350 MW超临界汽轮机冷态启动中压缸胀差大的分析及处理

2023-02-03吴兴无姚志宏何新荣

发电设备 2023年1期

吴兴无，姚志宏，邱琛，谭锐，何新荣

(1. 国家能源集团宿州热电有限公司，安徽宿州 234000；2. 国家能源集团科学技术研究院有限公司，南京 210046)

金属构件受热后，会在长、宽、高的方向上均发生膨胀，其膨胀量和膨胀速率与金属材料膨胀系数、传热边界(如对流传热系数、流体流速等)等因素有关。汽轮机转子和汽缸从冷态到带负荷运行，金属温度变化非常大。转子的体积较小，温升和热膨胀较快；而汽缸的体积较大，温升和热膨胀较慢。因此，转子和汽缸在机组的启停、暖机和升速过程中会存在一定的热膨胀差[1-2]。当汽轮发电机组存在通流间隙小、滑销系统卡涩、冲转参数和暖机转速选择不当等问题时，机组在冷态启动过程中容易出现胀差偏大的问题。这会造成机组冷态启动过程时间延长，严重时甚至会引起动静部件摩擦、机组轴系振动等一系列故障。因此，胀差保护成为汽轮机监测保护系统的重要组成部分[3-4]。

笔者通过分析某电厂2台350 MW超临界机组汽轮机运行参数、安装和检修情况及机组轴系结构，分析该型机组冷态启动中压缸胀差偏大的原因，实施了相应的处理措施。

1 机组运行情况

1.1 机组概况

该型汽轮机是通过引进技术生产的改进型汽轮机。汽轮机高、中压部分为分缸结构，具有独立的高压缸和中压缸；汽轮机低压部分为双流、双排汽的低压缸。中压缸采用内缸加隔板套的结构，同时中压缸设计采用整体锥筒结构，并且加厚缸壁以提高汽缸的刚性。中压转子采用无中心孔整锻转子，中压共有7级叶轮，中压转子1～7级均为菌型叶根槽。

该型汽轮机高压缸和中压缸的静止部分死点位于汽轮机轴线与中压缸和低压缸中间的轴承箱底部横向键中心线交点上，高压缸和中压缸的静止部分以死点为中心向机头膨胀。推力轴承位于高压缸和中压缸之间的轴承箱内。运行时，推力轴承带动整个轴系随中间轴承箱向前移动，转子以推力轴承为相对死点向机头、机尾膨胀。机组在高压转子前端(前轴承箱内)、中压转子后端(中压缸和低压缸间的轴承箱内)和低压转子后端(低压缸后轴承箱内)装有胀差传感器，用于测量高压转子、中压转子和低压转子与对应的汽缸热膨胀的差值(分别简称为高压缸胀差、中压缸胀差和低压缸胀差)。胀差以转子的热膨胀值大于静子的热膨胀值为正，反之为负。中压缸正胀差保护值根据中压通流部分间隙最小轴向间隙(中压转子第7级间隙)确定为6.5 mm。

1.2 机组冷态启动运行情况

5号机组第一次C修后的冷态启动过程中，在带初负荷(28～30 MW)阶段，中压缸缸胀为18 mm，中压缸胀差最大达到了6.8 mm(保护值为6.5 mm)，造成中压缸胀差保护动作。该机组投运后的2年里又发生了3次冷态启动过程中，因中压缸胀差大造成启动失败的事故。该电厂6号机组也存在冷态启动过程中，中压缸胀差大的问题，但是情况略好于5号机组，未发生启动失败的事故；但是，其启动时间偏长，锅炉到50%额定负荷后点火投自动发电控制(AGC)需要至少25 h。为避免冷态启动过程中，中压缸胀差大造成保护动作，该电厂5号和6号机组冷态启动中，升速至3 000 r/min，只能长时间带初负荷暖机，造成锅炉尾部烟道烟气温度无法快速达到脱硝投入条件，导致脱硝系统投入运行的时间推迟，无法满足地方环保局关于机组并网后4 h内脱硝系统正常投入运行的要求。该电厂5号、6号机组冷态启动过程中，中压缸胀差大的问题严重制约了该型机组的启动速度，影响了机组的安全性和环保经济性[5-6]。近几年，火电机组年利用时间逐年降低，机组的启停次数逐年增多，该问题日益突出。

