300 MW汽輪機汽封改造及啟動振動控制實踐

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(國電深能四川華鎣山發電有限公司，四川 達州 635214)

0 引 言

按照《國家煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》要求，現役燃煤發電機組2020年平均供電煤耗應低于310 g/kWh[1]。汽封性能對機組的經濟性和可靠性有著重要的影響。為降低漏汽損失, 提高機組安全性和經濟性,采用先進汽封技術對原有的傳統汽封進行改造是十分必要的[2]。采用新型汽封對汽輪機軸端汽封和通流部分汽封進行改造，可以達到降低汽輪機軸端和通流部分的漏汽量，提高汽輪機效率的目的[3]。但由于調整汽封間隙過小，機組啟動常伴隨軸振偏大甚至超限，或汽封磨損過大影響節能效果，甚至出現多次開機失敗再次揭缸調整的問題。某300 MW機組結合大修進行了節能升級汽封改造，通過合理選擇汽封間隙值，針對性地細化啟動防振專項措施，機組啟動順利、改造效果良好。

1 機組概況

某型號為N300-16.7/537/537-8的300 MW機組于2006年3月投產。機組有3個臨界轉速，分別為1370 r/min、1688 r/min、1750 r/min。該機組于2017年9月大修時配套進行節能升級改造，更換了高中壓缸隔板汽封、高中壓缸前后汽封、高中壓缸過橋汽封，所有汽封間隙全部按技術規范下限調整。

2 汽封改造

2.1 高中壓缸汽封調整方案

該機組汽封2010年進行了1次改造，高中壓缸葉頂汽封改造為可退讓式汽封；高中壓缸隔板汽封、前后軸封、高中壓間(過橋)汽封改造為鐵素體刀齒蜂窩汽封和鐵素體接觸式蜂窩汽封。2016年機組揭缸檢查發現汽封已磨損嚴重，調節余量難以滿足要求，為適應節能技術的進步、提升機組性能，本次A修決定將高中壓缸隔板汽封、前后軸封、高中壓間(過橋)汽封、高中壓缸葉頂汽封全部進行了更換。經招標，選用汽封結構形式為鐵素體汽封和鐵素體接觸式汽封。

汽封間隙調整是汽封改造的關鍵，為保證改造效果，所有間隙均取設計值、前次改造值的下限。鑒于本次大修時，解體發現所有下部汽封磨損較為嚴重，而高中壓隔板及軸封上部汽封均完好，故決定將上部汽封的間隙值在上述數值上再降低0.2 mm。

2.2 低壓缸汽封調整方案

低壓隔板汽封及軸封2010年A修時改造為鐵素體刀齒蜂窩汽封和鐵素體接觸式蜂窩汽封，葉頂正反1～4級汽封2012年B修時改造為刷式汽封，葉頂正反5、6級汽封是蜂窩汽封。本次A修解體中發現低壓缸隔板汽封及軸封下部磨損嚴重，葉頂刷式汽封的毛刷脫落較多，葉頂正反5、6級蜂窩汽封水蝕嚴重，正反第1～3級轉子軸磨損嚴重；低壓隔板及軸封上部汽封均完好，沒有磨損現象。

改造低壓隔板汽封及軸封為鐵素體汽封和鐵素體接觸式汽封，葉頂正反1～4級汽封為可退讓式汽封，葉頂正反5、6級汽封還是采用蜂窩汽封。所有間隙均按廠家設計值下限調整。

2.3 汽封間隙調整后的驗收

本次A修時，采用全實缸壓間隙進行調整、驗收汽封間隙，總共進行4次。每次施工方、監理方、業主方均到場驗收，保證了施工質量。

3 汽封改造后啟動

3.1 啟動前的準備

由于本次A修汽封間隙調整得較小，為使啟動過程碰磨可控在控，啟動委員會組織檢修、運行人員進行技術交底、方案措施討論、編制專項控制方案，并邀請科學院專家到場監測、指導。

3.2 控制措施

3.2.1 控制原則

汽封間隙調整到較小值，啟動時會發生動靜部分磨擦。為確保技改效果，防止摩擦過度引起設備損傷，控制遵循以下原則：1)盡量消除非汽封間隙小引起磨擦，確保汽缸、轉子等均勻膨脹，充分膨脹，機組的各部分熱應力、熱變形、轉子與汽缸的脹差以及轉動部分的振動在允許范圍內；2)如暖機過程任意軸振超過160 μm且熱膨脹緩慢未達到歷史經驗值，則適時打閘，打閘后使轉子盡快靜止，悶缸加熱缸體，減少脹差；3)再次啟動時，必須保證大軸彎曲值、盤車電流等回到原始值。

