林 森，李凡林，王 帥，張 美

(淮南礦業(yè)集團發(fā)電有限責任公司，安徽 淮南 232033)

0 前言

近年來，受特高壓工程相繼投產(chǎn)、用電峰谷差逐步加大及新能源裝機規(guī)模不斷增長等多種因素影響，安徽電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻問題的復雜性增加，其對省內(nèi)發(fā)電機組一次調(diào)頻的要求日益提高。為滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻動作的相關(guān)規(guī)定，火電廠汽輪發(fā)電機組DEH系統(tǒng)頻繁控制調(diào)節(jié)汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥開度以實現(xiàn)機組負荷快速微調(diào)。由此導致汽輪機的高壓調(diào)節(jié)進汽系統(tǒng)的調(diào)整頻率及調(diào)整幅度均有較大程度增加，對裝置結(jié)構(gòu)的可靠性要求大大提高[1]。某電廠二號機組在運行過程中由于一次調(diào)頻動作，汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂，導致機組負荷大幅度波動。本文主要記述了在機組運行過程中對該事件產(chǎn)生原因的分析判斷過程及機組停運后對調(diào)節(jié)閥閥桿連接方式改造的情況。

1 汽輪機及其高壓調(diào)節(jié)進汽系統(tǒng)簡介

某電廠采用亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機，機組型號N330-16.7/538/538。機組高中壓部分采用合缸結(jié)構(gòu)，其中高壓部分為雙層缸，低壓缸為對稱分流式雙層缸結(jié)構(gòu)。高壓和中壓閥門與汽缸之間通過管道聯(lián)接，高壓閥懸掛在汽機前運行層下部，中壓閥置于高中壓缸兩側(cè)。高壓通流部分設(shè)計為反向流動,高壓和中壓進汽口均布置在高中壓缸中部。新蒸汽通過主蒸汽管進入高壓主汽調(diào)節(jié)閥,再經(jīng)4根高壓主汽管和裝在高中壓外缸中部的4個高壓進汽管分別從上下方向進入高壓內(nèi)缸中的噴嘴室,然后進入高壓通流部分。蒸汽經(jīng)1個單列調(diào)節(jié)級和8個壓力級作功后,由高中壓缸前端下部的2個高壓排汽口排出,經(jīng)2根冷段再熱汽管去鍋爐再熱器,管上設(shè)有排汽止回閥。汽輪機高、中、低壓轉(zhuǎn)子均為無中心孔整體鍛造式轉(zhuǎn)子，高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子分別采用剛性連接。

高壓調(diào)節(jié)進汽系統(tǒng)是汽輪機液壓伺服系統(tǒng)的組成部分。液壓伺服系統(tǒng)是高壓抗燃油數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)的執(zhí)行機構(gòu)，它接受DEH發(fā)出的指令，完成驅(qū)動閥門等任務(wù)。高壓調(diào)節(jié)進汽系統(tǒng)可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的順序閥控制和單閥控制，機組在運行中可以進行兩種方式的無擾切換。兩種控制方式對應(yīng)兩種不同的進汽方式，其中順序閥方式可以實現(xiàn)機組的噴嘴調(diào)節(jié)運行;單閥方式可以實現(xiàn)機組的節(jié)流調(diào)節(jié)運行。為減小機組啟動過程中的熱沖擊，以單閥方式啟動即采用節(jié)流配汽(全周進汽方式)，避免汽缸及轉(zhuǎn)子應(yīng)力過大，保證機組順利啟動，在達到目標負荷且溫度場趨于穩(wěn)定后切換到順序閥方式即噴嘴配汽，保證較好的經(jīng)濟性[2]。高壓調(diào)節(jié)閥共有4個，對應(yīng)于4組噴嘴，噴嘴組的序號與調(diào)節(jié)閥序號對應(yīng)關(guān)系見圖1。機組采用順序閥方式運行時，當Ⅰ、Ⅱ號調(diào)節(jié)閥閥桿開啟到39.2mm時，Ⅲ號調(diào)節(jié)閥開啟；當Ⅲ號調(diào)節(jié)閥閥桿行程達到39.2mm時，Ⅳ號調(diào)節(jié)閥開始開啟。機組采用單閥方式運行時，4個調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制系統(tǒng)的指令按相同的閥位開啟，對應(yīng)于4組噴嘴同時進汽。