2 原因分析

该型汽轮机冷态启动过程胀差的变化规律与其他汽轮机冷态启动过程中胀差变化规律一致；同时，在正常运行过程中，该型汽轮机中压缸胀差也在合理范围内，表明该机型的胀差测量装置的布置满足监测要求。现场对中压缸胀差测量装置相关内容进行了检查，主要包括零位校准、探头检定、组态检查、趋势对比等，未发现异常。此外，在检修期间，该电厂在机组的另一侧增加了一套中压缸胀差测量装置，两套测量装置的测量结果基本一致。因此，可判定该型机组配备的中压缸胀差测量装置布置合理，测量结果能准确反映机组汽缸与转子相对膨胀量的变化[7-8]。

2.1 机组结构

汽轮发电机组高、中压部分有合缸和分缸两种轴系结构。与高、中压合缸机组的转子相比，高、中压分缸机组的高、中压转子的长度更长，因此在冷态启动过程中其受热膨胀后的绝对膨胀值较大，胀差也容易较大。该型汽轮机设计阶段为保证机组的出力和热效率，通流部分轴向间隙设计得偏小，根据中压通流部分的最小轴向间隙(中压第7级间隙)，将中压缸正胀差保护值确定为6.5 mm，比一般高、中压缸分缸机组的中压缸正胀差保护值小1.5～3.0 mm[1]。此外，该型汽轮机中压缸采用双层结构，中压缸未配备夹层加热装置，没有蒸汽直接加热外缸，只能依靠内缸辐射传热，造成冷态启动过程中，中压缸外缸温升非常慢，导致中压缸的膨胀速率较小[9-10]。

根据调研，对于采用该型汽轮机的机组，共有6台机组投入运行，并且在冷态启动过程中，均存在中压缸胀差大的问题，造成冷态启动时间过长(25～30 h)，个别机组甚至需要38～45 h才能带到满负荷，表明该型汽轮机轴系布置和结构特点是引起该问题的主要原因。

2.2 检修安装

现场调取机组启动过程机组热膨胀及胀差变化曲线，发现热膨胀及胀差变化曲线均是圆滑平稳的，不存在跳动的情况，并且两侧的中压缸胀差接近且基本同步变化，因此可基本排除滑销系统卡涩的情况[11]。

（3）管道敷设。给排水管道布置时应遵守“压力管让重力管，小管径让大管径，支管让干管”的原则。管线交叉时，优先设计重力管，然后再进行压力管设计。本项目污水排水管为重力管，设计时先干管后支管，做到管线最短、管径最小、埋深最小，充分发挥出重力的作用。优先设计主管道以及管径较大的管道，尽量保证管线布置水平，避免出现交叉、打弯等情况，且主管道应尽量靠近最大用户布置。本项目中回水供水管主管管径DN1000，主要回水用水点为选矿厂房，因此优先在选矿厂房旁布置回水供水管道。

对比该电厂5号和6号机组的冷态启动数据发现：在相同的冲转参数和运行方式下，2台机组汽轮机高压缸和中压缸的膨胀速率相差较多，说明2台机组的轴承座与基础台板间滑动面的摩擦阻力相差较大[11]。在冷态启动过程中，5号机组中压缸胀差大的情况比6号机组中压缸胀差大的情况要严重得多，表明5号机组轴承座与基础台板间滑动面的摩擦阻力较大，同时对机组的缸体热膨胀有一定的影响[12-13]。

2.3 机组运行

机组在运行期间主要存在以下问题：

(1) 轴封供汽温度较高。在冷态启动过程中，投入辅助蒸汽对轴封供汽时，汽封套受热后向两侧膨胀，虽然对整个汽缸的膨胀影响不大，但是汽封处转子受热后会伸长。转子伸长量主要是由供汽温度和轴封供汽量决定的，加热时间也会对其产生一定的影响[14-16]。

该电厂5号和6号机组汽轮机在冲转过程中，轴封供汽温度控制效果不理想，经常超过300 ℃，并且轴封供汽温度波动大，中压缸胀差跟随轴封供汽温度的变化而波动。如在2019年3月20日，6号机组汽轮机冲转前轴封供汽温度达到了326 ℃，导致冲转前中压缸胀差最大达到了4.38 mm，表明该电厂5号和6号机组轴封供汽参数的控制对机组冷态启动过程中的中压缸胀差有较大的影响。

