158型汽輪機高壓缸上下缸溫差突變原因分析

楊帆，丁勇能

(杭州華電半山發電有限公司，杭州　310015)

158型汽輪機高壓缸上下缸溫差突變原因分析

楊帆，丁勇能

(杭州華電半山發電有限公司，杭州310015)

9FA燃氣-蒸汽聯合循環機組在正常停機若干小時后，158型汽輪機高壓缸上下缸溫差急劇變化，導致機組在清吹階段因軸振大而中止啟動。通過對高壓主汽管道各區域溫度分布情況的分析和計算，找到造成高壓缸缸溫差異常的原因。

汽輪機;高壓缸缸溫;突變

汽輪機轉子和汽缸作為在高溫、高壓環境下工作的高精度主要部件，如果突發進水故障，機組下缸通常會被快速冷卻，上下缸溫差急劇增大，導致汽缸產生較大的熱變形，嚴重時甚至會因動靜間隙消失而引發碰摩、大軸彎曲，造成葉片損傷或者斷裂，汽缸結合面漏汽，高溫金屬部件永久變形和由熱應力引起的金屬裂紋，嚴重影響機組的安全穩定運行［1］。

因此，分析汽輪機汽缸進水故障的現象、原因，制定完善的防進水措施，對機組的安全穩定運行具有非常重要的意義。

1　機組概況

某STAG 109FA SS燃氣-蒸汽聯合循環“一拖一”單軸機組，即1臺燃氣輪機、1臺蒸汽輪機、1臺發電機和1臺余熱鍋爐。蒸汽輪機為LN136-10.3/2.3/0.36/564/564/312雙缸三壓再熱抽凝式158型汽輪機，余熱鍋爐為自然循環、三壓、再熱、無補燃的NG-109F-R型余熱鍋爐。STAG 109FA SS軸系布置見圖1。

2015年2月18日00:56:00，機組根據電網調度要求解列停機。鍋爐保溫保壓，爐側電動隔離閥保持開啟狀態，高壓主汽閥關閉，高壓主汽管路上各疏水閥關閉，汽輪機撤出軸封汽，破壞真空，處于盤車狀態。

2015年2月18日17:31:00，機組準備頂峰運行，投軸封、抽真空。根據規程執行燃氣輪機清吹程序(軸系由LCI拖動，轉速從0 r/min升至698 r/min清吹轉速，持續17 min)，機組3X軸振逐漸增大至0.154 mm，清吹程序中止。轉子惰走至零轉速，因盤車嚙合齒輪力矩超限，盤車自投失敗。檢查發現機組在啟動階段前的高壓缸上缸溫度為366℃，下缸溫度為231℃。

2　高壓缸溫差異常的原因分析

由于該158型汽輪機不設置抽汽管路、高低壓加熱器、獨立除氧器等設備，可以排除蒸汽或者水從抽汽管路、加熱器逆流進入汽缸的可能性。

通過對歷史數據和現場設備安裝情況的了解，根據高壓主汽流程(見圖2)和停機期間主汽溫度的變化趨勢(見表1、圖3)的分析，初步判斷為在停機若干小時后，有冷源介質進入汽輪機高壓缸內，導致了上下缸溫差在短時間內急劇增大。

表1　高壓主汽管路各敏感點溫度變化表

2.1高壓主汽管路溫度敏感點分析

從表1、圖3可見:機組00:56:00解列，04: 46:00爐側電動隔離閥前疏水罐溫度(TE5020)從387℃開始快速降溫，05:28:00降溫至281℃趨于平緩，平均降溫速率為2.52 K/min。

06:53:00，汽輪機側主汽溫度(TTIS)從413℃開始快速降溫，07:52:00降溫至258℃趨于平緩，平均降溫速率為2.63 K/min。

08:33:00，汽輪機高壓缸上下缸溫差逐漸擴大，至12:00:00左右，高壓缸上缸溫度447℃，下缸溫度108℃，上下缸溫差達到339 K的最大值。

2.2主汽管道內冷源“介質”的形成

從圖3分析，高壓主汽管道內蒸汽溫度首先是從爐側電動隔離閥前疏水罐開始降溫。根據現場查看和溫度測量，導致主汽管道內冷源“介質”形成的因素有:

(1)爐側電動隔離閥前疏水罐半露天布置，位于爐頂29 m層平臺下方的鍋爐墻體與汽輪機主廠房墻體之間的“空氣”走廊上。該走廊風速長期維持在10～15 m/s，且當天凌晨環境溫度在5℃左右，疏水罐與外界換熱條件較好。

(2)爐側電動隔離閥前疏水罐保溫棉材料為硅酸鋁氈，厚度為25 mm，且該疏水罐的熱電偶管座未保溫，暴露在空氣中。在機組正常運行時，通過紅外成像儀測量(見圖4)。該疏水罐保溫層外壁平均溫度為95.2℃，熱電偶管座外壁溫度可達476.5℃。

由圖4可見，該疏水罐的保溫棉厚度不足、熱電偶管座未保溫會導致熱量的大量散發。

(3)爐側電動隔離閥前疏水罐疏水的冷卻。05:28:00，疏水罐的高壓主汽管道內壓力為6.54 MPa，疏水罐內的實測疏水溫度為281℃。由此可知，由于該疏水罐保溫不足、外部環境換熱條件好，在持續的放熱過程中，疏水罐內過熱蒸汽逐漸的冷卻至凝結水。

