浙江省大型火力發電廠汽輪機組典型故障分析

胡 洲，包勁松，張 寶，應光耀，李衛軍

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

火力發電廠汽輪機各主、輔設備發生故障[1]，會對發電機組的安全、穩定、經濟運行等方面造成不利影響，開展汽輪機各主、輔設備的故障統計與分析工作，發現設備故障的主要共性特征，分析、總結典型故障的產生原因、存在危害及防治經驗，可以促使發電廠重視存在的問題，有針對性地制定治理、防范措施，降低設備故障發生率，減少設備損壞情況的發生，提高發電機組的運行安全性、穩定性和經濟性。

2017年浙江省大型火力發電廠迎峰度夏技術監督檢查發現汽輪機組主、輔設備新增各類故障信息共計141項，將新增故障信息進行歸納和整理，存在共性、典型的故障問題主要有：調速系統故障，高、低壓旁路系統故障，西門子超超臨界機組汽門閥芯、閥座密封面裂紋，汽輪機軸系振動大，西門子汽輪機液壓盤車離合器損壞等。

1 調速系統故障

浙江省大型火力發電廠汽輪機調速系統故障頻發，故障種類繁多，本次統計發現，涉及存在調速系統故障的機組共有15臺[2]，主要有通流改造后機組汽輪機順序閥投用困難、汽流激振、汽門力矩偏低、汽門卡澀、汽門短暫異常部分關閉、汽門內漏、汽門關閉時間不合格、LVDT（汽門閥位反饋）故障、汽門閥位反饋與指令偏差大等問題，由此造成汽門開啟閥位受限、機組負荷突降或受限、防超速保護功能喪失、汽門晃動等異常情況，嚴重影響機組運行的安全性和經濟性，應引起發電廠的重視。

1.1 汽輪機順序閥投用困難

某2臺660 MW亞臨界機組汽輪機共有4只高壓調節閥，原順序閥為2+1+1運行模式，機組通流改造后，在汽輪機投用順序閥過程中會出現1號、2號瓦振動較大等故障現象，影響機組安全穩定運行，故汽輪機投用順序閥時只能關閉順序閥中的第四閥，投用前三閥（即2+1運行模式）。分析造成汽輪機順序閥投用困難的原因是：由于汽輪機調節級汽封間隙較小，1號、2號軸瓦穩定性較差，當汽輪機在順序閥投用過程中第四閥部分開啟時，1號、2號瓦容易在汽流激振力作用下引起振動突增、瓦溫升高等現象。

目前投用汽輪機順序閥只能采用2+1的運行模式，在夏季工況時會存在高負荷出力受限、電網大頻差動作時一次調頻響應能力受限等情況。建議將機組的運行策略按以下方式進行優化：

（1）夏季高負荷出力時可切換至單閥模式，保證出力及一次調頻性能，但單閥運行模式的缺點是經濟性較差。

（2）可考慮增加2+2混合配汽模式，保證出力的同時亦可適當提高經濟性。

（3）若汽輪機投用順序閥仍采用目前關閉順序閥中的第四閥、只投用前三閥的方式，建議考慮增加在電網大頻差動作時機組的一次調頻補償策略，消除第四閥無法開啟時導致機組負荷無法增加所造成的不利影響，增加機組一次調頻響應能力。此外，為解決汽輪機順序閥投用中第四閥投用困難的問題，建議繼續與制造廠和其它科研機構開展合作研究工作，深入開展順序閥模式下第四閥汽流激振治理研究[3]，尋求最終解決辦法。

1.2 汽門力矩偏低

某660 MW亞臨界機組汽輪機1號中壓主汽閥進行全行程活動試驗時，在全關后需借助外力方可開啟。分析故障原因，由于汽門開啟阻力過大、所需開啟力矩不夠，會出現汽門無法自動開啟的問題。如果有中壓調節閥內漏造成中壓主汽閥前后蒸汽壓差過大、中壓主汽閥開啟過程中閥桿摩擦力過大等情況出現，均會造成汽門開啟阻力過大。建議對1號中壓調節閥的嚴密性、1號中壓主汽閥閥桿磨損情況等進行檢查，減少由于中壓主汽閥前后蒸汽壓差過大或中壓主汽閥閥桿摩擦力過大所產生的開啟阻力，保證在無需借助外力情況下中壓主汽閥能夠自動開啟。