3.2.2 選擇合理的沖轉參數

制造廠規定汽輪機冷態高中壓缸聯合啟動沖轉主蒸汽壓力為3.45 MPa，主蒸汽溫度為320 ℃，再熱蒸汽溫為237 ℃，再熱蒸汽壓為0.686 MPa，根據啟動經驗，在該沖轉參數時調速汽門開度過小不利于汽輪機加熱，對于無啟動鍋爐的首臺機組啟動軸封，供汽溫度過高，軸頸加熱過于劇烈，大軸膨脹快于汽缸，在汽封間隙小的情況下易產生碰磨造成振動。因此沖轉參數優化如下：

1)蒸汽溫度與金屬溫度相匹配，要求放熱系數α要小一些；

2)蒸汽的過熱度不小于50 ℃；

3)再熱蒸汽參數的選擇為過熱度不小于50 ℃，如高中壓為合缸布置，再熱蒸汽與主蒸汽溫度相差不大于30 ℃。

本次機組A修后各部金屬溫度均為常溫，沖轉參數選擇為低壓微過熱蒸汽，主蒸汽壓力1.0 MPa，主蒸汽溫度260 ℃～270 ℃，再熱蒸汽壓力0.2 MPa，再熱蒸汽溫度240 ℃～250 ℃；汽輪機轉速1200 r/min后逐漸提升主蒸汽壓力到1.5 MPa，主蒸汽溫度300 ℃，汽輪機轉速2000 r/min后逐漸提升主蒸汽壓力到2.0 MPa，主蒸汽溫度320 ℃。并列后按照升溫升壓曲線提升溫度壓力，每提升30 ℃汽溫穩定10 min。采用低壓微過熱蒸汽沖轉，單閥模式汽輪機調速汽門開度達到10%，汽輪機缸內蒸汽充盈度較好，加熱較為均勻。在保證汽缸蒸汽充盈度的情況下分段提升主蒸汽參數，既保證過臨界轉速需要的蒸汽參數，又控制了汽輪機的加熱速度和均勻度。

3.2.3 及時投入汽缸夾層加熱

夾層加熱系統的投入減少機組啟動時間，降低上下缸溫差，改善機組啟動條件，有效避免因加熱膨脹不均可能發生的碰磨引起振動。鍋爐點火起壓后，爐側壓力為0.2～0.5 MPa，凝汽器建立真空后稍開聯箱進汽門，維持聯箱壓力0.1～0.3 MPa，對汽輪機汽缸夾層加熱供汽及聯箱暖管疏水；汽輪機沖轉到500 r/min投入汽缸夾層加熱，控制汽缸溫升率小于1.5 ℃/min，使汽缸內外加熱均勻；高壓外缸下半外壁金屬溫度達到320 ℃時停用夾層加熱系統。

3.2.4 保持合理的凝汽器真空度

冷態開機時，機組真空過高則沖轉時主蒸汽流量小，不利于暖機和汽缸膨脹；過低則在汽缸進汽時容易發生真空突降甚至低壓缸頂部安全閥爆破。正常情況冷態開機時凝汽器背壓維持在14 kPa以上。該300 MW機組3號、4號軸承座均設于低壓缸基礎上，排汽溫度過高和過低都會造成汽缸向上或向下膨脹，帶動轉子中心上移，會誘發機組軸系振動。保持凝汽器背壓在20～30 kPa，增加汽輪機進汽量，汽缸蒸汽充盈度較好，汽缸加熱均勻。按照冷態啟動先抽真空后送軸封供汽要求，啟動1臺水環真空泵建立凝汽器真空，通過凝汽器真空破壞門控制凝汽器背壓在20～30 kPa，排汽溫度控制在55～60 ℃。

3.2.5 及時切換軸封汽源

該廠兩臺300 MW機組均未設置啟動鍋爐，機組軸封供汽汽源由主蒸汽至軸封供汽、頂棚過熱器由吹灰蒸汽管道經輔助蒸汽母管至軸封供汽、冷再熱器至軸封供汽三路汽源組成。軸封供汽由主蒸汽供給時，因軸封供汽減溫減壓器設于低壓軸封供汽管道，高中壓軸封處溫度等于主蒸汽溫度，高中壓軸頸加熱較快，在汽封間隙較小的情況下，易出現碰磨產生振動。軸封供汽為鍋爐頂棚過熱器由吹灰蒸汽管道經輔助蒸汽母管供汽時，該管道隨鍋爐點火升壓進行暖管疏水，主蒸汽壓力0.5 MPa、溫度150 ℃～160 ℃，投入高溫汽源向軸封供汽。輔汽聯箱壓力大于0.1 MPa時，投入低溫汽源聯合向軸封供汽，防止高中壓缸軸封溫度過高造成汽封膨脹過快。再熱蒸汽壓力大于1.0 MPa時，投入冷卻再熱器至軸封供汽，軸封高溫汽源熱備用。有效地防止升溫升壓對高中壓轉子軸封處軸頸的過度加熱，避免碰磨產生振動。

