国产超超临界汽轮机特点分析及问题建议

赵英淳，吴 凯，张 磊

(中国能源建设集团西北电力试验研究院有限公司，陕西 西安 710054)

在国家大力推动大型高效超净排放煤电机组产业化和示范应用的背景下，国内三大汽轮机厂——上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂，以提高蒸汽初参数为核心思想，在各自原有技术基础上，先后设计、制造、投产了多台新型超超临界机组。

本文通过对比三大主机厂的超超临界汽轮机本体、辅助系统及启动运行等方面的异同点，简析其改造思路；分析了各自调试及运行期间的典型问题及注意事项。

1 国产超超临界汽轮机特点及改造思路

1.1 高压缸结构和密封形式对比

汽轮机主汽参数提高后，对高压内缸结合面的密封性提出了更高要求。

上汽机组高压内缸为垂直纵向平分面结构[1]，采用这种设计可以减小缸体重量，提供良好的热工况。另外，由于缸体为旋转对称，因而避免了不利的材料集中，各部分温度可保持一致，使得机组在启动停机或快速变负荷时缸体的温度梯度很小，热应力保持在一个很低的水平。

东汽和哈汽的高压内缸采用了上、下两半近乎筒形的缸体结构，为保证内缸接合面的密封性，采用了螺栓密封和红套环密封的组合形式，即进汽区域采用螺栓密封的法兰连接结构，螺栓尽量向中心靠拢，为避免与进汽口干涉，螺孔做成栽丝形式；其余区域均采用密封能力更强的红套环密封形式，筒形的红套环设计，可以减小内缸直径，使缸体受热均匀，热应力小，适合快速启停，有利于机组调峰。

1.2 配汽方式对比

鉴于传统喷嘴调节的汽轮机最大焓降往往出现在调节级处，三大主机厂在改进设计时，同时选择了取消冲动式调节级的方法，提高了高压缸效率。汽轮机变工况时，进汽量的控制改为节流调节方式，蒸汽经过左右侧高低位布置的高压联合阀组，切向直接进入蜗壳式汽室，减小第一级导叶进口参数的切向不均匀性，提高效率。

上汽和东汽机组还增设了补汽阀，满足机组能够到达更高的负荷，同时补汽阀还具有提高机组调频调峰能力的功能。

1.3 轴系支撑方式和滑销系统设计对比

为提高轴系稳定性，国产超超临界机组轴承座均为落地布置，基础变形对轴承荷载和轴系对中的影响小。

上汽机组除发电机转子外，轴系设计采用独特的单轴承“N+1”支承模式，轴系总长度更短，转子临界转速高，稳定性好；转子的死点和汽缸死点都位于包含推力径向轴承的2号轴承座上，转子和缸体膨胀都从这点开始，轴承座均支撑在基础上，不随机组膨胀移动[2]；整个轴系以2号轴承座内的径向推力联合轴承为死点向两端膨胀；高压外缸受热后以2号轴承座为死点向调阀端方向膨胀，中压外缸与低压内缸通过推拉杆连接传递膨胀，一起向电机端方向膨胀；低压外缸与凝汽器刚性连接承，不参与整个机组的滑销系统。在运行中这样的滑销系统能使通流部分动静之间的差胀较小。转子激振力通过轴承壳体传递至轴承盖，进而通过地脚螺栓和预埋件，直接传递至基础，汽轮机振动保护采用2个瓦振速度值作为保护跳机条件，轴振仅作参考，且用横向和纵向矢量合成的单峰值显示。

东汽和哈汽机组高压转子、中压转子和两根低压转子均为双支撑结构，发电机转子为三支撑结构；滑销系统采用多死点设计，缸体膨胀死点位于低压缸中心附近及中低压缸之间轴承箱底部横向定位键与纵向导向键的交点处，转子膨胀死点位于推力轴承处，推力轴承布置在高压缸与中压缸之间的轴承箱上。

