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简述超临界600MW机组不能带满负荷的原因分析

关于广西贵港电厂一期工程为2台600MW机组,汽轮机均为上海汽轮机有限公司制造的超临界、单轴、三缸、四排汽、中间再热、凝汽式汽轮机,型号为N600-24.2/566/566,额定功率为600MW,主蒸汽进汽压力为24.2MPa,再热蒸汽压力为3.642MPa,排汽压力为5.88kPa,主、再热蒸汽温度为566℃。1号机组于2007年2月28日通过168h满负荷试运行后投入商业运行。2号机组的分散控制系统(DCS)和数字式电液(DEH)调节系统均采用美国爱默生公司的Ovation控制系统。在2号机组的调试过程中,出现了不能带满负荷的情况,本文将对此进行分析、讨论。

1 问题的出现

2007年2月16日,贵港电厂2号机组完成安全门调整后,准备加负荷进入168h满负荷试运行时,发现机组负荷总加不上去,无法带满负荷。此时,主蒸汽压力已基本达到额定值,且汽轮机各中压调门全开,各参数值见图1虚线对应的数值。

图1 贵港电厂2号机组不能带满负荷时的参数变化情况
GV1,GV2,GV3,GV4—1号、2号、3号、4号高压调门;
TV1—左侧主蒸汽门;TV2—右侧主蒸汽门

2 问题的分析

2.1 控制系统逻辑方面的分析

当时,2号锅炉有4台磨煤机在运行,主蒸汽压力已达22.45MPa,汽轮机调门已开至70%,因此,可判断问题不在锅炉侧,而在汽轮机侧。原怀疑DEH调节系统的逻辑对负荷进行了限制。DEH调节系统确实有负荷限制逻辑功能,当工质参数越限或机组运行异常时,为了保障设备的安全,要求DEH调节系统具有负荷限制的功能。

负荷限制功能主要包括以下几方面:

a)功率反馈限制。当机组实发功率与功率定值之差超过某一规定值时,DEH调节系统自动切除功率反馈回路,变闭环控制为开环控制,并降低功率定值以确保机组安全;或者,当DEH调节系统为闭环控制时,运行人员根据机组带负荷的能力投入负荷限制功能,系统自动将负荷定值限制在给定的上、下限范围内。

b)变负荷速率限制。机组在变负荷的过程中,进汽量的变化使汽缸、转子等部件出现热应力,为了使热应力不超过允许值,要求对变负荷速率加以限制。DEH调节系统根据热应力在线计算回路的输出值自动选择变负荷速率,一旦应力裕度系数下降,热应力在线计算回路自动降低变负荷速率。

c)主蒸汽压力限制。单元机组运行时,为了协调锅炉和汽轮机两者在能量供需方面的关系,通常在汽轮机控制系统中引入反映锅炉运行工况的机前压力信号。汽轮机负荷的改变必然引起机前压力的变化,如果机前压力低于额定压力的5%,依靠锅炉自身很难迅速恢复主蒸汽压力的正常值,这时,必须对汽轮机的负荷进行限制,以加速机前压力的恢复。进行主蒸汽压力限制的措施是,在DEH调节系统中设置一个主蒸汽压力限制回路,使汽轮机的负荷不受功率控制回路的控制,而受主蒸汽压力限制回路的控制,降低汽轮机的负荷,以协助锅炉迅速恢复主蒸汽压力的运行值。

经检查,当时2号机组DEH调节系统的负荷限制功能并未投入,而且,调门能打开也说明DEH调节系统当时无负荷限制作用,因为限制负荷的同时也应限制了调门开度。

2.2 汽轮机调节阀特性方面的分析

通过比较1号汽轮机主蒸汽压力、调节级压力、高压调门开度与机组负荷的关系,认为机组不能带满负荷的最大根源是在机务方面,而非热控系统。热控系统方面唯一的可能性就是汽轮机调门调校得不准,使DEH调节系统显示的调门开度比现场实际开度大很多,即此时调门实际开度未达50%,甚至未达30%。若调门调校准确,根据汽轮机高压调门流量特性(如图2所示),高压调门开至50%已基本开足,流量达到饱和,这样,就可判断机组负荷不能加满的原因主要是机务问题,应检查汽轮机各主蒸汽门、调门或蒸汽管路上的滤网是否堵塞。

图2 汽轮机高压调门流量特性

从图1可知,TV1的前后压差很大,达9.06MPa,而TV2的前后压差则很小,只有0.18MPa。按理,正常情况下,主蒸汽门全开时,其前、后压差应很小,显然,在排除了左侧测点不准确的可能性后,可认为TV1的状态异常。

3 阀门活动试验

经以上分析确定问题出在左侧阀门组上,但还需进一步确定究竟是主蒸汽门还是调门的问题。因主蒸汽门有滤网而调门无滤网,所以,认为调门堵塞的可能性较小,而主蒸汽门堵塞的可能性较大,也可能是主蒸汽门滤网设计不合理,致使通流量不足。可通过在线活动试验来明确是调门还是主蒸汽门出现问题。

