楊 樂，張 磊

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

相比一次再熱機(jī)組，1 000 M W二次再熱機(jī)組將主蒸汽壓力提高，并增加了超高壓缸和高—中—低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)。由于系統(tǒng)更復(fù)雜、啟動(dòng)參數(shù)更高，三缸聯(lián)合啟動(dòng)時(shí)更容易出現(xiàn)鼓風(fēng)超溫等問題，三級(jí)串聯(lián)旁路與汽輪機(jī)和鍋爐的配合也更為復(fù)雜且關(guān)鍵，而汽輪機(jī)軸封參數(shù)的需求也與一次再熱機(jī)組有所不同。在目前投產(chǎn)的二次再熱機(jī)組運(yùn)行過程中，還出現(xiàn)了超高壓缸軸封漏汽管蒸汽倒流、低速暖機(jī)效率低等問題。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某二次再熱機(jī)組出現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

某電廠二次再熱機(jī)組采用國(guó)產(chǎn)超超臨界、二次中間再熱、單軸、雙背壓、五缸四排汽1 000 MW凝汽式汽輪機(jī)，運(yùn)行方式為全程滑壓；設(shè)計(jì)機(jī)前主蒸汽壓力31.8 MPa，主蒸汽溫度600 ℃，再熱汽溫度610 ℃；旁路采用100%鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)高—中—低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，以滿足各種啟動(dòng)工況要求。

該二次再熱機(jī)組沿用了很多一次再熱機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)，如：超高壓缸采用圓筒形汽缸，溫度梯度小、安全性更高；采用單軸承支撐，軸承比壓大、軸承穩(wěn)定性更高[1]；所有汽缸內(nèi)缸支撐落地，不受背壓變化影響；滑銷系統(tǒng)同向膨脹，汽缸之間設(shè)有推拉裝置進(jìn)行膨脹傳遞，汽輪機(jī)動(dòng)靜差脹小；閥門與汽缸直接連接、無(wú)導(dǎo)汽管，降低進(jìn)汽壓損；第一級(jí)采用低反動(dòng)度、斜置靜葉，增加動(dòng)靜軸向距離，緩解固體顆粒物侵蝕；從暖管、沖轉(zhuǎn)、升速、定速再到并網(wǎng)帶初負(fù)荷，采用自動(dòng)控制和一鍵啟動(dòng)。

除此之外，該二次再熱機(jī)組在調(diào)整、控制方面又有以下不同之處：

1)采用三級(jí)串聯(lián)旁路，對(duì)于機(jī)、爐的配合要求更為復(fù)雜，尤其在防止超高壓缸及高壓缸鼓風(fēng)方面增大了控制難度，必須通過三級(jí)串聯(lián)旁路對(duì)一次再熱、二次再熱壓力進(jìn)行調(diào)整，以配合超高壓缸和高壓缸的鼓風(fēng)控制；

2)機(jī)組參數(shù)更高，且超高壓缸、高壓缸排汽溫度更高，對(duì)軸封系統(tǒng)參數(shù)提出更高要求；

3)增加了超高壓缸，相應(yīng)在控制組態(tài)中增加了超高壓缸排汽溫度控制器，以應(yīng)對(duì)機(jī)組低負(fù)荷期間超高壓缸鼓風(fēng)超溫風(fēng)險(xiǎn)；

4)在控制組態(tài)中，還增加了超高壓缸葉片級(jí)壓力控制器，從而在冷態(tài)啟動(dòng)、低速暖機(jī)期間，對(duì)超高壓缸應(yīng)力進(jìn)行控制，保障超高壓缸及轉(zhuǎn)子安全。

2 機(jī)組相關(guān)問題分析及解決方案

2.1 超高壓缸和高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)預(yù)防控制邏輯問題及對(duì)策

二次再熱機(jī)組采用三缸聯(lián)合啟動(dòng)，通過調(diào)整三級(jí)串聯(lián)旁路，需要同時(shí)維持超高壓缸和高壓缸的壓比在合理范圍，控制難度更大[2]。

基于緩解超高壓缸和高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)的目的，保護(hù)超高壓缸和高壓缸安全運(yùn)行，在控制組態(tài)中同時(shí)設(shè)計(jì)了“超高壓缸排汽溫度控制器”和“高壓缸排汽溫度控制器”，并且設(shè)置有“超溫切缸”保護(hù)。

