S109FA燃氣-蒸汽輪機溫態啟動失敗分析與防范措施

萬志勇

(江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213011)

0 引言

某公司引進了2套390 MW美國GE公司S109FA型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組。調試初期曾發生機組在溫態啟動時3X軸振異常增大現象。當機組升速至1 600 r/min時，#3瓦的3X軸振由0.05 mm急速上升至0.15 mm(GE公司MARK Ⅵ控制系統中跳機保護定值規定：#1～#8 X/Y方向任一軸振達0.228 6 mm，延時1 s跳機)，立即手動操作控制臺“緊急停機”按鈕，燃機跳閘，機組啟動不成功。

該情況給機組安全運行帶來了極大隱患，公司進行隱患排查分析，并采取相應措施，取得了良好效果。本文對排查過程進行了詳細闡述。

1 運行方式簡介

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組具有效率高、啟停快、調峰性能高、滑參數運行等特點，既能攜帶基本負荷也能攜帶中間負荷，一般被電網調度作為調峰機組使用。作為調峰機組，燃氣-蒸汽輪機晝行夜伏，啟動方式基本為熱態啟動，溫態或冷態啟動幾率較小[1]。

2 機組特點

為滿足燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的調峰性能，汽輪機設計理念傾向于滿足快速啟停需要，不設置抽氣口，汽缸對稱布置。為滿足快速啟停要求，防止快速啟動時由于膨脹不同步而引起的動靜間碰撞或摩擦，應較常規機組適當放大通流部分、軸封及油封檔處的軸向動靜間隙。汽輪機采用全周進汽、無調節級、運行時調閥全開，以減小上、下缸溫差，使溫度分布均勻。

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組以往以熱態啟動居多，均未發現有軸振異常變大現象。冷態啟動次數不多，也未發生此異常現象。此次啟動失敗發生在機組停運投入盤車后60 h，缸溫為337 ℃，在溫態啟動范圍(GE公司運行規范規定高、中壓缸上缸內壁溫度在204～371 ℃或機組停運時間在48～72 h之間為溫態啟動)。

3 問題分析

3.1 運行操作分析

檢查啟動失敗機組啟動前的參數：燃氣輪機輪間溫度最高點99 ℃；汽機高壓缸上壁溫度337 ℃，高壓缸下壁溫度296 ℃；中壓缸上壁溫度326 ℃，中壓缸下壁溫度248 ℃；#1軸向位移為0.1 mm；#2軸向位移為0.06 mm；#1差脹為-0.78 mm；#2差脹為-1.46 mm；大軸偏心值為0.03 mm；高中壓缸缸脹為17.6 mm；軸膨脹量為23.06 mm。啟動前高、中壓缸上下溫差較大，分別為41 ℃和48 ℃。

分析停機過程中的主、再熱蒸汽溫降情況，檢查發現主、再熱蒸汽溫度調節選用自動邏輯運行且溫度調節正常；檢查停機后是否有異常水、汽進入汽缸，凝汽器水位是否有異常升高，主/再熱/低壓汽閥、旁路閥、旁路預暖閥、軸封手動門等是否內漏以及機組盤車運行情況，經檢查上述內容均正常；檢查啟動操作中軸封投用步驟、順序、輔汽溫度與壓力，均按操作票正常完成；最后檢查啟動前余熱鍋爐、汽機管道及本體疏水開啟情況，也均正常。

《××電廠運行規程》6.1.15 條“機組禁止啟動條件”規定：汽機高、中壓缸內壁上、下金屬溫度差大于50 ℃禁止啟動。根據啟動前參數可以看出汽機上下缸溫差較大，特別是中壓缸上、下缸溫差達48 ℃，雖然滿足啟動條件，卻是這次機組啟動中#3瓦軸振動突升的主要原因。

圖1 S109FA機組系統簡圖

利用鄰機調停時間觀察缸溫下降情況，尤其是高、中壓上下缸溫變化情況。通過觀察發現機組停運投入盤車12 h后，上、下缸溫差呈現剪刀差現象并逐步變大。在機組停運54～60 h時，上、下缸溫差最大。尤其是中壓缸上、下缸溫差接近50 ℃。而后剪刀差又逐步縮小，至68 h后上、下缸溫度下降速率接近同步。

3.2 系統布置簡介

S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組為單軸布置，如圖1所示：整臺機組在同一軸系運行，共有八個軸承支撐，從左起依次為#2、#1、#3、#4、#5、#6、#7、#8軸承，分別支撐燃機與壓氣機、高中壓缸、低壓缸、發電機。

汽輪機為D10型、三壓、中間再熱、單軸、沖動式無抽汽純凝式機組。汽輪機高、中壓合缸，通流部分反向布置，高壓缸有12個壓力級，中壓缸有9個壓力級。其后有來自余熱鍋爐低壓過熱蒸汽的進汽，該蒸汽與中壓缸排汽相混合，共同流入低壓缸。低壓缸為雙流程向下排汽形式，每個流程有6個壓力級，共12級。

