宗緒東，吳魯東

（1.華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014；2.華電萊州發(fā)電有限公司，山東 煙臺(tái) 261400）

0 引言

上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界一次再熱、二次再熱1 000 MW機(jī)組，具有技術(shù)先進(jìn)、效率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活、快速啟動(dòng)等特點(diǎn)，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性及實(shí)測(cè)熱效率達(dá)到世界先進(jìn)水平。為了提高機(jī)組運(yùn)行效率，減少機(jī)組內(nèi)蒸汽泄漏造成的效率損失，汽輪機(jī)組動(dòng)靜部件密封處的間隙往往都調(diào)整得很小，增加了運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)靜部件發(fā)生碰磨的可能性［1］。采用上汽西門子技術(shù)的外高橋第三發(fā)電廠、國(guó)電北侖第一發(fā)電廠、華能玉環(huán)發(fā)電廠、天津國(guó)投北疆電廠等超超臨界一次再熱1 000 MW 機(jī)組，國(guó)電泰州、華能萊蕪發(fā)電廠等超超臨界二次再熱1 000 MW 機(jī)組均發(fā)生過(guò)機(jī)組非正常停運(yùn)時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子抱住、卡死不能盤車的事件，威脅機(jī)組運(yùn)行安全［2-5］。當(dāng)機(jī)組悶缸處理一段時(shí)間后，抱軸現(xiàn)象消失，可以正常啟動(dòng)運(yùn)行。經(jīng)分析上述機(jī)組抱軸事件的一個(gè)共同點(diǎn)，機(jī)組非停后在切換輔汽備用汽源時(shí)，軸封供汽溫度均有較大幅度的下降并超過(guò)規(guī)程允許限值。如何控制好軸封供汽溫度，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行有重要意義。2020 年7 月21 日，某超超臨界二次再熱機(jī)組在非停后恢復(fù)啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)生了汽輪機(jī)抱軸故障，但整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中軸封供汽溫度始終在規(guī)程運(yùn)行范圍內(nèi)。

1 1 000 MW 二次再熱超超臨界汽輪機(jī)組軸封系統(tǒng)

軸封供汽是指作為密封軸封汽的蒸汽，在電廠原先的熱力系統(tǒng)中，常見(jiàn)的軸封供汽的汽源是來(lái)自除氧器飽和蒸汽，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的不斷提高，高參數(shù)、大容量的新機(jī)組常采用自密封的軸封系統(tǒng)，所謂自密封的軸封系統(tǒng)，即指軸封密封汽是利用汽機(jī)本體的高壓端的軸封漏汽密封低壓端的軸封漏汽［6］。

3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)設(shè)計(jì)制造的型號(hào)為N1000-31/600/620/620的1 000 MW超超臨界、二次再熱、五缸四排汽、反動(dòng)式、單背壓凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。主機(jī)軸封備用汽源由輔汽聯(lián)箱供汽，輔汽聯(lián)箱正常汽源由3號(hào)、4號(hào)機(jī)六段抽汽（額定壓力：0.777 MPa，溫度：401.5 ℃）供給，緊急情況下通過(guò)聯(lián)絡(luò)門由一期1號(hào)、2號(hào)機(jī)（東方汽輪機(jī)廠1 000 MW一次再熱超超臨界汽輪機(jī)組）輔汽聯(lián)箱供汽。一期輔汽聯(lián)箱正常由1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)四段抽汽（額定壓力：1.159 MPa，溫度：392.8 ℃）供給，當(dāng)1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)負(fù)荷降低，四抽壓力不足時(shí)，輔汽聯(lián)箱可由再熱冷段（額定壓力4.823 MPa，溫度345.9 ℃）經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后補(bǔ)充供汽。正常運(yùn)行中3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)軸封系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自密封，輔汽供軸封調(diào)節(jié)門關(guān)閉；超高壓缸軸封一檔漏汽接至高壓缸排汽管道；超高壓缸軸封二檔、高壓缸軸封一檔漏汽接至中低壓連通管；超高壓缸軸封三檔漏汽、高壓缸軸封二檔漏汽、中壓缸軸封一檔漏汽匯集至母管，一部分經(jīng)減溫后向低壓軸封供汽，當(dāng)母管壓力超限后，軸封母管漏汽經(jīng)溢流調(diào)節(jié)閥進(jìn)入10 號(hào)低加或凝汽器汽側(cè)；各軸封最外檔漏汽匯集至母管后進(jìn)入軸封加熱器，空氣由軸加風(fēng)機(jī)抽出排空；機(jī)組啟動(dòng)、停止時(shí)，首先采用二期鄰機(jī)輔汽向本機(jī)各軸封供汽，當(dāng)鄰機(jī)停運(yùn)后，采用一期輔汽汽源。軸封供汽系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 1 000 MW二次再熱汽輪機(jī)組軸封系統(tǒng)