1.3 汽門開啟過程中有異音

某660 MW超臨界機組汽輪機2號高壓調節閥在45%以上開度時有異音，60%以上開度時容易引起汽流激振。經初步分析認為：汽輪機2號高壓調節閥閥座可能出現了松動現象，在2號高壓調節閥開度增大時，通過的蒸汽流量增大，在蒸汽力的沖擊作用下，高壓調節閥閥座發生振動（抖動）、旋轉、碰摩等現象，導致通過的蒸汽流場受到干擾，形成異音，造成汽流激振等現象。從高壓調節閥閥座結構看，其設有定位銷，推斷2號高壓調節閥存在閥座定位銷斷裂的可能。建議重新調整汽輪機順序閥閥序，機組正常運行中限制2號高壓調節閥的開度，加強監視高壓調節閥的運行情況，停機時檢修2號高壓調節閥。

1.4 汽門卡澀

某1 000 MW超超臨界機組A側中壓調節閥全行程試驗時曾發生在15%位置卡澀無法關閉的現象[4]。經查，15%位置大致位于中壓調節閥的預啟閥關閉區域，推斷存在預啟閥導向鍵松動或導向鍵與鍵槽之間因間隙過小產生碰摩的可能，導致預啟閥無法關閉。此外，汽門長期不活動時，閥桿與閥套之間容易積聚過多的氧化皮等雜質，同樣會造成預啟閥導向鍵卡澀或閥桿移動受阻，形成汽門卡澀。汽門卡澀威脅機組安全穩定運行，建議嚴格執行汽門活動性試驗的相關規定，盡快對卡澀的中壓調節閥解體檢修，重新調整或固定預啟閥導向鍵的位置，適當擴大導向鍵與鍵槽間隙，清理積聚的氧化皮等雜質，消除卡澀，確保預啟閥能夠平滑移動。對材質屬于易產生氧化皮的閥桿、閥套，應進行升級改造，降低氧化皮的產生量，減少汽門卡澀情況的發生。

1.5 汽門短暫部分關閉

某2臺1 000 MW超超臨界機組B側高壓主汽閥全行程試驗后，在其試驗恢復的開閥過程中，A側高壓主汽閥存在短暫部分關閉的異常現象。局部控制油支管油壓不足通常容易造成該控制油支管附近汽門油缸油壓下降，油缸油壓力矩不足而導致汽門出現關閉的現象。初步分析，B側高壓主汽閥全行程試驗后，在其試驗恢復的開閥過程中，可能因其油缸進油流量較大、進油速度過快，導致B側高壓主汽閥油缸的控制油支管需油量突增，從而引起A側高壓主汽閥附近局部控制油支管供油壓力下降，A側油缸油壓力矩短暫不足而導致汽門出現短暫異常部分關閉的現象。汽門短暫異常部分關閉威脅機組安全穩定運行，建議在B側高壓主汽閥全行程試驗后的恢復過程中對其進行緩慢開閥試驗，并對B側高壓主汽閥伺服閥、節流孔等進行檢查，適當縮小B側高壓主汽閥試驗電磁閥的進油節流孔尺寸并試驗其效果。如現場有條件，建議可在各汽門油缸控制油母管末端增設蓄能器，消除汽門開閥時需油量突增時帶來的油壓波動。