3.1 试验方法

试验时,在汽轮机带负荷的情况下逐个关闭阀门,以检验其工作情况。正常情况下阀门的运动是光滑和自由的,爬行或间断运动则表明轴上可能有积垢。

高、中压调门的在线试验方法是,在被试阀门的阀位控制回路输入端施加一个呈斜坡变化、与开度指令相反的信号,随着试验信号的逐渐增大,阀门逐渐关闭;阀门全部关闭后,阀位行程开关通过逻辑回路使试验信号减小,于是阀门重新开启;试验信号消失后,阀门恢复到原来的开度。采用呈积分变化的试验信号可以避免对汽轮机产生过大的负荷扰动。因2号机组的高、中压主蒸汽门也是调节型的,所以其在线活动试验方法与调门的相似。

阀门在线试验是在汽轮机带负荷运行时进行的,DEH调节系统的负荷控制回路已投入工作,所以被试阀门关闭后,为保证负荷的稳定性,其承担的蒸汽通流量将由其它阀门分担。

汽轮机高压缸有两种进汽方式,即节流调节的全周进汽和喷嘴调节的部分进汽。节流调节全周进汽时,几个高压调门的启、闭同步进行,象单个阀门一样,因此这种进汽方式也称为单阀控制;喷嘴调节部分进汽时,前一个阀门开启至指定开度后,后一个阀门才开始开启,这种进汽方式又称为顺序阀控制。凡存在两种进汽方式的汽轮机,其DEH调节系统要设置阀门管理功能。阀门管理是指对调门两种运行方式的选择和切换。实现阀门管理的方法一般是,在输入至每个高压调门阀位控制回路的开度指令信号上分别叠加不同的偏置信号,以改变阀门的起始位置,每个阀门所加偏置信号的大小应能保证几个高压调门按顺序开启,实现顺序阀控制;当解除偏置信号后,几个调门即可以同步开启和关闭,实现单阀控制。我国新近投产或在建机组的热控系统中大多数都具有DEH调节系统,能很好地对各个阀门的开启进行管理。新机组调试期间通常都采用单阀控制运行方式。

为使汽轮机安全、可靠地运行,试验前应将负荷降至汽轮机厂家推荐的负荷范围内(图3中斜线部分),同时,设定好趋势曲线。主蒸汽门在线活动试验只能在调门是单阀控制形式时才允许进行;

如果在顺序阀控制形式下进行试验,调节级叶片可能应力过大。在单阀控制形式下进行调门在线活动试验,一般不采用最小负荷,其目的是使蒸汽以足够大的速率通过进汽弧段,然后进入调节级喷嘴,从而防止调节级叶片应力过大,同时消除汽轮机被倒拖的可能。在任何一种调门控制形式下进行在线活动试验,如果负荷超过最大推荐负荷,则试验时负荷将下降。在功率出系(MWOUT)时进行试验,不能在一定时间内达到负荷快速反馈,调门不能自动调节到保持负荷不变的开度,负荷可能大幅下降。因此,为了保障汽轮机安全、可靠地运行,试验时应遵循图3推荐的负荷范围。

图3 调门及主蒸汽门活动试验推荐负荷范围

再热进汽门试验可以在不超过最大允许负荷下进行,试验期间负荷减小约2%。

3.2 试验结果分析


图4 2号机组主蒸汽门、调门开启顺序和现场布置图

根据2号机组主蒸汽门、调门的分布情况(如图4所示),与TV1同位于汽轮机左侧的是调门GV1和GV3,于是确定对调门GV1、GV3及主蒸汽门TV1进行在线活动试验。此次阀门在线活动试验所得到的趋势曲线如图5、图6所示。从图5可看出:进行调门活动试验时,当单独关闭GV1或GV3时,TV1后的蒸汽压力都有所提高,且达到TV1前的蒸汽压力值,说明GV1和GV3的活动行程是有效的,其通流性良好;当单独关闭GV1或GV3,而全开另外3个高压调门时,负荷并无变化。


图5 调门GV1和GV3的活动试验记录


图6 主蒸汽门TV1活动试验记录

从图6可看出:进行主蒸汽门TV1活动试验时,当GV1与GV3同时关闭时,由于此时汽轮机只有单侧进汽,使负荷有所下降,但下降得不多,仅下降28MW,说明通过GV1与GV3的流量本来就很少,也就是说,此时TV1的通流量很少,说明TV1堵塞或者阀体开度很小。在机组运行过程中,调试人员通过DEH调节系统的显示屏观察到,TV1开度在100%~97%之间来回摆动,有点不正常,这也表明可能TV1某部位有问题。另外,通过上述试验可看到,试验中当3个非被测调门的开度从70%增大至100%时,负荷一点也不增加,符合图2的调门流量特牲,说明调门调校是准确的。后来,利用停机机会对调门进行实际测量,全开行程为55mm,与厂家提供的数据相符,进一步证实调门调校准确。

4 问题的解决

通过上述分析与试验,找到了出现故障的确切部件后,便停机对2号机组TV1进行解体检查。检查发现主蒸汽门阀蝶螺纹衬套脱开,使阀杆只带动了预启阀,无法带动主阀。于是,重新装配好TV1,再次开机时,高压调门仅需开至43%,机组便能正常带满负荷了,此时TV1前、后的压差与TV2的相等,仅为0.12MPa。此后机组一直正常运行,于2007年6月28日顺利通过168h满负荷试运行,并投入商业运行。

5 结束语

通过这个事件,基建单位应认识到,对机组每一个部件的安装都必须严谨、细致,任何的疏忽都有可能对机组的调试和运行造成不良影响;另外,遇到问题时需冷静,通过正确的试验方法,将查找范围逐步缩小,最终找出问题所在,并加以解决。