1.4 润滑油系统和盘车装置对比

东汽超超临界汽轮机润滑油系统保持了传统的设计方式。上汽和哈汽取消了主油泵，改为配置两台交流润滑油泵(一用一备)为轴瓦提供润滑。哈汽的顶轴油及盘车装置也保持了其以往的设计。上汽超超临界汽轮机设计液压盘车，盘车设备安装于高压转子自由端(即1号轴承座前)，采用由机组顶轴油为动力的液压马达驱动，自动啮合并配有超速离合器，由于顶轴油系统是驱动液压盘车的油源，所以增设了一台顶轴油泵(两用一备)。

1.5 调节保安油系统对比

东汽超超临界汽轮机调节保安油系统也保持了其以往的设计。上汽和哈汽取消了低压保安油部分的设计，省去包括机械超速飞锤、高压备用密封油泵、隔膜阀等设备。

上汽调节保安油系统在每个汽门处设计了冗余的快关电磁阀和卸荷阀组，以保证在危急工况下汽门能迅速泻油关闭。哈汽调节保安油系统则仍保留了在调节保安油母管上设计AST和OPC泄油通道的设计理念，由于取消了低压保安油部分的设计，哈汽机组增设了一套独立电超速转速通道及配套的冗余电磁阀组跳闸模块，保证其在转速到达3 330 r/min时能通过该模块泄掉安全油，引发汽轮机安全跳闸。

2 国产超超临界汽轮机调试及运行期间的典型问题及建议

2.1 汽轮机转子抱死问题

由于汽轮机进汽参数高，汽封间隙的设计值小，上汽超超临界汽轮机要求热态工况下轴封蒸汽温度达到280～320℃，但辅助蒸汽往往没有这么高的温度，因而很多机组在高负荷跳闸后，汽轮机在盘车过程中发生转子抱死现象。

对抱死的原因进一步分析：汽轮机热态停机时，汽封供汽温度偏低，而汽封腔室金属温度较高，两温度之间存在较大温差，导致高、中压缸端部汽封急剧冷却发生变形，产生动静碰摩并造成转子抱死。根据分析提出以下防转子抱死措施。

(1)在机组高负荷运行状态下，汽轮机汽封系统自密封后仍要加强对汽封母管蒸汽温度的监视，结合主机厂对于汽封供汽参数的要求，将热态停机后的汽封供汽温度控制在合适范围；

(2)始终保证轴封备用汽源管路的充足疏水，避免汽封进水，增设汽封供汽电加热器，加强电加热器状态检查，保证一旦汽机跳闸，汽封供汽电加热器能够立即启动、调节汽封供汽温度；

(3)停机以后如出现了主轴抱死导致盘车无法投入的情况，可尝试手动盘车。若手动盘车无法盘动转子，则闷缸处理，待轴封间隙恢复、能够盘动转子时，进行间歇性手动盘转子直轴，直至重新投入盘车；切忌强行盘动转子，以免造成转子永久性损伤；

(4)建议设计院和主机厂考虑设计另一路高温备用汽源，比如冷再或者主汽来汽，用以预防汽封供汽电加热器出现故障、无法投运的情况出现时，可以根据需要选择温度合适的汽封汽源。

2.2 高压缸上下缸温差大

东汽和哈汽的超超临界机组高压内缸均采用了筒型缸结构和红套环密封技术。在机组启动、运行和带负荷阶段，两种机型均出现过上下缸温差大的现象，甚至导致高压内缸变形、致使转子在热态停机盘车状态下抱死的问题。

以某东汽超超临界机组项目为例，汽轮机前六次启动过程中，在升速、空负荷、带负荷阶段，均出现了高压缸上下缸温差大的现象。其中，高压内缸内壁上下温差>50℃，高压缸夹层上下温差、高压外缸内壁上下温差更大。经分析检查，缸温差大的问题呈以下特点。

