600 MW超(超)臨界機組給水泵汽輪機調速性能異常問題分析與處理

趙超，孟禮，朱建，張文英

(江蘇闞山發電有限公司，江蘇 徐州 221134)

給水泵汽輪機為燃煤發電機組的重要輔機，近年來，機組頻繁參與電網深度調峰任務，負荷波動頻繁，要求給水流量跟蹤響應快，這就需要給水泵汽輪機需要具備良好的動態調節特性來滿足電網調節的任務。

闞山發電公司給水泵汽輪機為單缸、單流、單軸、反動式純凝汽汽輪機，型號為NK63/71/0。給水泵汽輪機調節性能異常可能會引發超速事故，超速會對人身安全和設備造成極大危害[1]。為嚴格執行國家能源局發布的國能安全[2014]161號《防止電力生產事故的二十五項重點要求》，保證電力系統安全、穩定和高效經濟運行，給水泵汽輪機調節系統異常問題一旦出現需及時解決。

1 異常狀況

給水泵汽輪機的汽源為主汽輪機第四段抽汽，備用汽源為高壓缸排汽，啟動調試汽源為輔助蒸汽。正常工作時，第四段抽汽先經過速關閥(SSV)到達進汽室，進汽室內裝有5個提板式調節汽閥，給水泵汽輪機調節汽閥結構圖如圖1所示。根據負荷和轉速指令，油動機通過杠桿機構操縱提板，調節5個調節汽閥開度，調整進入給水泵汽輪機的蒸汽流量來控制給水泵汽輪機的轉速[2]。

圖1 給水泵汽輪機調節汽閥結構圖

當油動機伺服閥接收關小調節汽閥的指令后，目的是減少進汽量來降低給水泵汽輪機的轉速，然而，實際轉速卻從3 702 r/min急劇升至3 791 r/min；當油動機伺服閥接收開大調節汽閥的指令后，目的是增加進汽量來提高給水泵汽輪機的轉速，然而，實際轉速卻從3 791 r/min急劇下降至3 698 r/min。調節性能出現了與原調速系統設計功能相悖的情況，具體異常說明如下：

2021年2月8日05:25:14，當時負荷為273 MW，2A給水泵出口壓力為16.06 MPa，2B給水泵出口壓力為16.08 MPa，2A給水泵汽輪機設定轉速為3 689 r/min，調節汽閥開至30.04%，實際轉速為3 702 r/min，比設定值高出13 r/min，調節汽閥關到22.22%時，轉速出現異常升至3 791 r/min，給水流量從460 t/h增加至588 t/h。

2021年2月8日05:27:12，設定轉速不變，調節汽閥指令從22.22%增加至25%，調節汽閥開至26.38%，實際轉速從3 791 r/min急劇下降至3 698 r/min，給水流量從460 t/h下降至300 t/h，觸發給水泵最小流量閥門全開，造成給水流量低。接著開度指令增加，調節汽閥開度增大，小機升速至3 820 r/min左右，給水量維持穩定。

追溯2021年2月20日上午10:00，除出現上述現象外，出現2A、2B開度值由3%左右偏差達到10%左右的情況。經查閱，2021年2月8日調節汽閥出現的狀態和2021年2月20日出現的2A、2B開度值偏差的情況，在2021年1月15日機組啟動過程中，給水泵汽輪機掛閘(速關閥全開，調節汽閥未開啟狀態)，給水泵汽輪機轉速從盤車300 r/min突然升至1 400 r/min。就地檢查發現油動機的連接桿產生彎曲。圖2為啟動過程中出現過調節汽閥閥門未關閉到位，導致油動機連接桿產生壓桿彎曲現象。

圖2 油動機連接桿產生壓桿彎曲現象

2 原因分析

2.1 調節汽閥開度與轉速調節性能異常的原因

對于調節汽閥總開度下降，轉速卻異常上升，給水流量上升的現象，初步判斷2A調節汽閥內部5個調門中2號調節汽閥沒有關閉到位，閥座凸出，閥芯被閥座頂開，引起進汽量突然增加轉速突然上升；對于調節汽閥再次開大，轉速卻下降100 r/min的現象，初步判斷是在橫梁上提的過程中，調節汽閥閥芯與閥座復位，造成進汽通流面積減小，造成進汽量減少轉速降低。