2.1.1 超高壓排汽溫度控制

1)當(dāng)超高壓缸排汽溫度達(dá)到一高時(shí)(390 ℃)，降低中壓調(diào)閥開度，增大超高壓缸進(jìn)汽量，如圖1所示。

圖1 超高壓缸排汽溫度一高控制示意圖

2)當(dāng)超高壓缸排汽溫度達(dá)到二高時(shí)(460 ℃)，切除超高壓缸，由高、中壓缸控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速/負(fù)荷，如圖2所示。

圖2 超高壓缸排汽溫度二高控制示意圖

2.1.2 高壓缸排汽溫度控制

1)當(dāng)高壓排汽溫度達(dá)到一高時(shí)，降低中壓調(diào)閥開度，增大高壓缸進(jìn)汽量，如圖3所示。

圖3 高壓缸排汽溫度一高控制示意圖

2)當(dāng)高壓排汽溫度達(dá)到二高時(shí)，切除超高壓缸，增大高壓缸進(jìn)汽量，如圖4所示。

圖4 高壓缸排汽溫度二高控制示意圖

3)當(dāng)高壓排汽溫度達(dá)到三高時(shí)(530 ℃)，則切除高壓缸，由中壓缸控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速/負(fù)荷，如圖5所示。

圖5 高壓缸排汽溫度三高控制示意圖

2.1.3 超高壓和高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)對(duì)策

但由于三級(jí)串聯(lián)旁路的調(diào)節(jié)控制并沒有納入上述控制器組態(tài)，使得在超高壓缸及高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)的預(yù)防控制方面欠缺周全。如對(duì)旁路不加控制，上述“排汽溫度控制器”的調(diào)節(jié)可能對(duì)汽缸超溫形成反作用。比如超高壓調(diào)閥開大時(shí)，高、中壓旁路不配合降低一次再熱壓力，反而可能使超高壓缸鼓風(fēng)加劇、排汽溫度快速升高，危及超高壓缸安全。

因此，在超高壓缸和高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)控制方面，還應(yīng)做到以下三點(diǎn)：

1)機(jī)組啟動(dòng)過程中，控制好主蒸汽壓力、一次再熱壓力、二次再熱壓力，即高旁、中旁、低旁的三級(jí)串聯(lián)旁路的壓力控制要充分保證超高壓缸、高壓缸的壓比，必要時(shí)根據(jù)汽輪機(jī)各汽缸鼓風(fēng)情況對(duì)三級(jí)串聯(lián)旁路的壓力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。

2)當(dāng)超高壓排汽溫度控制器、高壓排汽溫度控制器觸發(fā)動(dòng)作時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況對(duì)相應(yīng)的旁路閥進(jìn)行調(diào)整。

譬如，當(dāng)超高壓排汽溫度控制器動(dòng)作、超高壓旁閥開大時(shí)，應(yīng)注意適當(dāng)調(diào)整高、中旁閥，降低一次再熱壓力，使超高壓缸的壓力切實(shí)降低。同時(shí)，由于中壓旁閥關(guān)小，高壓缸排汽壓力增大，可能誘發(fā)高壓缸鼓風(fēng)加劇。因此，在中壓旁閥關(guān)小時(shí)，也必須檢查低壓旁閥應(yīng)適度開大、降低二次再熱壓力，避免高壓缸排汽不暢而導(dǎo)致鼓風(fēng)加劇[3]。

3)熱態(tài)、極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，由于超高壓缸、高壓缸排汽溫度已經(jīng)較高，超溫的安全裕量較小、控制難度更大。因此，定速3 000 r/min后應(yīng)盡快并網(wǎng)。

2.2 超高壓缸軸封漏汽管道蒸汽倒流問題及對(duì)策

與一次再熱機(jī)組的高壓缸第一級(jí)軸封漏汽接入中壓缸排汽管類似，二次再熱機(jī)組也有相應(yīng)的設(shè)計(jì)：高壓缸第一級(jí)軸封漏汽接入中壓缸排汽管，超高壓缸第一級(jí)軸封漏汽接入高壓缸排汽管(即二次再熱冷段管道)。需要注意的是，無(wú)論高壓缸軸封漏汽管道，還是超高壓缸軸封漏汽管道，都沒有設(shè)計(jì)逆止閥。