由于機組采用單軸布置，在燃氣輪機啟動時，汽輪機轉子隨之轉動。隨著轉速的提高，汽輪機鼓風熱量增加，汽輪機沖轉至2 250 r/min，MARK Ⅵ 控制邏輯打開低壓進汽調門，引入輔助冷卻蒸汽來冷卻低壓通流部分。冷卻蒸汽進入低壓主汽管后分兩路：一路經低壓主汽調門進入低壓缸，冷卻低壓轉子后進入凝汽器；一路經中低壓蒸汽聯通管逆流進入中壓缸，其中一部分蒸汽冷卻中壓通流部分后經中壓缸發散閥(IEV)進入凝汽器，另有一小部分蒸汽由于高中壓合缸，進入高壓汽缸，冷卻高壓通流部分后經高壓缸發散閥(HEV)進入凝汽器。

3.3 系統布置分析

為減小高、中壓缸上、下缸溫差，首先對高、中壓缸的保溫進行加厚處理以減小汽缸散熱，并采取延長汽機送軸封蒸汽、抽真空檢驗時間。發現溫差雖有所改善，但效果不明顯。

繼續檢查系統，發現停機后高、中壓缸發散閥處于開啟狀態。高、中壓缸發散閥位于高、中壓缸底部，管道連通至凝汽器且管徑較粗。停機初期，主汽調門關閉，此二閥開啟通風降溫以減少鼓風熱量對葉片的影響，產生類似于缸體疏水門的作用，能夠順帶排出停機過程中因主蒸汽壓力、溫度下降產生的疏水，對改善高、中壓缸上、下缸溫差是有益的。此二閥因通向凝汽器使高、中壓汽缸底部與大氣相通。由于下汽缸散熱面積大、散熱快，停機時間稍長便易造成高、中壓汽缸上下溫差大。

4 采取措施及驗證

綜上分析，決定采取以下措施：停機、破真空、停軸封后，強制關閉高、中壓缸發散閥來改善高、中壓缸上、下缸溫差；在停機初期，高、中壓缸發散閥在高壓調門關閉后，自動邏輯打開通風降溫；停軸封投入盤車后即手動關閉高、中壓缸發散閥，利用悶缸原理，用高、中壓汽缸缸體的蓄熱來均衡高、中壓汽缸上、下缸溫度，使得停機后的高、中壓缸上、下缸溫差得到有效控制，避免機組啟動中的振動過大。

由于高、中壓缸發散閥的啟閉邏輯均為MARK Ⅵ 操作系統控制，在MARK Ⅵ 操作界面“Steam”頁面中增添“EV Mode”模塊，可以操作兩閥。在停機、破真空、停軸封后通過操作模塊中的“Manual Close”鍵來手動強制關閉高、中壓缸發散閥。正常機組運行中該模塊中“Auto”鍵黃燈亮。

為防止運行中誤操作高、中壓缸發散閥，在MARK Ⅵ 邏輯中加以限制。只有在機組主保護信號L4動作后，“EV Mode”模塊才能激活操作。為了防止機組啟動時高、中壓缸發散閥未開，將開閥作為啟機前的必要條件。在MARK Ⅵ 操作系統“ST Start Permits”頁面中增加“HP/IP Evacuation Valves(高、中壓缸發散閥)”，狀態必須為“Valves must be open(閥門必須開啟)”。

采取以上措施后，觀察停機后的缸溫變化情況，停機56 h后，高、中壓汽缸上下缸溫差達到最大，分別為12 ℃、21 ℃。高、中壓缸上下溫差得到極大改善。在機組溫態啟動試驗中，3X軸振穩穩地控制在0.08 mm內，完全達到了隱患整改的目的，為啟動成功率提供了堅實的保障，保證了機組的安全與經濟效益。

驗證成功后對《××電廠運行規程》停機后工作進行以下修正。

8.1.37機組真空至0，關閉軸封進汽調門，停用軸封風機，關閉軸封進汽手動門。

8.1.38機組轉速至0，檢查盤車自動投用正常(否則，應立即手動投入盤車)，潤滑油溫定值降至26～32 ℃，記錄偏心值和盤車電流。

8.1.39關閉余熱鍋爐煙氣擋板，注意汽包壓力上升情況。

8.1.40關閉高、中壓缸放散閥(HEV、IEV)。

對《運行規程》啟動前準備工作進行以下修正。

6.4.60將高、中壓缸發散閥(HEV、IEV)自動投入，查閥門自動開啟、狀態指示正常。

5 結論

針對溫態啟動中發生的軸振異常增大情況采取停機、破真空、停軸封后即強制關閉高、中壓缸發散閥(HEV、IEV)以及對高、中壓缸保溫進行加厚處理等一系列改進措施，使得停機后的高、中壓缸上下缸溫差得到有效控制，避免了機組溫態啟動中軸振過大現象的發生。