660 MW机组防止汽轮机进水系统的改进

    摘  要：针对某电厂西门子660 MW机组发生的机组停运后主蒸汽管道积水、甚至造成汽轮机进水的问题进行了认真地原因分析和研究，并依据ASME标准对外方的设计提出了更加安全可靠的改进方案，从而提高了机组的安全可靠性。
    关键词：汽轮机；主蒸汽管道；积水；改进

1　问题的提出
　　某电厂安装有2台660 MW进口燃煤机组。锅炉为美国F·W公司生产，汽轮发电机组为德国SIEMENS公司制造，热工控制系统采用的是SIEMENS公司的TELEPERM－XP系统。
　　2台机组在2002～2003年的小修和中修中，相继发生了机组停运后主蒸汽管道积水现象，特别是＃1机组在2002年2月小修和2003年1月中修停机后，主蒸汽管道积水均造成汽轮机进水，出现高压缸上下缸温差增大，盘车停止的现象。
2　原因分析
2．1　事件过程简述
　　鉴于2台机组发生主蒸汽管道积水的现象完全相同，所以，仅以＃1机组2003年1月这一次为例，根据事后从T－XP历史数据中收集到的有关数据进行描述，见图1～图3。
    2003－01－29T12－40，＃1机组按计划滑参数停机进入中修，停机时主蒸汽压力（过热器出口处，以下相同）为8．23 MPa，主蒸汽温度为460℃。