(4)爐側電動隔離閥前疏水罐內冷卻的疏水量。

根據圖紙查閱，疏水罐體外筒體直徑D1= 0.35 m，內筒體直徑D2=0.32 m，計算時取名義直徑D=(D1+D2)/2=0.335 m;筒體長度L=0.9 m。

疏水罐內疏水溫度為ts=281℃，取疏水罐壁溫為tw=276℃，計算時定性溫度tm=(ts+ tw)/2=278.5℃。

由tm可查得該溫度對應下的飽和水物性參數和汽化潛熱為:

近似為豎壁膜狀對流換熱:

疏水罐內冷卻的疏水量為:

2.3主汽管道內冷源“介質”的流動

在爐側電動隔離閥前疏水罐內冷卻下的凝結水必然逐漸沿著高壓主汽管道向下流動，冷卻后的凝結水匯集到高壓主汽最低點+3.7 m層管道上(見圖5)。

高壓主汽+3.7 m層管路長度為L=3.6 m，內徑Dn=305 mm，管道有效容積為0.262 9 m3。經過3 h的匯集，爐側電動隔離閥前疏水罐內冷卻的疏水與高壓主汽管道內剩余蒸汽冷卻的部分疏水，約不少于242.58 kg(密度為810.68 kg/m3)，容積約0.299 2 m3的凝結水充滿+3.7 m層高壓主汽管道形成“水栓”。由于高壓主汽閥存在內漏情況，“水栓”前主汽管路壓力逐漸降低，“水栓”前后產生壓差，推動“水栓”前進至高壓主汽閥。

形成該“水栓”的凝結水通過高壓主汽閥泄漏至汽輪機高壓缸進汽管，此時該凝結水溫度為242℃，而高壓缸進汽管與汽輪機高壓缸相通，在軸封汽未投入的情況下，該管段內壓力近似為大氣壓力或者微正壓。部分凝結水瞬間汽化，體積膨脹約40～50倍，在短時間充滿高壓缸進氣管后，進入高壓缸內。由于此時高壓缸下缸溫度為483℃，凝結水及汽化的蒸汽作為“冷源”介質通過熱交換大量地吸熱，致使高壓缸下缸溫度急劇下降［2］。

在停機階段，汽輪機高壓缸排汽有兩條通道，見圖6。

從表1、圖3可見:08:33:00高壓缸上下缸溫差開始趨于變大，3 min后，本體擴容器內溫度(TE6702)從47℃迅速躍升到82℃，意味著有“高溫”介質進入了本體擴容器。而與本體擴容器連接的所有閥門中高壓通風閥是唯一處于開啟狀態的閥門。

由此可以清晰地查明高壓主汽疏水的流經途徑，見圖7。

綜上所述，由于機組高壓主汽管路保溫不佳，經過若干小時后高壓主汽管道內剩余的蒸汽部分冷凝為凝結水，通過高壓主汽閥泄漏至汽輪機高壓進汽管。由于高壓主汽閥后疏水閥因程序設定處于關閉狀態，凝結水或汽化后形成的“冷源”進入汽輪機高壓缸，因高壓缸缸體不設疏水閥，無法及時排出的“冷源”介質逐漸充滿高壓缸下缸，致使高壓下缸受冷后急劇冷卻，最終使得高壓缸上下缸產生339 K的巨大溫差。

3　防范措施

汽輪機機組運行中要加強對重要設備、部件的維護，保證如高壓主汽閥等重要閥門的動作靈活可靠、關閉嚴密和缸溫測點的可靠有效，發現缺陷及時消除。

完善機組重要管道、區域的保溫，對于破損、松動的保溫要第一時間給予修復。

在停機后要嚴密監視、定時記錄汽缸內壁溫度、大軸彎曲值、盤車電流、汽缸膨脹、脹差等參數［1］。若機組啟動前上下缸溫差大于50 K，因停止執行啟機程序，采取有效措施降低上下缸溫差。

對于日開夜停的兩班制機組，在停機后要注重監視主汽管道各部位的疏水溫度，如發生短時間內溫度突降現象，因開啟相應位置疏水閥，排除管道累積疏水［3］。

4　結語

汽輪機汽缸進水會危害機組安全運行，有可能造成重大的設備事故。筆者通過對高壓主汽管路各敏感點溫度的分析，希望對目前越來越多實行日開夜停的調峰兩班制燃氣-蒸汽聯合循環機組的安全啟動有一定的借鑒意義。

［1］李曉波，陳德強.汽輪機汽缸進水原因分析及處理［J］.內蒙古電力技術，2011，29(5):36-39.

［2］付建國，李廣金，趙愛軍，等.機組快速減負荷過程中高缸壁溫劇降現象的分析與解決［J］.河南電力，2001(1):15-17.

［3］林健秋.高壓缸缸溫異常現象的分析與探討［J］.廣西電力，2011，34(1):49-51.

Cause Analysis on Sudden Change of Temperature Difference between Upper and Lower Casing of HP Cylinder in a 158 Type Turbine

Yang Fan，Ding Yongneng
(Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd.，Hangzhou 310015，China)

After normal shutdown of a 9FA gas-steam combined cycle unit for several hours，the temperature difference between upper and lower casing of its high-pressure cylinder in the 158 type turbine changes violently，resulting in startup termination of the unit in purging stage due to shaft vibration.The causes are finally found through analysis and calculation on the temperature distribution at different areas of the high-pressure main steam pipe.

steam turbine;temperature of HP cylinder;sudden change

TK267

A

1671-086X(2016)01-0054-04

2015-07-20

楊帆(1974—)，男，高級工程師，主要從事電廠工程技術管理和行政管理工作。

E-mail:yangfan_golf@126.com