S109FA燃气-蒸汽轮机温态启动失败分析与防范措施

万志勇

(江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213011)

0 引言

某公司引进了2套390 MW美国GE公司S109FA型燃气-蒸汽联合循环发电机组。调试初期曾发生机组在温态启动时3X轴振异常增大现象。当机组升速至1 600 r/min时，#3瓦的3X轴振由0.05 mm急速上升至0.15 mm(GE公司MARK Ⅵ控制系统中跳机保护定值规定：#1～#8 X/Y方向任一轴振达0.228 6 mm，延时1 s跳机)，立即手动操作控制台“紧急停机”按钮，燃机跳闸，机组启动不成功。

该情况给机组安全运行带来了极大隐患，公司进行隐患排查分析，并采取相应措施，取得了良好效果。本文对排查过程进行了详细阐述。

1 运行方式简介

燃气-蒸汽联合循环发电机组具有效率高、启停快、调峰性能高、滑参数运行等特点，既能携带基本负荷也能携带中间负荷，一般被电网调度作为调峰机组使用。作为调峰机组，燃气-蒸汽轮机昼行夜伏，启动方式基本为热态启动，温态或冷态启动几率较小[1]。

2 机组特点

为满足燃气-蒸汽联合循环发电机组的调峰性能，汽轮机设计理念倾向于满足快速启停需要，不设置抽气口，汽缸对称布置。为满足快速启停要求，防止快速启动时由于膨胀不同步而引起的动静间碰撞或摩擦，应较常规机组适当放大通流部分、轴封及油封档处的轴向动静间隙。汽轮机采用全周进汽、无调节级、运行时调阀全开，以减小上、下缸温差，使温度分布均匀。

燃气-蒸汽联合循环发电机组以往以热态启动居多，均未发现有轴振异常变大现象。冷态启动次数不多，也未发生此异常现象。此次启动失败发生在机组停运投入盘车后60 h，缸温为337 ℃，在温态启动范围(GE公司运行规范规定高、中压缸上缸内壁温度在204～371 ℃或机组停运时间在48～72 h之间为温态启动)。

3 问题分析

3.1 运行操作分析

检查启动失败机组启动前的参数：燃气轮机轮间温度最高点99 ℃；汽机高压缸上壁温度337 ℃，高压缸下壁温度296 ℃；中压缸上壁温度326 ℃，中压缸下壁温度248 ℃；#1轴向位移为0.1 mm；#2轴向位移为0.06 mm；#1差胀为-0.78 mm；#2差胀为-1.46 mm；大轴偏心值为0.03 mm；高中压缸缸胀为17.6 mm；轴膨胀量为23.06 mm。启动前高、中压缸上下温差较大，分别为41 ℃和48 ℃。

分析停机过程中的主、再热蒸汽温降情况，检查发现主、再热蒸汽温度调节选用自动逻辑运行且温度调节正常；检查停机后是否有异常水、汽进入汽缸，凝汽器水位是否有异常升高，主/再热/低压汽阀、旁路阀、旁路预暖阀、轴封手动门等是否内漏以及机组盘车运行情况，经检查上述内容均正常；检查启动操作中轴封投用步骤、顺序、辅汽温度与压力，均按操作票正常完成；最后检查启动前余热锅炉、汽机管道及本体疏水开启情况，也均正常。

《××电厂运行规程》6.1.15 条“机组禁止启动条件”规定：汽机高、中压缸内壁上、下金属温度差大于50 ℃禁止启动。根据启动前参数可以看出汽机上下缸温差较大，特别是中压缸上、下缸温差达48 ℃，虽然满足启动条件，却是这次机组启动中#3瓦轴振动突升的主要原因。

图1 S109FA机组系统简图

利用邻机调停时间观察缸温下降情况，尤其是高、中压上下缸温变化情况。通过观察发现机组停运投入盘车12 h后，上、下缸温差呈现剪刀差现象并逐步变大。在机组停运54～60 h时，上、下缸温差最大。尤其是中压缸上、下缸温差接近50 ℃。而后剪刀差又逐步缩小，至68 h后上、下缸温度下降速率接近同步。

3.2 系统布置简介

S109FA燃气-蒸汽联合循环机组为单轴布置，如图1所示：整台机组在同一轴系运行，共有八个轴承支撑，从左起依次为#2、#1、#3、#4、#5、#6、#7、#8轴承，分别支撑燃机与压气机、高中压缸、低压缸、发电机。

汽轮机为D10型、三压、中间再热、单轴、冲动式无抽汽纯凝式机组。汽轮机高、中压合缸，通流部分反向布置，高压缸有12个压力级，中压缸有9个压力级。其后有来自余热锅炉低压过热蒸汽的进汽，该蒸汽与中压缸排汽相混合，共同流入低压缸。低压缸为双流程向下排汽形式，每个流程有6个压力级，共12级。