　　2003－01－30T06－50，主蒸汽压力降至2．948MPa，汽机房主蒸汽管道水平段上、疏水井前约1．5m处的主蒸汽温度测点CT007为332．25℃，温降速率开始加快（积水高度接近此测点），到2003－01－30T07－21，温度降至274．2℃。至此，温降速率进一步加快，4 min温度降至238．2℃，积水淹没此测点，达到此时主蒸汽压力下的饱和温度，而后，温降速率非常平缓。
　　2003－01－30T10－53，高压主汽门前立管上、低于高压主汽门约2．5 m处的温度测点CT008A为283．4℃，到2003－01－30T10－56，3 min急剧下降至225．6℃（积水高度已达到此测点高度，淹没了此测点），之后，温降非常平缓。
　　2003－01－30T11－11，汽封母管压力为－0．29kPa，汽封母管上的3个温度测点CT011A为206．25℃，CT002A为216．72℃，CT012A为193．7℃。2003－01－30T11－13高压调节阀后（高压缸前端）温度测点CT006A为338．31℃，汽封母管压力上升至0．42kPa，高压缸开始进水。此后，高压缸上下缸温差开始增大，汽机盘车转速下降直至停止。2003－01－30T11－15，CT006A为333．0℃，此时，汽封母管压力达到最高值1．096 kPa。2003－01－30T11－19，CT006A降至最低点162．87℃，汽封母管压力为0．775 kPa。2003－01－30T11－30，汽封母管温度CT011A为201．96℃，CT002A为212．94℃，CT012A为193．32℃。汽封母管靠近门杆泄汽接口的管段温度开始下降，汽封母管压力降至0．179 kPa。2003－01－30T11－54，CT011A为165．6℃，CT002A为185．16℃，CT012A为185．34℃。汽封母管全管段温度开始下降。2003－01－30T12－11，运行人员强行打开2根主蒸汽管道上的疏水阀，并保持全开，此时主蒸汽压力为2．406MPa。2003－01－30T12－12，CT011A为165．6℃，CT002A为185．16℃，CT012A为185．34℃。汽封母管温度下降开始平缓。2003－01－30T12－21，高压缸上下缸温差达到最大值194．19℃。2003－01－30T12－32，主蒸汽压力下降为2．094 MPa。2003－01－30T14－00，主蒸汽压力下降为1．294 MPa。2003－01－30T15－00，主蒸汽压力为0．98 MPa。2003－01－30T16－00，主蒸汽压力为0．788 MPa。
2．2　汽缸进水原因分析
　　由上述可知，机组滑参数停机后约18 h，主蒸汽管道最低点（汽机房水平段，标高约7．5 m）已积水半管，说明仅靠主蒸汽管道上的疏水器是不能满足机组停机时疏水要求的。随着积水的增多，主蒸汽管道中的水位逐渐升高，约4 h后，积水已达到距离汽机高压主汽门（标高约17．0 m）约2．5 m处。此时，汽机房内所有与主蒸汽管道连通的管道已全部被水淹没（包括高压旁路阀）。又过了大约15 min，积水淹没了高压主汽门。主汽门本身是严密不漏的，不会造成汽轮机进水，但积水会沿着门杆泄汽漏出，特别是当门杆受到急剧冷却时，密封间隙会增大，泄水量将随之增大。从门杆泄汽漏出来的约225．6℃的饱和水，沿门杆泄汽管道流入位于高压缸下方的汽封母管中。由于这种门杆泄汽系统的设计，每次机组停机后，虽然汽封供汽汽源已被隔断，但仍然会有从门杆泄汽而来的大量蒸汽进入汽封母管，使得汽轮机汽封不断地大量向外冒汽。为了避免汽轮机润滑油系统进水，运行人员不得不在机组停运后保持汽封轴抽风机长期运行，使汽封母管内的压力维持在微负压状态。
　　高温的饱和水进入低压的汽封母管后，迅速蒸发，使得汽封母管压力升高，将原本就因管道直径不大、疏水能力不强的门杆泄汽管道中的水反顶，通过与高压主汽门门杆泄汽管道连通的高压调节阀门杆泄汽管道，把水挤进高压调节阀。为了保证高压调节阀的正常开启，在高压调节阀阀芯上开有平衡孔，直通汽轮机高压缸内部。进入高压调节阀的水，沿平衡孔进入高压缸，导致汽轮机进水。由于高压缸内部温度远远高于汽封母管温度和进来的水温，而且压力较低（此时，高压缸内部也因汽封轴抽风机的作用保持在微负压状态）。所以，水在汽缸内的汽化要远比在汽封母管内的汽化剧烈，使得汽缸内的压力（或高压缸前部局部压力）快速升高。而且此压力一定高于汽封母管压力，因而阻止了冷水继续进入汽轮机。由CT006A快速下降后又快速回升和汽封母管压力上升、下降、又上升（更多的水突然进入和闪蒸造成）、而后稳定且母管温度全面下降（有饱和水凝结沉积造成），可证明这一点。
通过上述分析可以得出：
　　a．汽轮机主蒸汽管道疏水不能满足机组停机后的疏水要求是导致主蒸汽管道积水、汽轮机进水的直接原因；
　　b．门杆泄汽管道系统设计不合理是导致汽轮机进水的间接原因。
3　改进方案
3．1　对主蒸汽管道疏水的改进方案
　　对主蒸汽管道疏水的改进应按照ASMETDP－1－1985，防止水对发电用汽轮机造成损坏的导则（以下简称“导则”）的要求，不应将汽轮机阀门作为防止从主蒸汽管道向汽轮机进水的装置。在汽轮机进水发生前检测到外部存在的水，即使自动疏水器发生故障或压差过低不能满足疏水要求，也要保证采取自动的方法把积水排掉，同时保证锅炉的安全要求。
3．1．1　改进方案1
　　西门子主蒸汽疏水热控逻辑设计（主蒸汽＃1／＃2管疏水阀）：
　　a．保护关闭　［实际阀位开度－最大计算开度］大于2％，或主汽压力大于12．9 MPa；
　　b．自动开启　主蒸汽过热度小于20 K；锅炉已点火；该疏水SLC在自动；
　　c．自动关闭　主蒸汽过热度大于50 K或锅炉灭火；该疏水SLC在自动；
　　d．给水／蒸汽GC启动第5步程序开启，停运第4步程序关闭。
　　按照“导则”的要求，分析西门子主蒸汽疏水系统设计，从系统管道设计到热控逻辑设计，在机组启动时是没有问题的，但是，却忽视了在机组停机时的疏水。
　　在机组停机锅炉灭火后，主蒸汽疏水阀将自动关闭，这在停炉初期防止锅炉汽包压力下降过快是对的。但当主蒸汽达到饱和状态后，主蒸汽管道内已严重积水时，仍不能自动开启则是不对的。这时如仅仅考虑使用疏水器疏水，一是其疏水能力问题，二是万一其故障则没有其它方法疏水，不符合“导则”—准则中第2条“根据经验，某一水源危险性特别大时，则该处设备的单一故障均不得使汽轮机进水”的要求。
　　根据对T－XP中历史数据的分析，CT007温度测点在机组停机后正常冷却速率不大于1℃／min，但当主蒸汽管道积水接近此温度测点时（曲线记录中开始明显下降这一段），其温降速率为1．69℃／min，当积水淹没此温度测点时（曲线记录中又一次明显急速下降这一段），温降速率为32．04℃／min。见图1。
　　鉴于上述分析，考虑到机组运行时无法增加测点，因此，改进方案1主要是利用现有测点仅对热控逻辑进行改进。
　　在热控逻辑中增加机组停机后的主蒸汽疏水控制逻辑为：
　　锅炉灭火；该疏水SLC在自动；当CT007温度下降速率大于1．7℃／min时，打开疏水阀；当汽包压力下降速率大于0．14 MPa／min，关闭疏水阀。
　　控制逻辑中最后一条的设计，主要是当疏水阀打开后保护锅炉汽包压力变化不要超过制造厂的设计要求。从对T－XP历史数据的分析得出，在主蒸汽压力为2．4 MPa、同时打开2根主蒸汽管道疏水阀时，前20 min主蒸汽压力下降速率仅为0．015 MPa／min，以后随着主蒸汽压力的降低，下降速率也逐渐减小。但如果主蒸汽压力较高时疏水阀打开，则压力下降速率会更快一些。
3．1．2　改进方案2
　　虽然方案1能够解决汽轮机进水问题，但是在主蒸汽疏水阀打开之前，汽机房主蒸汽管道内已积水将近半管，主蒸汽管道上下壁温差很大，这对于主蒸汽管道来说将承受很大的热应力，显然这是不合理的，因此，提出并推荐方案2。
　　方案2与方案1相比，最根本的区别是提前检测到有凝结水出现，并及时将其排出，既防止了汽轮机进水，又防止主蒸汽管道受到较大的热应力。
　　改进方案2需要在主蒸汽疏水井顶部两侧对称增加2个贴片式测温元件CTa和CTb，见图4，之所以增加2个测温元件，主要是确保可靠性。