1.6 汽門關閉時間不合格

某330 MW亞臨界機組高壓主汽閥、中壓主汽閥關閉時間均不合格（高壓主汽閥：0.543 s，0.516 s；中壓主汽閥： 0.556 s， 0.489 s）， 《汽輪機調節控制系統試驗導則》規定200—600 MW機組主汽門關閉總時間建議值是不超過0.3 s。經測算，在調節閥拒動的情況下危急超速最高轉速可飛升至3 516 r/min，接近調速系統失控后，危急轉速最高不超額定轉速18%（3 540 r/min）的規定，處于較危險的區域。造成汽門關閉較慢的原因[5]，可能與汽門關閉延時時間較長、汽門油缸泄油速度較慢或汽門閥桿卡澀等造成汽門凈關閉時間較長等有關，建議從ETS（汽輪機跳閘保護系統）輸入通道到安全油泄油回路進行檢查，加快泄油速度，縮短延時時間，若汽門出現卡澀現象，應對汽門進行解體檢查。

2 高、低壓旁路系統故障

本次統計發現浙江省火力發電廠存在高、低壓旁路系統故障的機組共有12臺，主要有高、低壓旁路閥內漏，開啟故障，油站充油頻繁等故障問題。

2.1 高、低壓旁路閥的內漏

高、低壓旁路閥的內漏將導致熱力系統工質泄漏，影響機組運行經濟性。長期內漏還容易導致旁路閥密封面吹損嚴重，加劇內漏。此外，旁路閥內漏會導致閥后蒸汽溫度高，減溫水系統投入使用后，因減溫水流量小霧化效果變差、減溫水量控制不當等原因，還容易造成旁路閥后管道發生水擊、管材熱疲勞損傷等現象，從而出現裂紋、甚至斷裂等情況，威脅機組安全穩定運行。

高、低壓旁路閥內漏產生原因與旁路閥未關閉到位，閥芯、閥座密封面受損密封不嚴等因素有關[6]。建議在高、低壓旁路閥開度調整時確保其機械零位在準確位置；對受損的高、低壓旁路閥的閥芯密封面進行車銷、研磨、堆焊等處理，密封面經紅丹粉試口保證其達到質量要求，消除高、低壓旁路閥的內漏現象；在旁路閥前加裝濾網，阻止管路中積攢的焊渣、銹皮等通過，降低在機組啟停階段因蒸汽品質差對旁路閥閥芯、閥座密封面的沖刷和磨損，提高機組運行的安全性和經濟性。高、低壓旁路閥出現內漏時應注意控制其閥后減溫水，必須將閥后溫度控制在管材的溫度承受范圍以內，應根據管材許用應力的設計溫度進行限制，防止管材超溫；閥后蒸汽溫度應高于對應蒸汽壓力的飽和溫度，并保持一定的過熱度，防止出現管道水擊；同時，閥后溫度不應大幅快速波動，應注意通過調整減溫水控制其緩慢變化，盡量減少因冷熱驟變導致管材產生熱疲勞損傷等問題。

2.2 高、低壓旁路閥開啟故障

高、低壓旁路閥開啟故障將導致主、再熱蒸汽壓力無法控制，尤其是機組在高負荷突然跳閘時，鍋爐嚴重超壓，可能因泄壓不及時導致蒸汽管道發生爆炸，嚴重威脅機組安全運行。

某2臺330 MW亞臨界機組停機時，高、低壓旁路閥曾多次出現無法開啟的情況。分析原因，該機組正常運行中因高、低壓旁路閥長期保持關閉狀態，旁路閥液壓油缸中的控制油消耗量極少，一些控制部件/部位的局部控制油長期滯留在高溫環境下，受高溫影響容易變粘稠，高、低壓旁路系統比例閥出現卡澀、靜態開啟力矩偏大等問題，從而造成高、低壓旁路系統比例閥因無法動作而失去控制功能，高、低壓旁路閥無法開啟。目前該機組高、低壓旁路系統比例閥需經輔助外力疏通后方可有效動作。建議適當增大高、低壓旁路系統比例閥開啟力矩，或進行調研后考慮對高、低壓旁路系統比例閥進行改型，保證高、低壓旁路閥能夠正常開啟。