2 抱軸故障分析

2.1 抱軸故障過(guò)程

2020 年7 月21 日，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)機(jī)組運(yùn)行，3 號(hào)機(jī)組進(jìn)行容量核定試驗(yàn)。17：05，負(fù)荷1 000 MW，發(fā)電機(jī)過(guò)激磁保護(hù)動(dòng)作跳閘。切換一期輔汽供軸封，維持凝汽器真空-90 kPa 左右運(yùn)行。18：36 投入盤車，大軸偏心為26 μm；19：14，值長(zhǎng)下令點(diǎn)火啟動(dòng)；22：30，凝汽器真空-84.8 kPa；22：31，啟動(dòng)A 真空泵；22：50，真空升至-94.0 kPa。

7 月22 日00：05，大軸偏心升至35 μm，2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)軸承振動(dòng)逐漸增大并波動(dòng)；00：20，盤車轉(zhuǎn)速由54 r/min 逐漸降低；01：39 盤車轉(zhuǎn)速降至0，手動(dòng)試盤車不動(dòng)，隨后采取關(guān)閉汽缸等各部疏水門進(jìn)行悶缸處理。

2.2 抱軸故障原因

2.2.1 高壓缸上下缸溫差大

7 月21 日22：30 至7 月22 日00：20 盤車轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降期間，超高壓內(nèi)缸上下溫差基本維持在0.4 ℃左右，高壓內(nèi)缸上下溫差由3.7 ℃逐漸增至9.5 ℃（未超設(shè)計(jì)30 ℃報(bào)警值），因此排除了高壓內(nèi)缸上下溫度變大，造成汽缸變形動(dòng)靜部分發(fā)生碰磨的原因。

2.2.2 超高壓缸和高壓缸軸封受冷卻變形

超高壓缸進(jìn)汽側(cè)軸封和高壓缸兩側(cè)端部軸封均為轉(zhuǎn)子鑲齒式，與汽封塊組成高低齒，形成迷宮式汽封結(jié)構(gòu)，汽封間隙設(shè)計(jì)值為0.60 mm，間隙對(duì)溫度變化較為敏感；超高壓端部排汽側(cè)為平齒式汽封結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)值為0.70 mm。超高壓缸、高壓缸端部軸封弧段被冷卻，短時(shí)間內(nèi)溫度場(chǎng)急劇變化，產(chǎn)生應(yīng)力變形，動(dòng)靜間隙縮小發(fā)生碰磨，轉(zhuǎn)速逐漸降低至零。此過(guò)程與2號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)軸承振動(dòng)變化及高壓缸上、下缸溫差變化相吻合。超高壓缸、高壓缸軸封受冷卻主要原因如下。

1）軸封供汽溫度低。

上海汽輪機(jī)廠對(duì)于1 000 MW 等級(jí)二次再熱機(jī)組輔汽供汽溫度的控制要求：當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度低于200 ℃時(shí)，汽源溫度控制240～300 ℃；當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度高于400 ℃時(shí)，汽源溫度控制320～350 ℃；當(dāng)超高壓轉(zhuǎn)子溫度在200～400 ℃時(shí)，汽源溫度范圍在上述區(qū)間內(nèi)變化；汽源供汽調(diào)節(jié)閥延遲最低關(guān)閉溫度為235 ℃，最高關(guān)閉溫度為360 ℃，如圖2 所示。實(shí)際運(yùn)行中，因機(jī)組跳閘后輔汽聯(lián)箱溫度調(diào)節(jié)困難，為規(guī)避軸封斷汽風(fēng)險(xiǎn)，華電句容、華能萊蕪等多臺(tái)1 000 MW 二次再熱機(jī)組均已將輔汽溫度高、低閉鎖保護(hù)解除。

