背壓式50MW熱電聯產機組啟動過程優化探討

孫海龍 李豐均 吳剛 趙衛正 石家魁

摘? ?要：為了響應國家產業結構改革的要求，50MW背壓式熱電聯產機組數量逐年增加。某廠一臺50MW背壓式熱電聯產機組，在啟機過程中振動及脹差波動大，并最終導致轉子塑性彎曲、軸封磨損等嚴重問題。針對上述問題，結合熱力分析以及運行經驗，從啟機過程優化方面提出了相應的整改措施，并制定了一系列的運行控制邊界條件。本文對該等級背壓機組的啟動過程優化具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：50MW背壓機組? 啟機沖轉? 汽缸形變? 轉子彎曲? 暖機方式

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0116-03

Abstract： In response to the requirements of the national industrial structure reform， the number of 50MW back-pressure combined heat and power units has increased year by year. A 50MW back-pressure cogeneration unit in a plant has large fluctuations in vibration and expansion during the start-up process， and eventually leads to serious problems such as plastic bending of the rotor and wear of the shaft seal. In view of the above problems， combined with thermal analysis and operational experience， the corresponding rectification measures were proposed from the optimization of the start-up process， and a series of operational control boundary conditions were formulated. This paper has important reference significance for the optimization of the starting process of the back pressure unit.

Key Words： 50MW back pressure unit; Starting and turning; Cylinder deformation; Rotor bending

背壓式50MW熱電聯產機組在工業生產中應用十分廣泛，對促進節能降耗和環境改善、助力地方經濟轉型具有重要意義。當前，有不少學者對50MW級別機組的安全高效運行問題進行了研究分析。文獻[1]指出：對50MW汽輪機而言，在啟動升速、帶負荷過程中操作不當往往會引起振動異常;以某自備電廠2×50MW機組為例，通過硬件調整和規范運行人員操作相結合的策略解決此類問題。文獻[2]總結了50MW凝汽式汽輪機啟動過程中脹差增大的原因，主要從軸封供汽溫度、時間方面提出了優化策略。文獻[3]提出解決50MW機組異常振動問題可以通過提高轉子動平衡質量的方法，但動平衡試驗時需考慮機組膨脹不暢。文獻[4]利用在線監測系統解決了背壓機組的汽封碰磨故障監測難的問題并利用針對性檢修減少了此類問題的發生。文獻[5]提出一種利用排汽倒灌方式啟機的方法，縮短了背壓式汽輪機啟動時間。

綜上所述，現有研究幾乎都圍繞50MW凝汽式機組熱力分析、振動診斷方面以及通過增加監視啟機過程熱力分布等方面展開。因此，本文根據機組多次啟機經驗以及此次事故處理過程進行了啟動過程優化經驗總結，具有重要的實際應用價值。

1? 故障現象概述

1.1 機組概況

某廠#4機組為杭州汽輪機廠產;50MW級別抽背式熱電聯產機組。汽缸為分缸，雙層缸結構，其高壓進汽持環內包含平衡活塞，調節級葉片以及部分壓力級葉片。缸體較為龐大，且缸壁較厚，熱容量較大，內部流場復雜，現有測點不能正確反映真實的金屬溫度。汽缸共有4個溫度測點，均為外缸內壁溫度測點，無法真實反映機組內缸運行溫度，且測點均分布在高壓進汽持環側，無法全面反映汽輪機沖轉過程中的溫度場分布，尤其是排汽缸側無溫度測點，機組啟動缺乏有效的監控手段。

1.2 故障簡述

機組于2月18日10：28首次暖機，沖轉，初始參數見下表1。12∶29轉速升至2500轉，脹差達到6.5mm，運行人員手動打閘。停機時相關參數詳見表1。

21：40進行二次沖轉，初始參數見表2。2：34汽輪機負荷上升至31.4MW時（調門開度不變，主蒸汽壓力上升），2X，2Y振動快速爬升。2：40汽輪機2X、2Y振動值達到跳機值，機組ETS保護動作，機組跳閘。跳閘時重要參數詳見表2。

2? 故障分析過程

2瓦軸振超過跳機值從而ETS保護動作是本次跳機主要原因。因就地聽到異常碰磨聲音調取本次停機歷史數據，發現惰走時間僅為8min。本廠其他相同型號機組正常停機惰走時間一般為30min左右，惰走時間明顯偏短。懷疑產生動靜碰磨問題導致轉子惰走阻力增大，惰走時間縮短。判斷動靜碰磨可能為振動超過跳機值主要誘因。

通過調取歷史運行數據發現，惰走結束后盤車過程中軸偏心仍呈現大幅上下波動狀態。且數值遠超過沖轉前數據，最大可達滿量程200μm。通過間隙電壓測量目前偏心數據約為370μm，據此可以初步判斷轉子出現塑性形變，導致汽輪機動靜部分間隙變小而發生碰磨，#2瓦軸振超過跳機值，引發保護動作。