    主蒸汽疏水阀热控逻辑增加如下内容：
    锅炉灭火；该疏水SLC在自动；当CTa或CTb任意一点温度下降速率大于5℃／min，打开疏水阀；当汽包压力下降速率大于0．14 MPa／min，关闭疏水阀。
　　温度下降速率取值较大主要是为了累积一定量的水后再打开疏水阀，避免疏水阀频繁动作。
　　不论方案1还是方案2，当主蒸汽疏水阀打开后，运行人员都应注意及时向汽包补水，以控制汽包上下壁温差不要超出制造厂的要求。
3．2　对主汽门门杆泄汽系统的改进方案
　　由以上可以看出，汽轮机主汽门门杆泄汽系统的设计布置，是造成汽轮机进水的间接原因。虽然在防止主蒸汽管道积水改进后，由此导致的汽轮机进水可　　以得以避免，但是，在机组停运、破坏真空并停送汽封后，由于主蒸汽管道中仍有较高的压力，且主汽门关闭后，阀门芯对门杆泄汽的密封失去作用，仍然会有大量的蒸汽沿主汽门门杆泄汽管路泄漏至汽封母管，进而进入汽缸和轴瓦中（汽封处仍有大量蒸汽冒出），此情况在主蒸汽管道中的压力未完全消除前会持续很长时间。停机初期由于汽温还有一定的过热度且温度较高，对汽轮机的影响还不大，但是，当主蒸汽达到饱和状态后，对汽轮机和润滑油系统的安全都带来很大的隐患。此种设计不符合“导则”第3．9节———汽轮机汽封系统，“应该采取措施防止水或饱和蒸汽进入汽封系统”的要求。因此，建议对主汽门门杆泄汽系统进行改进，见图5。
　　在主汽门门杆泄汽与高压调节阀门杆泄汽汇合处之前的管道上安装一个手动截止阀，并在此阀门前接出一根管道将其接至清洁疏水扩容器，同时安装一个手动截止阀。机组启动前，先将通往汽封母管的阀门打开，再将通往清洁疏水扩容器的阀门关闭；机组停机后，先将通往清洁疏水扩容器的阀门打开，再将通往汽封母管的阀门关闭。这样，就可以解决机组停机、停用汽封供汽后汽封仍然冒汽问题并防止饱和汽进入汽轮机，减少汽轮机润滑油系统进水。
　　改造时，特别注意通往清洁疏水扩容器的管道在扩容器上的压力等级排列，不要产生因压力等级排列不正确造成的排汽或疏水不畅问题。

4　结束语
　　该机组高压缸为圆筒形、芯包式结构，解体时，需要将高压缸整个拆除并垂直立起，检修工艺复杂，费时费力，其设计大修工期为14 a一次，因此，防止汽轮机进水、特别是高压缸进水意义重大。目前，改进方案1的热控逻辑修改工作已经完成，等待机组停机时就可以进行试验和投运。通过改进后，能够避免进水事件的发生，提高机组的安全可靠性。