圖1 高壓調(diào)節(jié)門配置示意圖

2 事件經(jīng)過

2019年02月20日凌晨4時57分25秒，二號機組負荷192MW，1、2號高調(diào)門開度49.5%，3號高調(diào)門開度12%，4號高調(diào)門開度0%。隨即機組一次調(diào)頻動作，動作值13MW。57分34秒，1、2號高調(diào)門開度隨之分別降至48.5%、48%，3號高調(diào)門開度降至1.6%，4號高調(diào)門開度維持0%，機組負荷降至180MW并保持下降趨勢。此后，為跟蹤AGC負荷指令，1至4號高調(diào)門均增加開度。至58分05秒，上述調(diào)門開度分別為100%、100%、52%、13%，機組負荷188MW。在此過程中，負荷最低值150MW，出現(xiàn)于57分45秒，1至4號高調(diào)門開度分別為89.5%、89.5%、18%、0%。此次事件從負荷下降至負荷恢復整個過程約40秒，在此過程中主汽壓力先升后降，由11.37MPa升至12.08MPa后降至11.4MPa,等效閥位開度顯示值由降負荷前的68%開至91%。#1、#2、#3調(diào)門一直處于增加開度狀態(tài)。

在此之后3、4號調(diào)門在負荷變動過程中始終處于頻繁調(diào)整狀態(tài)，與事件發(fā)生前反差較大。特別是在相同負荷時，3、4號調(diào)門開度明顯增加且3號調(diào)門長時間處于全開狀態(tài)。詳見圖2。

圖2 調(diào)門開度對比曲線圖

圖3 操縱座結(jié)構(gòu)圖

3 原因分析及應(yīng)急措施

結(jié)合事件發(fā)生時的相關(guān)參數(shù)變化情況，初步判斷在一次調(diào)頻動作過程中，1號或2號高調(diào)閥閥桿某處連接位置發(fā)生脫落或斷裂，調(diào)節(jié)閥閥芯下落，閥門處于連續(xù)關(guān)閉行程。與此同時，由于閥門持續(xù)關(guān)閉導致實際機組負荷與AGC指令偏差增大，3、4號調(diào)門開度不斷增加，最終使AGC指令與實際負荷相匹配。但是由最低負荷降至150MW且機組振動無較大變化，推斷故障調(diào)節(jié)閥閥芯應(yīng)當處于卡澀狀態(tài)即閥芯沒有完全回座[3]。

針對上述故障，為防止機組在停運檢修前發(fā)生擴大性事故，電廠明確并制定了以下幾項措施：

(1)高壓調(diào)節(jié)閥維持順序閥進汽方式，不進行單閥切換，避免切換過程中或者切換后因進汽方式改變引起機組參數(shù)變化。

(2)1號、2號、3號高調(diào)閥始終保持100%開度，4號高調(diào)門參與負荷調(diào)節(jié)。

(3)機組負荷變化率在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)向下設(shè)置，主蒸汽汽壓偏置設(shè)為負值，降低主汽壓力，避免調(diào)門大幅度波動。

(4)生產(chǎn)部門對#2機組調(diào)門變化情況及主機振動、軸承溫度等參數(shù)嚴密監(jiān)視，并制定機組異常狀態(tài)下的緊急降負荷停機應(yīng)急預(yù)案。