2月25日對汽輪機軸頭跳動值進行了手動測量，測得軸頭最大跳動值0.24mm，基本可以斷定轉子產生塑性變形，采取靜力直軸補救措施無效。經協商后決定進行開缸處理。

汽輪機轉子于3月2號順利起吊，現場檢查發現平衡鼓，前軸封等處的左側汽封齒磨損嚴重，前內軸封處有過熱現象詳見圖1。

轉子進行返廠處理，對轉子彎曲進行了復測，測得轉子最大跳動值為0.22mm，位于軸頭位置，確定轉子出現塑性形變。檢查滑銷系統并未發現卡澀問題，排除滑銷卡澀導致汽缸膨脹不暢的可能性。由于該機型滑銷系統設計較為薄弱，缸體存在微幅偏擺問題。但本廠其它同類型、等級機組歷次啟停機均有此類問題，不足以造成轉子彎曲，為次要原因。且本次沖轉暖機完全符合汽輪機廠啟動曲線要求。最后并網前的各項參數均符合汽輪機廠要求的并網參數要求，但在并網后仍然發生了振動超標的現象。

至此本次故障主要原因基本明確，由于啟機過程設計不合理，導致沖轉階段汽輪機汽缸膨脹緩慢，脹差快速上升，內側汽封與轉子的間隙變小，造成動靜碰磨。最終導致機組振動超標停機。

3? 整改措施

通過對多臺同等級、同類型機組多次啟機過程進行總結分析，綜合考慮，找到以下相對安全、穩定的啟機方式。通過優化整體啟機過程;規范操作、制定邊界條件、加強各參數監管力度，為后續啟機計劃制定了全套操作流程。

（1）控制機組啟動沖轉蒸汽參數，冷態啟動時，若鍋爐及主蒸汽母管滿足單元制條件，則按聯合汽輪機廠家新定最低啟動參數控制，熱態啟動時嚴格控制負差脹。

（2）充分暖機，控制好暖機時間，及時疏水，投入疏水子回路控制，每間隔30min對相應疏水門進行測溫，確保疏水系統保持通暢。

（3）汽機沖轉過程中，及時調整主機軸封壓力，保證軸封疏水正常。必須保持汽缸各疏水點壓力大于疏水擴容器壓力;（注意控制汽機房疏水擴容器、本體疏水擴容器水位至最低。開啟汽機本體及抽汽管道疏水前，注意控制主蒸汽疏水量，減少不必要的主蒸汽疏水，防止高壓疏水進入汽機房疏水擴容器、本體疏水擴容器，導致積水或蒸汽返回至汽機本體）。

（4）機組并網后，進行背壓切換時，控制機組排汽溫度變化≤10℃/min（多次啟機經驗值），并加強軸位移、推力瓦溫、振動監視。

（5）多次啟機數據證明：與凝汽式機組的低負荷暖缸控制脹差的方式不同，50MW背壓式機組并網后，低負荷運行脹差逐漸增大，且排汽溫度會快速上升。需通過提高負荷來控制機組脹差，但提高負荷速度不可過快，且必須確保機組上下缸溫大于400℃，且上下缸溫和左右缸溫差值小于50℃方能逐步增加負荷。

轉子檢修完畢后，依據上述方式進行合理暖缸、嚴格執行制定的邊界條件、加強重要參數監管力度等一系列啟機過程優化策略使機組順利啟機并網，全程無安全問題出現。

4? 結語

本文針對背壓式50MW熱電聯產機組啟機過程優化策略進行探討，結論如下。

（1）50MW背壓級別機組啟機過程設計不合理，可能造成軸振增大等安全隱患，嚴重時甚至出現動靜碰磨故障。

（2）啟機軸振突增、引發跳機問題在50MW級別背壓機組中十分常見，大多通過調整硬件的手段來解決;實際上，通過優化啟機過程，制定合理運行控制邊界條件等“軟調整”的手段也可達到同樣效果;

（3）“軟調整”手段具有費用低、效果顯著的優勢，利于培養運行人員規范性操作，適用面更廣。

本文對于同類型級別背壓組優化啟機過程具有重大借鑒意義。

參考文獻

[1] 盧曉斌.50MW汽輪機啟動中振動異常的原因分析及對策[J].化工管理，2015（32）：2.

[2] 劉敏.50MW汽輪機組起動過程中脹差正向增大原因分析[J].通用機械，2017（10）：50-52.

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[4] 鄧宗華.背壓式汽輪機轉子-汽封摩碰故障分析和診斷[J].化工技術與開發，2018（3）：63-65.

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