(1)由于高压缸疏水设计不合理、疏水温度低。现场检查发现高压缸外缸疏水设计不合理。同时高压外缸部分疏水点阀后温度未超过100℃，疏水不畅。

(2)高压缸夹层内蒸汽流量不均匀、变化大。在机组带负荷期间，经常出现负荷、主汽温度稳定的工况下，夹层上半温度大幅度变化的现象，幅度接近100℃。夹层蒸汽来源主要为內缸轴封漏汽，稳定负荷下不应出现温度和流量大幅度变化。说明上下缸夹层内存在其他来源的不同温度的蒸汽，怀疑可能是高压内缸或与缸体相连的抽汽管道的结合面密封效果未达到设计要求，导致高压内缸相关结合面存在漏汽，进入内外缸夹层对汽流形成了扰动。

(3)下补汽阀插管密封泄漏量过大。东汽超超临界机组下补气阀插管疏水引至高压缸第五级下半夹层位置，解体检查发现下缸补汽管道与内缸密封环配合间隙标准为0.017～0.05 mm，实测配合间隙局部达到0.09 mm，补汽阀插入管密封环存在泄漏现象。查看相关历史数据，由于第五级漏汽温度低于正常下隔层温度，高压缸下补汽阀插管密封漏汽至下隔层，漏入下隔层的低温蒸汽对高压内、外缸下部进行冷却，导致高压缸上隔层温度始终高于下隔层温度。

2.3 补汽阀开启导致1、2瓦振动及轴向位移突跳问题

汽轮机设计补汽阀是为了提高机组运行的经济性和增强负荷调节能力，从调门前阀体引出的主蒸汽经过补汽阀后分两路回到高压缸第5 级作功。

多台上汽超超临界汽轮机在补汽阀开启后或到达一定开度时出现1/2瓦振动及轴向位移突跳现象，严重影响机组的过负荷调节能力。

以某上汽超超临界660 MW机组项目为例，在机组带负荷试运期间，补汽阀最大一次开至20%，此次补汽阀开启的持续时间约30 min。在补汽阀开启前后，轴向位移由-0.03 mm变化至0.05 mm，1瓦和2瓦振速变化均不到1 mm/s，振幅增大幅度达10～15 μm。

由这些数据来看，从补汽阀开启到补汽阀开度达到20%的30 min内，1瓦和2瓦振动及轴向位移的波动较为明显，但仍在安全范围之内。结合其他上汽—西门子汽轮机的运行状况，基本能够得到结论：补汽阀开启后或开度达到一定值时，汽轮机会随之产生汽流激振，出现振动突跳现象，且补汽阀开度越小，1瓦和2瓦振动及轴向位移的波动幅度也就越小。

在实际调试过程中，可以在风险可控范围内，通过机组补汽阀在典型工况开度与振动的试验，确定汽流激振导致轴瓦振动、轴向位移突跳时的阀门开度上限，并将测试结果写入DEH逻辑中，确保机组安全运行。

2.4 阀门活动试验过程中汽轮机跳闸问题

上汽超超临界汽轮机调节保安油系统，母管上未设计AST/OPC模块，每个阀门的安全油来源于各自的进油母管，危急跳闸泄油功能是通过每个汽门各自设计的冗余快关电磁阀-卸荷阀模块实现的。任一快关电磁阀动作，均可使对应阀门安全油压消失而保证阀门快速关闭。汽轮机阀门活动试验过程，分为阀门关闭和阀门恢复两个过程。在阀门关闭过程中，阀门快关电磁阀带电、同时模拟量指令置零，使阀门快关；随后阀门恢复过程中，快关电磁阀恢复带电，重新建立安全油，模拟量指令逐步恢复至试验前状态。

阀门活动试验导致机组跳闸最常见的原因是EH油压低跳机，主要是由于阀门恢复过程中，快关电磁阀动作后单向阀阀座未正常回座，安全油压未建立的情况下模拟量指令开始恢复，伺服阀动作沟通了进油母管与泄油母管，造成EH油压母管降低。当EH油压低于汽轮机跳闸保护值时，会触发汽机EH油压低保护动作。