對(duì)于超高壓缸軸封漏汽來(lái)說(shuō)，由于超高壓缸軸封漏汽接至二次再熱冷段管道，在沖轉(zhuǎn)前、已經(jīng)有大量的高溫高壓蒸汽經(jīng)超高壓缸軸封漏汽管道倒流入超高壓缸第一級(jí)軸封腔室，并進(jìn)入超高壓缸。這使得汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，超高壓缸排汽溫度已經(jīng)大幅度升高，給沖轉(zhuǎn)期間的超高壓排汽溫度控制造成較大難度。

以本文中1 000 MW二次再熱機(jī)組某次啟動(dòng)過程為例。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，超高壓缸排汽溫度距離其“切缸保護(hù)”溫度限值僅剩8℃裕量，大大增加了超高壓缸鼓風(fēng)超溫風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎將造成超高壓缸切除，為后續(xù)的機(jī)組定速、并網(wǎng)帶負(fù)荷造成不便，甚至可能需要被迫停機(jī)、待超高壓缸排汽溫度下降后重新沖轉(zhuǎn)。

因此，為避免超高壓缸軸封漏汽管道蒸汽反流，造成超高壓缸排汽溫度被動(dòng)升高導(dǎo)致鼓風(fēng)超溫，應(yīng)在機(jī)組調(diào)試前期就在超高壓缸第一級(jí)軸封漏汽管道上裝設(shè)逆止閥，從而避免上述問題的發(fā)生。

2.3 超高壓葉片級(jí)壓力控制器邏輯不合理問題及對(duì)策

為了在汽輪機(jī)啟動(dòng)、低速暖機(jī)過程中，將超高壓缸及超高壓轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力控制在合理水平，該二次再熱機(jī)組除“高壓缸葉片級(jí)壓力控制器”外，還設(shè)計(jì)有“超高壓缸葉片級(jí)壓力控制器”。

其原理是：在啟動(dòng)、低速暖機(jī)期間，若超高壓缸葉片級(jí)壓力升高，對(duì)應(yīng)飽和溫度隨之升高，將使得超高壓缸內(nèi)蒸汽在與汽缸和轉(zhuǎn)子換熱過程中極容易降溫至飽和溫度以下，從而產(chǎn)生凝結(jié)換熱，使汽缸和轉(zhuǎn)子承受過大熱應(yīng)力。為降低凝結(jié)換熱對(duì)汽缸、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的加劇，組態(tài)內(nèi)設(shè)計(jì)有“超高壓葉片級(jí)壓力控制器”，如圖6所示。該控制器根據(jù)實(shí)時(shí)汽缸、轉(zhuǎn)子溫度，計(jì)算出適宜的超高壓缸葉片級(jí)壓力。并將該計(jì)算壓力與實(shí)時(shí)的超高壓缸葉片級(jí)壓力比較，經(jīng)一系列計(jì)算后作為“超高壓缸葉片級(jí)壓力控制器”輸出，使超高壓調(diào)閥關(guān)小至安全閥位，從而降低凝結(jié)換熱對(duì)汽缸和轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力影響。

圖6 超高壓缸葉片級(jí)壓力控制器邏輯圖

根據(jù)“超高壓缸葉片級(jí)壓力控制器”作用原理，在整個(gè)低速暖機(jī)過程中，該控制器應(yīng)該始終是投入狀態(tài)，而后在汽輪機(jī)低速暖機(jī)結(jié)束、升速至3 000 r/min過程中再退出該控制器。

然而在組態(tài)中，超高壓葉片級(jí)壓力控制器的切除轉(zhuǎn)速設(shè)置為402 r/min，低于其低速暖機(jī)轉(zhuǎn)速。這意味著整個(gè)低速暖機(jī)期間，超高壓缸葉片級(jí)壓力控制器將處于退出狀態(tài)。這將使汽輪機(jī)超高壓缸、超高壓轉(zhuǎn)子在低速暖機(jī)期間的熱應(yīng)力控制變得薄弱，長(zhǎng)此以往可能使超高壓缸及超高壓轉(zhuǎn)子頻繁處于熱應(yīng)力超限狀態(tài)，最終出現(xiàn)疲勞裂紋、壽命縮短。