3.2.6 升速率及暖機點的選擇與控制

汽輪機整個啟動過程就是一個緩慢均勻的加熱過程，各部溫差及膨脹不正常的情況下就容易發生碰磨產生振動，升速率及暖機點的選擇和控制就至關重要。本次汽封更換間隙調整后，除臨界轉速區以外，升速率及機組帶負荷速度均應比正常啟動緩慢，以便汽輪機加熱和汽封磨合，通過脹差、汽缸膨脹、各部溫度綜合判斷暖機效果及汽封磨合狀況，再決定升速或加負荷，切忌單純憑時間或某一參數決定。

1)汽輪機啟動前48 h投入連續盤車進行直軸。選擇升速率100 r/min2，沖轉到500 r/min暖機5 min進行摩擦檢查。

2)摩擦檢查結束選擇升速率100 r/min2，每升速100 r停留直軸磨合10 min，待脹差、振動、汽缸溫度等各參數無異常，繼續升速至1200 r/min，中速暖機60 min。

3)中速暖機結束，檢查脹差、振動、汽缸溫度等各參數無異常，高壓內缸內壁溫度大于200 ℃，汽缸熱膨脹大于5 mm。選擇升速率100 r/min2，機組過臨界升速率自動變化為400 r/min2，升速至2000 r/min，高速暖機60 min。

4)高速暖機結束，高壓內缸上半內壁調節級后金屬溫度大于250 ℃，高、中壓缸熱膨脹大于7 mm，高、中壓脹差小于3.5 mm并趨于穩定，TSI其余各參數在允許范圍內。升速率100 r/min2，升速至3000 r/min。

5)空負荷暖機60 min后，發電機并列。

6)并網后選擇1 MW/min升速率提升負荷至10 MW，暖機2 h。

7)根據高、中壓缸脹差、振動、熱膨脹及各部金屬溫度情況每暖機1～2 h提升負荷10 MW。

3.2.7 控制溫差

保證各管道疏水及汽缸疏水全開，嚴格控制上、下缸溫差及汽缸各部溫差在運行范圍內。

3.2.8 汽輪機軸振大打閘“悶缸”的監視及判斷

汽輪機因汽封間隙小發生碰磨產生振動，打閘后振動還有一個上升過程，為保證汽封更換改造效果，降低汽輪機熱耗，啟動中汽輪機軸振峰值控制在160 μm，大軸振動超過160 μm即打閘停機。從A修后的首次啟動至機組帶300 MW負荷階段共打閘6次。打閘原因均是軸承振動大，打閘后破壞真空使轉子盡快靜止。打閘后悶缸時間4 h，監視盤車電流、汽缸各部溫度正常，待大軸彎曲值回到原始值后方進行再次啟動。

3.3 啟動過程

A修完畢，系統分部試轉正常，投入汽輪機連續盤車進行直軸，觀察盤車電流，記錄大軸彎曲原始值。機組從初次啟動到完全正常并網共打閘6次。前3次啟動為保證汽封間隙調整效果，打閘振動值控制較小，后3次因機組已并列運行打閘值有所放大，但均在允許范圍內，打閘后破壞凝汽器真空，使轉子盡快靜止。經不斷摸索優化，機組最終加至滿負荷，且各軸承振動值均在70 μm以下，具體參數見表1。

表1 啟動次數及振動打閘值

4 改造前后節能效果分析

國電科學技術研究院有限公司成都分公司根據ASME PTC-2004《汽輪機熱力性能驗收試驗規程》對31號機組進行改造前后的性能驗收試驗，在額定工況下汽機熱耗率降低了約130 kJ/kWh，供電煤耗降低了約5.0 g/kWh，同時機組的高、中、低壓缸效率均有一定程度的提高，取得了非常明顯的節能效果，詳見表2。

表2 改造前后汽輪機缸效率

5 結 語

通過采用新型汽封以及安裝過程中對汽封間隙的嚴格控制，降低了汽缸內漏汽損失, 有效地提高了機組安全性和經濟性，節能效果顯著。同時通過對沖轉參數的調整、汽輪機背壓控制、升速率控制、軸封供汽溫度調整、有計劃悶缸暖機等措施，保證了汽封改造及間隙優化后啟動順暢，達到預期目的。通過本次啟動，得出以下實踐經驗：

1)充分暖機，保證各部加熱均勻。用常規啟動方式適當延長暖機時間達不到暖機效果，背壓宜在20 kPa以上，以增大進汽量。啟動時，發生了提升轉速及負荷稍快、凝汽器真空控制過高暖機流量不足等原因引起的打閘。

2)合理控制軸封供汽溫度。投入低溫汽源時間越早越好，避免軸頸及汽封過度加熱膨脹發生碰磨。

3)提升轉速及負荷需緩慢，使各部汽封充分磨合。