单向阀未正常回座的原因主要有两个方面，一方面是由于快关电磁阀的节流孔堵塞而造成的单向阀的弹簧油压不能正常建立。另一方面，油路中的杂质会造成单向阀卡涩，单向阀不能正常回座。

为了防止阀门活动试验时出现意外，应该定期监视EH油油质。试验时应严密监视EH油泵油压及电机电流，防止过流，如出现意外情况，应立即中断试验，防止跳机。此外，也可以建立阀门防卡涩保护逻辑，当条件触发时，应迅速切断油动机进油，防止EH油母管油压降低。

2.5 调阀严密性问题

哈汽超超临界机组启动时，挂闸暖阀过程中，高中压主汽门打开3%后，汽轮机转速即开始上升，盘车脱扣；直至主汽门全关后，转速才开始下降。

这种调阀不严密现象由于机组调阀结构中存在卸载孔引起的。哈汽高参数超超临界汽轮机组由于蒸汽参数高、阀门口径大，为降低调阀开启初始力矩，必须采用带卸载孔结构形式的高压调节阀、再热调节阀，因此在高中压主汽门全开的工况下，高压调节阀、再热调节阀全关时也会有少量蒸汽进入汽轮机导致转速升高。

为保证此设计漏量不影响机组安全运行，根据哈汽厂B/Z18.21.1(R1)—2017《高参数超超临界汽轮机阀门严密性试验及甩负荷试验判别准则》，须达到以下以下要求。

(1)在保证阀门在加工和安装过程中符合厂家的公差范围要求。

(2)应定期进行阀门严密性试验，合格标准为主再热蒸汽温度不低于510℃，主再热蒸汽压力不低于额定值50%时：主汽阀，机组定速3 000 r/min,关闭四只主汽门，经过一段时间后，其转速应低于(P/P0×1 000) r/min(其中，P为实际进汽压力，应不低于50%额定主蒸汽压力；P0为额定蒸汽压力)；调节阀，机组定速3 000 r/min,关闭四只主调节汽门，经过一段时间后，其转速应降至900～1 200 r/min。

(3)机组发生甩负荷或进行甩负荷试验时，满负荷下汽轮机动态超调量不应大于8%，即最高飞升转速不应超过3240 r/min。

上汽超超临界机组在调试期间也出现过类似调阀严密性问题。以某上汽超超临界1 000 MW机组为例，在做机组调门严密性试验时，汽机转速没有下降到可接受的转速范围，距可接受转速还有十几转的差距。这也是由于调门自身结构中密封间隙过大，漏汽量超过设计裕度，导致调门严密性不合格。调试或运行期间，如发现该问题，严禁进行汽轮机甩负荷试验，并择机对调阀进行检修。

2.6 润滑油泵联启过程中机组跳闸问题

哈汽超超临界汽轮机润滑油系统取消了主油泵，增设了一台交流润滑油泵。多台机组在交流油泵联启过程中，润滑油母管压力低于汽轮机润滑油压低跳闸值导致机组跳闸。厂用电全停工况下两台交流油泵全停，直流油泵启动励磁过程中，润滑油母管压力无法满足轴瓦油膜形成的最低要求，汽轮机断油烧瓦风险高。

发现该问题后，在润滑油供油母管上(冷油器及滤油器后)增设了一组蓄能器，油泵联启过程中油压过低的问题得以解决。

3 结语

三大汽轮机制造厂以提高机组热效率为目标，以提高机组进汽初参数为中心思想，分别提出了各自的改造思路。本文对三大厂家的新型超超临界机组进行了对比，总结了各自的结构和技术特点；针对国产超超临界机组在调试、运行期间出现的典型问题，做出了分析。对更深层次地理解和掌握国产新型超超临界机组的改造思路，提高机组在调试、运行环节的安全可靠性水平有一定积极作用。