室金屬的材質和熱膨脹系數不相同,調節(jié)汽閥的閥座在熱態(tài)情況下會產生膨脹凸起,致使給水泵汽輪機進汽量與調節(jié)汽閥對應開度不匹配,從而引起給水泵汽輪機調節(jié)性能異常。
結合解體檢查調節(jié)汽閥,證實了調節(jié)汽閥閥座凸起是造成調節(jié)系統異常的原因,并通過采取干冰冷裝閥座,點固焊約束閥座運行期間產生熱位移等工藝措施,消除了調節(jié)汽閥異常引起調速性能異常的故障。針對本次解體檢查情況,對于同類機型的調節(jié)汽閥應列入定期檢查工作項目,及時檢查發(fā)現調節(jié)汽閥異常的隱患,采取防熱膨脹的措施以保證給水調節(jié)性能穩(wěn)定可靠。