圖2 1 000 MW二次再熱機(jī)組軸封供汽溫度控制曲線

查閱歷史數(shù)據(jù)，7月21日17：00到7月22 日02：00，輔汽汽封供汽閥前溫度維持在322～381 ℃，如圖3所示。機(jī)組跳閘后，超高壓轉(zhuǎn)子溫度應(yīng)在400 ℃以上，最低軸封供汽蒸汽溫度沒(méi)有低于上海汽輪機(jī)廠規(guī)定，因此排除了軸封供汽溫度低的原因。

2）真空快速上升，吸入冷空氣造成軸封冷卻。

文獻(xiàn)［7］認(rèn)為：在汽輪機(jī)停機(jī)、抽真空狀態(tài)時(shí)，如軸封失壓將會(huì)導(dǎo)致大量冷空氣進(jìn)入汽輪機(jī)高、中、低壓軸封處，進(jìn)而可能造成汽輪機(jī)軸封抱死。該分析結(jié)論值得商榷，原因如下：停機(jī)后如破壞真空，各汽缸與外界壓力一樣，不會(huì)吸入大量空氣；拉真空時(shí)超高壓缸、高壓缸、中壓缸、低壓缸、凝汽器均處于壓力相同的真空狀態(tài)，壓力變化過(guò)程一致，沒(méi)有形成從軸封處吸入空氣的動(dòng)力；由圖3 可以看出，3 號(hào)機(jī)軸封供汽壓力調(diào)節(jié)門前壓力始終維持在0.71～0.94 MPa，未發(fā)生軸封斷汽現(xiàn)象；假定軸封吸入大量空氣，空氣進(jìn)入凝汽器后會(huì)造成凝汽器真空迅速下降，而此過(guò)程中3 號(hào)機(jī)凝汽器真空未降反升；西門子公司規(guī)定汽機(jī)軸封允許吸冷空氣的時(shí)間，每次發(fā)生進(jìn)冷空氣的時(shí)間不能超過(guò)3 h，1 年累積不能超過(guò)30 h（見(jiàn)圖4），因空氣傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于蒸汽，短時(shí)間吸入空氣不會(huì)造成軸封迅速冷卻。綜上所述，排除了真空快速上升，吸入冷空氣造成軸封冷卻這一原因。

圖3 3號(hào)機(jī)組軸封供汽壓力及溫度

圖4 西門子汽輪機(jī)軸封允許吸入冷空氣時(shí)間與高壓轉(zhuǎn)子溫度關(guān)系曲線

3）軸封供汽溫度突然降低及溫降速度過(guò)快。

文獻(xiàn)［8］通過(guò)對(duì)3 個(gè)電廠的超超臨界機(jī)組抱軸事件計(jì)算分析得出結(jié)論：軸封供汽溫度突然降低及溫降速度過(guò)快是導(dǎo)致機(jī)組在熱態(tài)停機(jī)時(shí)發(fā)生動(dòng)靜部分碰磨乃至抱軸事故的主要原因。

3 號(hào)機(jī)組高壓缸進(jìn)汽溫度為620 ℃，額定負(fù)荷高壓缸前、后軸封漏汽溫度超過(guò)400 ℃，前、后軸封齒溫度接近400 ℃。當(dāng)機(jī)組跳閘后，按照上海汽輪機(jī)廠的規(guī)定，軸封通入320～350 ℃的輔汽，實(shí)際上對(duì)軸封齒是一個(gè)冷卻過(guò)程。但只要軸封供汽溫度控制在此區(qū)間，冷卻速度是可控的，能夠保證軸封與大軸的間隙在安全范圍。