(2) 暖机转速较低。冷态启动暖机是一个充分预热的过程，暖机转速越高，暖机过程中的进汽量越大，汽缸接触的蒸汽越多，膨胀越快。厂家提供的冷态启动过程曲线中要求汽轮机在1 500 r/min暖机转速下暖机2.5 h，而该电厂5号和6号机组实际暖机转速为1 150 r/min，暖机转速偏低，并且5号和6号机组中速暖机时间一般为2 h左右，导致每次汽轮机升速至3 000 r/min后及带初始负荷期间的中压缸胀差仍出现较大上升，有引起跳机事故的风险[17]。

(3) 冲转及暖机时真空较高(-93～-90 kPa)，导致冲转阶段和暖机期间汽轮机进汽量偏小，造成汽缸膨胀速率低，不利于控制胀差[18]。

综上所述，该电厂5号和6号机组冷态启动过程中的中压缸胀差偏大，造成冷态启动及初负荷暖机的时间过长。主要原因为：该型汽轮机采用高、中压分缸，设计通流部分轴向间隙小，造成胀差保护值小；中压缸为双层结构，缺少中压缸夹层加热系统，中压缸膨胀慢；启动期间轴封供汽温度较高；暖机转速较低；冲转及暖机过程中真空偏高也产生了一定的影响。

3 处理措施

(1) 通过采用更换高、中压对轮垫片的方式调整了轴系K值(制造厂给的一个汽缸内的动静间隙值，是高、中、低压转子第一个压力级与第一级静叶之间的轴向距离)，检修期间将中压缸的轴系K值由26.6 mm缩小至25.6 mm，然后将中压缸胀差保护值由6.5 mm放宽至7.5 mm。

(2) 检修期间对滑销系统进行检查，未发现轴承座与基础台板间滑动面有明显生锈和固化的情况。检修期间向各轴承座与基础台板间滑动面注入高温润滑剂，使基础台板间滑动面得到充分润滑，减少摩擦阻力。

(3) 通过技术改造，增加中压缸夹层加热装置，从中压缸调节阀后疏水管道上引出一路管道，然后利用中压缸进汽端疏水管将再热蒸汽导入中压缸下夹层，使高温蒸汽和中压缸外缸内壁直接接触进行对流传热，加快中压缸外缸的温升速率。

(4) 设置轴封供汽减温水，在冷态启动过程中，将轴封供汽温度控制在230～260 ℃，同时将冷态启动冲转前中压缸胀差控制在3.0 mm以内[19]。

(5) 优化高压缸预暖操作方法。厂家运行说明书中要求的内容为：冷态启动时，高压缸调节级金属温度低于150 ℃，在锅炉升温、升压时进行高压缸预暖，当高压缸第一级下半内壁金属升温至190 ℃并保持一段时间后，结束预暖。现将其优化为锅炉上水时、机组真空建立后进行高压缸预暖；将高压缸倒暖投入状态一直保持到汽轮机冲转前再解除，延长倒暖时间。

(6) 优化冲转及暖机时相关控制参数，降低真空并将其维持在-81～-79 kPa，将暖机转速由1 150 r/min提高至1 500 r/min，控制主蒸汽及再热蒸汽的温升速率等，同时保证暖机时间达到2.5 h后再进行并网[20]。

(7) 暖机时调整采暖蝶阀开度，将该阀开度由100%降低至0%～5%，以延长蒸汽在中压缸内的停留时间，提升中压缸的热膨胀速率[21]。

采取相关优化措施后，该电厂5号机组优化前、后相关参数的变化见表1。

表1 5号机组优化前、后相关参数的变化

采取相关优化措施后，该电厂5号和6号机组汽轮机在冷态启动过程中，自冲转到机组正常带负荷，中压缸胀差最大不超过6.4 mm。严格按照厂家提供的启动曲线进行冲转、暖机和带负荷，点火到并网仅需要8.5 h左右，并网后5.5 h左右就可以投AGC及脱硝，比优化前冷态启动时间缩短约16 h，但仍未满足相关要求，存在优化空间。