對比圖3和圖5，門芯導向桿與導向套處可能存在卡澀，造成閥梁下關時(調節汽閥關小)，閥芯接觸閥座，受到閥座施加向上的支反力使得閥芯向上抬升，進汽口與閥芯遮蓋度減小，進汽流量增加。圖4箭頭所示，當閥梁向上提至某一開度時，閥芯導向桿回正，將閥門關閉，造成進汽流量減小，轉速異常下降。

2.2 2A、2B調節汽閥開度同轉速下偏差較大原因

自2021年2月20日以來，未出現調節汽閥開大后轉速突降的現象，是因為2A調節汽閥中的2號閥芯導向桿處在圖3(2)中，閥芯導向桿處于偏斜狀態未回正落下(此位置接近于2號閥全開狀態)，2號調節汽閥的進汽量未明顯減少，調速系統發出關小2A調節汽閥指令，才能維持速度的正常調節，這就擴大了2A、2B在同轉速下調節汽閥開度偏差值從原始的3%增加到10%左右。當速度進一步升高時，達到第3號閥門開始參與調速的開度，第2號閥已經不參與轉速調節，第2號閥芯導向桿在運行期間是否回正，對轉速的影響都不大。因此，出現2A、2B調節汽閥開度偏差大的新問題，是因為圖3中第2個閥芯導桿懸掛的影響。

圖3 給水泵汽輪機調節汽閥閥芯異常狀況動態分析圖

圖4 給水泵汽輪機調節汽閥閥座凸出，閥芯偏斜造成關閉時進汽增加

綜上所述，給水泵汽輪機調節汽閥根據轉速指令，1號到5號順序依次打開。圖5所示為給水泵汽輪機調節汽閥1號閥門全開及2號未開時的正常狀態示意圖。由于調節汽閥閥座與進汽室母材材質不一致，閥座材質為ZG20CrMoV，進汽室母材材質為15MoG，進汽室與閥座的金屬熱膨脹系數不同，在給水泵汽輪機運行的熱態情況下，金屬溫度受進汽溫度影響，插裝在進汽室的閥座與母材產生熱膨脹偏移，閥座熱膨脹凸起因此調節汽閥進汽異常，是造成本次調速系統異常的原因。

圖5 給水泵汽輪機調節汽閥1號閥門全開及2號未開時的正常狀態示意圖

3 缺陷處理

利用機組檢修期間對2A給水泵汽輪機調節汽閥解體檢查時發現2號閥座凸起，凸起高度達12.6 mm。2號閥座凸起現場狀況如圖6所示。解體情況與上述原因分析一致，驗證了閥座凸起造成了給水泵汽輪機調速失常的原因。現場使用干冰將其冷卻收縮，然后用千斤頂將其頂回原位，所有閥座采用點固焊來約束熱膨脹凸起。

圖6 2號閥座凸起現場狀況

缺陷處理完成后，2A給水泵汽輪機轉速調節性能恢復正常。2A給水泵汽輪機掛閘時(速關閥全開，調節汽閥未開啟狀態)，給水泵汽輪機盤車轉速穩定在300 r/min，未出現異常升速現象。2A給水泵汽輪機沖轉時，2A調節汽閥指令從22.0%增加至25%，實際轉速從3 791 r/min上升至3 815 r/min，升速性能正常。經過比對分析，在相同的轉速3 791 r/min，修前對應調節汽閥開度為26.38%，修后開度恢復到22%，根據調節汽閥流量特性曲線，對應給水泵汽輪機的進汽量從3.335 kg/s降低到2.102 kg/s，在上述273 MW負荷條件下，查閱給水泵汽輪機的進汽焓值約為3 228 kJ/kg，2A給水泵汽輪機單位時間內可節約3 980.12 kW的熱耗量。

4 結語

調節汽閥是給水泵汽輪機調速系統的重要組成設備，由于調節汽閥的閥座與進汽室金屬的材質和熱膨脹系數不相同，調節汽閥的閥座在熱態情況下會產生膨脹凸起，致使給水泵汽輪機進汽量與調節汽閥對應開度不匹配，從而引起給水泵汽輪機調節性能異常。

結合解體檢查調節汽閥，證實了調節汽閥閥座凸起是造成調節系統異常的原因，并通過采取干冰冷裝閥座，點固焊約束閥座運行期間產生熱位移等工藝措施，消除了調節汽閥異常引起調速性能異常的故障。針對本次解體檢查情況，對于同類機型的調節汽閥應列入定期檢查工作項目，及時檢查發現調節汽閥異常的隱患，采取防熱膨脹的措施以保證給水調節性能穩定可靠。