2.3 高壓旁路閥油站充油頻繁

某1 000 MW超超臨界機組高壓旁路閥油站存在頻繁充油現象，約5 min 1次。分析原因，高旁油站頻繁充油，說明系統存在耗油量較大、油壓下降過快的問題[7]，可能與高壓旁路油站內部系統管道、電磁泄壓閥、溢流閥、高壓旁路閥油缸控制閥或電磁閥漏油泄壓等有關。高壓旁路油站系統漏油泄壓，嚴重時會造成高壓旁路系統失去動力油，進而導致高壓旁路閥及其附屬液壓減溫水閥無法操作，威脅機組的安全運行。建議對高壓旁路油站進行徹查，消除頻繁充油故障。

3 西門子超超臨界機組汽門閥芯、閥座密封面裂紋

浙江省內多數西門子超超臨界機組已投運多年，汽輪機汽門閥芯及閥座密封面普遍存在裂紋故障，有的機組在投運數年后，甚至出現汽門閥芯及閥座密封面裂紋集中快速式爆發的情況。

隨著裂紋的擴大和加深，尤其是環向裂紋，隨時可能造成閥芯及閥座密封面的金屬部件脫落并進入汽輪機，從而損壞汽輪機通流部分，造成葉片變形、斷裂、轉子受損等嚴重問題，對機組安全運行構成嚴重威脅，需引起高度重視。

分析汽輪機汽門閥芯及閥座密封面裂紋的原因[8]，可能與汽門閥芯及閥座密封面的材質、加工工藝以及汽輪機快冷裝置投用不合理等有關。目前主要的處理方案有2種，一種是將原司太立合金密封面切除后，采用鎳基合金過渡層加司太立合金堆焊密封面；另一種是原司太立合金密封面切除后，全部采用鎳基合金堆焊密封面。建議進一步深入分析裂紋產生的確切原因，目前應做好如下應對措施：

（1）暫停投用汽輪機快冷裝置，遇特殊情況投用汽輪機快冷裝置時應謹慎，可適當降低缸溫的冷卻速率，如有條件，可考慮對該裝置增加空氣加熱系統，減小冷空氣與熱態汽門的溫差。

（2）加強檢修中對汽輪機汽門閥芯及閥座密封面的檢查，原則上對出現裂紋的汽門閥芯或閥座密封面應進行整體更換，不應采取挖補的修補方式，避免挖補后的部位再次產生裂紋并出現脫落的危險。

（3）對已產生裂紋但尚不能立即整體更換的汽門閥芯或閥座密封面，應做好安全評估和檢查記錄，加強對汽輪機運行參數的監視，盡快停機更換閥芯或閥座密封面，消除安全隱患。

4 汽輪機軸系振動大

浙江省各發電廠歷來非常重視軸系振動問題，開展了各種綜合診斷和治理，取得了較好的成效。目前，各發電廠絕大多數機組軸系振動控制情況良好，監測手段完善，但仍有部分機組因不同原因導致軸承振動存在超標問題。本次統計發現，汽輪機軸系振動存在偏大問題的機組共有12臺，其中超超臨界機組占比較大。

機組軸系振動大，將影響機組安全可靠運行，嚴重時會損壞軸頸、軸瓦，甚至造成汽輪機動靜葉片劇烈碰摩、葉片斷裂、汽輪機損壞的嚴重事故。由于軸系振動產生的根源極其復雜，應根據機組出現的振動問題進行專項振動分析，并根據其振動特點進行綜合診斷和治理[9]。

4.1 西門子超超臨界機組汽輪機1號軸承振動大

某西門子660 MW超超臨界機組1號軸承軸振大，處理過2次，但效果一直不理想，目前在40～120 μm波動。分析其原因，軸瓦電腐蝕、橢圓接觸面圓滑度偏低等原因會導致與軸承座的接觸性不好，軸瓦剛度不夠，在汽流激振力作用下轉子運動軌跡逐漸失穩，軸振增大[10]。建議提高軸瓦接觸性和軸瓦剛度，增強軸瓦穩定性[11]；對軸心運行軌跡進行分析；綜合運用降主汽溫度、調整軸瓦墊高和間隙、啟停頂軸油泵、控制AGC（自動發電控制）速率、動平衡試驗等手段，查明引起軸振增大的主要影響因素，有針對性地制定處理措施。