由于机组采用单轴布置，在燃气轮机启动时，汽轮机转子随之转动。随着转速的提高，汽轮机鼓风热量增加，汽轮机冲转至2 250 r/min，MARK Ⅵ 控制逻辑打开低压进汽调门，引入辅助冷却蒸汽来冷却低压通流部分。冷却蒸汽进入低压主汽管后分两路：一路经低压主汽调门进入低压缸，冷却低压转子后进入凝汽器；一路经中低压蒸汽联通管逆流进入中压缸，其中一部分蒸汽冷却中压通流部分后经中压缸发散阀(IEV)进入凝汽器，另有一小部分蒸汽由于高中压合缸，进入高压汽缸，冷却高压通流部分后经高压缸发散阀(HEV)进入凝汽器。

3.3 系统布置分析

为减小高、中压缸上、下缸温差，首先对高、中压缸的保温进行加厚处理以减小汽缸散热，并采取延长汽机送轴封蒸汽、抽真空检验时间。发现温差虽有所改善，但效果不明显。

继续检查系统，发现停机后高、中压缸发散阀处于开启状态。高、中压缸发散阀位于高、中压缸底部，管道连通至凝汽器且管径较粗。停机初期，主汽调门关闭，此二阀开启通风降温以减少鼓风热量对叶片的影响，产生类似于缸体疏水门的作用，能够顺带排出停机过程中因主蒸汽压力、温度下降产生的疏水，对改善高、中压缸上、下缸温差是有益的。此二阀因通向凝汽器使高、中压汽缸底部与大气相通。由于下汽缸散热面积大、散热快，停机时间稍长便易造成高、中压汽缸上下温差大。

4 采取措施及验证

综上分析，决定采取以下措施：停机、破真空、停轴封后，强制关闭高、中压缸发散阀来改善高、中压缸上、下缸温差；在停机初期，高、中压缸发散阀在高压调门关闭后，自动逻辑打开通风降温；停轴封投入盘车后即手动关闭高、中压缸发散阀，利用闷缸原理，用高、中压汽缸缸体的蓄热来均衡高、中压汽缸上、下缸温度，使得停机后的高、中压缸上、下缸温差得到有效控制，避免机组启动中的振动过大。

由于高、中压缸发散阀的启闭逻辑均为MARK Ⅵ 操作系统控制，在MARK Ⅵ 操作界面“Steam”页面中增添“EV Mode”模块，可以操作两阀。在停机、破真空、停轴封后通过操作模块中的“Manual Close”键来手动强制关闭高、中压缸发散阀。正常机组运行中该模块中“Auto”键黄灯亮。

为防止运行中误操作高、中压缸发散阀，在MARK Ⅵ 逻辑中加以限制。只有在机组主保护信号L4动作后，“EV Mode”模块才能激活操作。为了防止机组启动时高、中压缸发散阀未开，将开阀作为启机前的必要条件。在MARK Ⅵ 操作系统“ST Start Permits”页面中增加“HP/IP Evacuation Valves(高、中压缸发散阀)”，状态必须为“Valves must be open(阀门必须开启)”。

采取以上措施后，观察停机后的缸温变化情况，停机56 h后，高、中压汽缸上下缸温差达到最大，分别为12 ℃、21 ℃。高、中压缸上下温差得到极大改善。在机组温态启动试验中，3X轴振稳稳地控制在0.08 mm内，完全达到了隐患整改的目的，为启动成功率提供了坚实的保障，保证了机组的安全与经济效益。

验证成功后对《××电厂运行规程》停机后工作进行以下修正。

8.1.37机组真空至0，关闭轴封进汽调门，停用轴封风机，关闭轴封进汽手动门。

8.1.38机组转速至0，检查盘车自动投用正常(否则，应立即手动投入盘车)，润滑油温定值降至26～32 ℃，记录偏心值和盘车电流。

8.1.39关闭余热锅炉烟气挡板，注意汽包压力上升情况。

8.1.40关闭高、中压缸放散阀(HEV、IEV)。

对《运行规程》启动前准备工作进行以下修正。

6.4.60将高、中压缸发散阀(HEV、IEV)自动投入，查阀门自动开启、状态指示正常。

5 结论

针对温态启动中发生的轴振异常增大情况采取停机、破真空、停轴封后即强制关闭高、中压缸发散阀(HEV、IEV)以及对高、中压缸保温进行加厚处理等一系列改进措施，使得停机后的高、中压缸上下缸温差得到有效控制，避免了机组温态启动中轴振过大现象的发生。