因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)相關(guān)組態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，提高“超高壓葉片級(jí)壓力控制器”的自動(dòng)切除轉(zhuǎn)速至低速暖機(jī)轉(zhuǎn)速以上，以便在整個(gè)低速暖機(jī)期間對(duì)超高壓缸提供必要的熱應(yīng)力保護(hù)。

2.4 機(jī)組啟動(dòng)暖機(jī)效率低問題及對(duì)策

該二次再熱機(jī)組由于軸系臨界區(qū)轉(zhuǎn)速跨度大，未設(shè)置“中速暖機(jī)”程序，即汽輪機(jī)經(jīng)過低速暖機(jī)后將直接定速3 000 r/min。因此在低速暖機(jī)期間，汽輪機(jī)必須充分預(yù)暖，一方面使汽缸、轉(zhuǎn)子得到充分預(yù)熱，從而降低升速過程汽輪機(jī)各部件的熱應(yīng)力，使汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)更為安全，另一方面使升速前汽輪機(jī)各部件溫度裕度更為充裕，避免在汽輪機(jī)沖過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)轉(zhuǎn)速升速率受限，從而使汽輪機(jī)以最快的速率邁過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，降低汽輪機(jī)軸系振動(dòng)過大甚至超限的風(fēng)險(xiǎn)。

但由于低速暖機(jī)期間汽輪機(jī)進(jìn)汽量較小，導(dǎo)致低速暖機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)、暖機(jī)效率較低。

針對(duì)該問題，建議可采取以下措施：

1)適當(dāng)降低汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)，但應(yīng)注意保證超高壓缸、高壓缸的壓比。在將超高壓缸、高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)控制在可承受范圍內(nèi)的同時(shí)，通過鍋爐側(cè)調(diào)整及三級(jí)串聯(lián)旁路的調(diào)整，適當(dāng)降低主蒸汽壓力、一次和二次再熱蒸汽壓力；

2)通過提高循環(huán)水溫度使機(jī)組背壓提高，減少汽輪機(jī)蒸汽比焓降，從而增大汽輪機(jī)進(jìn)汽量、縮短低速暖機(jī)時(shí)間、提高低速暖機(jī)效率。

3)在汽輪機(jī)低速暖機(jī)期間投入各低壓加熱器，利用各低壓加熱器少量抽汽，使低速暖機(jī)期間的汽耗量增大，從而縮短低速暖機(jī)時(shí)間、提高低速暖機(jī)效率。

4)根據(jù)汽輪機(jī)低速暖機(jī)階段各汽缸的缸溫狀態(tài)，對(duì)進(jìn)汽流量更大、缸溫上升更快的汽缸，通過人為降低該汽缸進(jìn)汽調(diào)閥的閥限，使其他暖缸更慢的汽缸進(jìn)汽量增大，提高整體暖機(jī)效率。

綜上所述，采取有效措施增大汽輪機(jī)蒸汽流量是縮短暖機(jī)時(shí)間、提高暖機(jī)效率的主要方向。汽輪機(jī)蒸汽流量增大，不僅能夠縮短暖機(jī)時(shí)間，還能使相應(yīng)的調(diào)速汽閥閥位增大，從而避免個(gè)別調(diào)速汽閥因汽流激振力而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，達(dá)到保護(hù)汽閥的效果。

2.5 機(jī)組啟停階段汽輪機(jī)抱死問題及對(duì)策

為追求經(jīng)濟(jì)性、減少軸封泄漏損失，各汽輪機(jī)生產(chǎn)廠商都將汽輪機(jī)軸封間隙設(shè)計(jì)得較小，在提高機(jī)組效率的同時(shí)，也增大了軸封徑向動(dòng)靜碰磨的風(fēng)險(xiǎn)。為降低軸封碰磨、汽輪機(jī)抱死風(fēng)險(xiǎn)，廠家對(duì)軸封供汽溫度做了嚴(yán)格限制，如圖7所示。

圖7 軸封供汽溫度限值曲線

通過對(duì)比主機(jī)廠提供的熱力特性數(shù)據(jù)，以及二次再熱機(jī)組和一次再熱機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，其相關(guān)參數(shù)的對(duì)比關(guān)系如表1所示。熱態(tài)/極熱態(tài)下，二次再熱機(jī)組的超高壓缸排汽溫度、高壓缸排汽溫度在420～450 ℃，而一次再熱機(jī)組的高壓缸排汽溫度僅為360～380 ℃左右。兩種機(jī)組的超高壓缸排汽溫度和高壓缸排汽溫度相差約60～70 ℃[4]。