4.2 西門子超超臨界機組汽輪機極熱態停機軸振大

某3臺西門子1 000 MW超超臨界機組極熱態停機后，因輔汽供主機軸封汽溫度太低（約280℃），引起汽輪機2號軸承振動增大。分析認為：極熱態停機時，輔汽供軸封汽溫度太低，與高壓軸封金屬溫度不匹配，尤其是2號軸承靠近高壓缸進汽側，停機時軸封金屬溫度最高，軸封金屬遇到冷蒸汽后受冷收縮，與轉子發生碰摩（已發現有的機組軸封齒磨損較大），引起軸承振動增大，嚴重時甚至會造成汽輪機大軸抱死。建議合理安排停機過程，優化機組滑參數停機程序，可考慮在機組降至低負荷時維持鍋爐熱負荷不變（保證低負荷煙氣溫度不低于環保脫硝要求）的情況下，通過適當開啟高、低壓旁路閥，控制汽輪機進汽量，實現在鍋爐熱負荷不變情況下滑參數停機，停機前盡可能降低汽輪機缸溫，縮小輔汽所供軸封汽與高壓軸封金屬的溫差，減少轉子碰摩振動現象；建議對同類型機組開展調研，增設汽輪機軸封汽電加熱系統，提高停機后軸封供汽溫度，解決軸封汽與高壓軸封金屬的溫度匹配問題，減少轉子與軸封部件碰摩產生振動的現象發生。

5 西門子汽輪機液壓盤車離合器損壞

某西門子1 000 MW超超臨界機組汽輪機液壓盤車離合器在汽輪機盤車投用過程中出現損壞事故。分析原因，該機組汽輪機液壓盤車離合器損壞系靜態盤車時啟動力矩過大所致。為防止此類事故的發生，建議修訂汽輪機盤車投運相關運行規程，制定汽輪機盤車啟動操作點卡：在汽輪機轉子靜止狀態下啟動液壓盤車時，必須先對汽輪機轉子進行手動盤車，若汽輪機轉子在手動盤車時出現無法盤動的情況，禁止投運液壓盤車；若汽輪機轉子在手動盤車時盤動輕滑，可逐漸增加液壓盤車動力油，待液壓盤車動力油能夠推動汽輪機轉子緩慢轉動時，立即停止手動盤車，緩慢加大液壓盤車動力油，并調整盤車轉速至正常轉速值。

此外，汽輪機液壓盤車動態啟動或運行時力矩過大、離合器嚙合不到位、離合器在高速旋轉時無法及時脫開等原因亦可能造成液壓盤車離合器損壞[12]。建議檢查汽輪機頂軸油系統，確定汽輪機各瓦處轉子被頂起至規定值，防止頂起高度不到位，造成盤車動態啟動或運行時力矩過大，從而損壞液壓盤車離合器；在檢修中應對液壓盤車離合器進行檢查，防止離合器傳動楔塊卡澀、安裝不到位等原因造成液壓盤車離合器在投運時出現嚙合不到位、離合器在高速旋轉時無法及時脫開等問題，從而避免因汽輪機轉子高速沖擊造成離合器損壞。

6 結語

火力發電廠汽輪機各主、輔設備故障種類繁多，有必要持續開展故障監督檢查工作的統計與分析，梳理其典型、重要故障，便于發現生產運行中的薄弱環節。

調速系統故障、高、低壓旁路系統故障、汽輪機軸系振動大、西門子汽輪機液壓盤車離合器損壞等典型故障是常見易發故障，對機組的安全、穩定、經濟運行會造成不同程度的影響，需要各發電廠在機組正常運行過程中持續關注，根據其特性適時調整運行方式，并結合檢修及時予時消除。西門子超超臨界機組汽門閥芯、閥座密封面出現裂紋是西門子機組的通病，目前采用的切割堆焊處理方法，其效果仍需長時間檢驗，裂紋的產生根源仍需各發電廠與制造廠及其它科研機構繼續深入開展試驗和研究，找出其確切原因，徹底消除安全隱患。

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