從圖3 可以看出，7 月21 日17：00 到7 月22 日02：00 期間，雖然軸封供汽溫度始終維持在320 ℃以上，但7 月21 日20：00—21：00，軸封供汽溫度由380 ℃突降至335 ℃，供汽溫度下降速度快、幅度大，造成高壓缸前、后軸封快速冷卻，高壓缸前后軸封與大軸徑向、軸向間隙逐漸降至0，動(dòng)靜碰磨造成抱軸。

軸封供汽溫度下降原因。因4 號(hào)機(jī)組停運(yùn)，3 號(hào)機(jī)組跳閘后采用一期輔汽聯(lián)箱汽源，正常運(yùn)行時(shí)由1號(hào)、2 號(hào)機(jī)組四段抽汽供，當(dāng)壓力不足時(shí)可切換至冷再蒸汽供。查閱2 號(hào)機(jī)組歷史曲線（圖5），7 月21 日20：00，為提高輔汽供汽壓力，快速開(kāi)大2 號(hào)機(jī)組冷再至輔汽聯(lián)箱調(diào)節(jié)閥，由于冷再蒸汽溫度低（320 ℃），造成輔汽聯(lián)箱蒸汽溫度快速下降。

圖5 2號(hào)機(jī)冷再供汽輔汽聯(lián)箱調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟造成輔汽聯(lián)箱溫度下降趨勢(shì)圖

3 優(yōu)化方案

解決軸封供汽溫度低有兩種方法：一是增加外接輔助高溫汽源（主蒸汽），二是軸封供汽增加電加熱器。因3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)主蒸汽壓力、溫度較高，改造工作量較大，因此排除外接輔助高溫汽源方案。

文獻(xiàn)［9-12］通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)超超臨界汽輪機(jī)組抱軸事件分析，制定了軸封輔汽汽源加裝電加熱器方案，改造后取得了良好效果。針對(duì)該公司3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組的現(xiàn)狀，應(yīng)采取如下優(yōu)化方案。

加強(qiáng)運(yùn)行調(diào)整及監(jiān)控。3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，二期輔汽聯(lián)箱溫度始終能夠滿足軸封供汽要求。但一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)，必須使用一期輔汽汽源。如一期機(jī)組冷再供輔汽調(diào)節(jié)門開(kāi)啟速度過(guò)快，軸封供汽溫度不能滿足要求。因此當(dāng)3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組任一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)后，應(yīng)合理調(diào)整1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組負(fù)荷及冷再供汽調(diào)節(jié)門開(kāi)啟速度，維持一期輔汽聯(lián)箱溫度相對(duì)穩(wěn)定，避免大幅度快速波動(dòng)。

利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，在3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組輔汽供汽調(diào)節(jié)門前各加裝一組電加熱器及疏水管路。為了防止機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)電加熱器干燒，在電加熱器后增加常開(kāi)的疏水管路，并且調(diào)整軸封電加熱器設(shè)置將軸封蒸汽溫度維持比較高的溫度范圍，通過(guò)少許的通流量來(lái)保證軸封電加熱器正常運(yùn)行時(shí)的安全可靠性。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)軸封電加熱器設(shè)置將軸封蒸汽溫度控制在350 ℃左右，以滿足軸封蒸汽和轉(zhuǎn)子的溫度限制，防止本機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子抱軸甚至抱死的情況出現(xiàn)，改造方案詳見(jiàn)圖6。

圖6 加裝軸封電加熱器系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

超超臨界汽輪機(jī)組軸封間隙小，對(duì)軸封供汽溫度及變化速率敏感，極熱態(tài)啟動(dòng)如果控制不當(dāng)會(huì)造成抱軸事件發(fā)生，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。對(duì)超超臨界二次再熱機(jī)組極熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程發(fā)生的抱軸事件進(jìn)行了分析，認(rèn)為軸封吸入空氣造成軸封冷卻導(dǎo)致抱軸故障的結(jié)論值得商榷，指出一期輔汽汽源切換是造成軸封供汽溫度快速下降是抱軸發(fā)生的直接原因，并制定了針對(duì)性的運(yùn)行控制和優(yōu)化改造方案，問(wèn)題得到解決，為國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組抱軸事件的分析與預(yù)防提供參考。