表1 二次再熱機(jī)組與一次再熱機(jī)組相關(guān)參數(shù)對(duì)比關(guān)系表

若沿用一次再熱機(jī)組對(duì)于汽輪機(jī)熱態(tài)/極熱態(tài)時(shí)“軸封供汽溫度280～320 ℃”的要求，對(duì)于二次再熱機(jī)組偏低。當(dāng)機(jī)組啟、停階段，尤其是機(jī)組停機(jī)/跳閘后，280～320 ℃的軸封蒸汽進(jìn)入超高壓缸、高壓缸軸封腔室，將可能造成端部汽封處收縮變形、動(dòng)靜碰磨，甚至導(dǎo)致汽輪機(jī)惰走期間振動(dòng)超限、盤車狀態(tài)大軸抱死等事故。

為此，建議采取如下措施：

1)對(duì)軸封供汽參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高高壓段(超高壓缸、高壓缸、中壓缸)軸封供汽溫度至320～360 ℃。采用減溫水控制低壓缸軸封供汽溫度不高于320 ℃。如表2所示。

表2 二次再熱機(jī)組與一次再熱機(jī)組軸封供汽溫度對(duì)照表

2)考慮到二次再熱機(jī)組的軸封供汽溫度要求比一次再熱機(jī)組更高(最高可能達(dá)到360 ℃左右)，建議增配“軸封電加熱器”，以便在輔汽汽源溫度不符合要求時(shí)，能輔助提高軸封供汽溫度；

3)機(jī)組正常運(yùn)行期間，軸封系統(tǒng)進(jìn)入自密封狀態(tài)。注意維持輔汽供軸封在正常備用狀態(tài)，“正常備用狀態(tài)”主要是指：①輔汽供軸封調(diào)節(jié)閥前的節(jié)流孔疏水管通流正常，輔汽供軸封調(diào)節(jié)閥前應(yīng)無(wú)疏水積存；②軸封電機(jī)熱器應(yīng)處于備用狀態(tài)，功率輸出降至較低水平，但隨時(shí)可以在遠(yuǎn)方控制、提高功率輸出；

4)當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷至自密封狀態(tài)退出或機(jī)組停機(jī)/跳閘，需要輔汽汽源供給軸封時(shí)，注意提高高壓段軸封供汽溫度至340 ℃左右，同時(shí)采用減溫水控制低壓缸軸封供汽溫度不高于320 ℃；

5)在機(jī)組停機(jī)/跳閘后，惰走期間應(yīng)注意保證軸封供汽溫度和壓力，注意惰走振動(dòng)是否異常增大、惰走速度是否異常加快、各軸封處是否吸入涼氣等；

6)每次投入軸封減溫水時(shí)，均需要注意噴水量，切忌噴水過多致使軸封供汽帶水；

7)在汽輪機(jī)盤車投運(yùn)后，應(yīng)密切注意盤車轉(zhuǎn)速是否下降。若盤車轉(zhuǎn)速異常下降，大多是軸封供汽參數(shù)異?；蚱走M(jìn)冷氣導(dǎo)致上下缸溫差增大產(chǎn)生碰磨所致。因此，在盤車轉(zhuǎn)速異常下降時(shí)，建議第一時(shí)間檢查上下缸溫差是否異常、軸封供汽溫度或壓力是否偏低。及時(shí)查明原因，并進(jìn)行相應(yīng)處理；

8)若確認(rèn)盤車轉(zhuǎn)速異常下降是因軸封供汽參數(shù)不足所致，且軸封供汽參數(shù)短時(shí)間內(nèi)提高困難，可在必要時(shí)破壞真空，真空到零后退出軸封供汽。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某1 000 MW二次再熱機(jī)組的調(diào)試過程，分析了同類型二次再熱機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)的超高壓缸及高壓缸鼓風(fēng)效應(yīng)預(yù)防控制邏輯欠缺周全、超高壓缸軸封漏汽管蒸汽倒流、超高壓葉片級(jí)壓力控制器邏輯不合理、機(jī)組啟動(dòng)暖機(jī)效率低、汽輪機(jī)防抱死等問題。同時(shí)，針對(duì)相應(yīng)問題提出了對(duì)應(yīng)的解決方案。