電廠將上述情況向主機廠進行了反饋，主機廠分析認為高調(diào)閥閥桿發(fā)生脫落或斷裂的最可能的位置位于高壓調(diào)節(jié)閥操縱座內(nèi)。操縱座詳圖見圖3。閥桿發(fā)生故障的原因分析如下：操縱座內(nèi)十字套與閥桿為螺紋連接，由于調(diào)節(jié)頻繁且端部存在一定的間隙，長時間運行導致螺紋失效，十字套與閥桿的連接僅依靠定位圓柱銷。而定位圓柱銷的主要作用為對調(diào)節(jié)閥閥桿進行止動，防止其受蒸汽沖擊導致的圓周方向轉(zhuǎn)動，不能長時間承受調(diào)節(jié)閥頻繁調(diào)整帶來的巨大沖擊力。此外，由于螺紋失效，定位銷受到的徑向剪切力增大，工作環(huán)境進一步劣化。由上述分析，判斷此處的缺陷發(fā)展過程為螺紋失效-圓柱銷斷裂-調(diào)節(jié)閥桿銷孔處斷裂。

3月25日在該機組停運后，電廠分別對1號、2號高壓調(diào)節(jié)閥進行了開關(guān)活動性試驗，發(fā)現(xiàn)2號調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，重新開啟閥門，閥桿可見部分未見提升，由此確認該閥門為故障閥門。

4 閥門檢修情況及改造方案

為修復受損高壓調(diào)節(jié)閥及防止其他調(diào)節(jié)閥發(fā)生類似故障，電廠對四個調(diào)節(jié)閥進行了全面檢查。首先在對2號高壓調(diào)節(jié)閥十字套、調(diào)節(jié)閥的檢查過程中，發(fā)現(xiàn)閥桿在圓柱銷孔處斷裂、圓柱銷斷裂、螺紋受損失效。此外，其余三只調(diào)節(jié)閥的圓柱銷均不同程度磨損變細，需進行更換。

主機廠家在收到電廠的解體檢查情況反饋后，提出對高調(diào)閥進行改造以確保機組運行安全。具體方案為：將原高調(diào)門閥桿的上端直段光桿設(shè)計成一定角度的錐體，與錐體襯套(見圖4)配合成一體，用圓螺母牢固鎖緊后再增加一個帶槽的鎖緊螺母將圓螺母鎖死，用以防止圓螺母松脫。上述閥桿裝配完成后將錐形襯套連同閥桿一同裝入十字套內(nèi)，用10個M20的內(nèi)六角圓柱螺釘固定。此結(jié)構(gòu)與原設(shè)計相比，閥桿與十字套無直接連接，不存在螺紋拉傷的情況，拆卸時只需將連接螺釘拆除即可，檢修拆裝方便。此結(jié)構(gòu)取消了防轉(zhuǎn)圓柱銷，利用內(nèi)外錐面緊密配合的自鎖原理，有效抑制閥桿因汽流擾動所產(chǎn)生的顫動，增強了調(diào)門的穩(wěn)定性。

圖4 改進結(jié)構(gòu)詳圖

主機廠已將上述方案廣泛應(yīng)用于新生產(chǎn)機組，使用單位均反映良好，高壓調(diào)節(jié)閥運行安全可靠，無異常狀況。之后電廠按照上述方案對高壓調(diào)節(jié)閥接頭結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改造，目前二號機組的改造已經(jīng)完成，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。下一步將繼續(xù)對一號機組進行改造。

5 結(jié)語

火電廠汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥的調(diào)整動作頻繁，進汽溫度及壓力的額定參數(shù)較高且變化范圍較大，一旦發(fā)生故障對機組的安全穩(wěn)定運行將會產(chǎn)生極大影響。采取正確的應(yīng)急防范措施并對設(shè)備進行優(yōu)化改造，以防止事故擴大、實現(xiàn)機組運行的本質(zhì)安全，是滿足電網(wǎng)調(diào)度規(guī)定及機組正常生產(chǎn)的必然要求。希望本文中的故障分析、應(yīng)急處理及設(shè)備改造等內(nèi)容能夠為行業(yè)內(nèi)的其他電廠提供有益的參考與借鑒。