某超超临界机组高压缸切除事件分析与处理

袁岑颉，王异成，马 宁，丁 宁，张 维

（1.浙江浙能嘉华发电有限公司，浙江 嘉兴 314201；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

汽轮机从挂闸冲转到并网带初负荷是一个极其复杂的过程，主要通过汽轮机高调门、中调门、高排逆止阀、高排通风阀和高压旁路阀等执行机构的配合完成。汽轮机冲转时，上汽超超临界机组DEH（数字电液控制）系统通过转速回路的作用将转速目标指令转换为流量指令分配至高调门和中调门，实现转速的精准控制[1]。

在汽轮机冲转期间，为了防止汽流倒流至高压缸，高排逆止阀处于指令关闭状态，进气电磁阀失电。当机组带10%负荷后，进气电磁阀得电，高排逆止阀开启。但是由于该类型阀门的特殊构造，当高排压力高于冷再压力一定值时，同样能够将逆止阀顶开至一定开度。高排通风阀则不参与机组启动，只有在正常运行中发生汽轮机跳闸或高压缸叶片保护动作时，主汽门、高调门处于关闭状态，高压缸不再进汽，高排通风阀自动开启。高压旁路阀在汽轮机冲转期间一般投入旁路自动，采用定压模式控制主蒸汽压力，随着汽轮机逐渐进汽，旁路自动关小[2]。

1 机组高压缸叶片保护

为了限制高压缸叶片的热应力，保护高压缸叶片，上汽超超临界机组设置了高压缸叶片保护功能[3]。该保护的设置方法为：采用高压缸12级后叶片温度与高压缸转子温度所对应的函数进行偏差比较，函数F（x）如表1所示。

表1 高压缸转子温度函数F（x）

当高压缸12级后叶片温度和高压缸转子温度函数两者偏差小于15℃时，关闭主汽门、高调门与高排逆止阀，开启高排通风阀，高压缸处于切除状态；两者偏差小于0℃时，触发汽轮机ETS（汽轮机紧急跳闸系统）保护，汽轮机遮断[4]。

如图1所示，为了使高压缸12级后叶片温度处在允许区域，上汽超超临界机组在DEH中还设置HATR（高压缸叶片温度控制器）。该控制器通过高压缸/中压缸修正功能，适当调整高调门和中调门的开度，来保证高压缸在任何不稳定状态运行过程中（如甩负荷、启动和停机期间）叶片温度不超过允许值[5]。当叶片温度超过了可变的设定值，采用HATR来减少中调门的开度，从而增加高调门的开度，增加高压缸的进汽量。

图1 高压缸转子温度与叶片温度的限制曲线

如图2所示，高压缸叶片温度控制器是一个PI（比例-积分）调节器，高压缸12级后叶片温度和高压缸转子温度对应函数值的偏差作为控制器的输入，调节器为双向限幅，调节器输出送至OSB（进汽量设定）[6]。当叶片温度升高，偏差增大，OSB送给中调门的指令中会减去温度控制器的输出，从而关小中调门，达到增加高压缸进汽量的目的[7]。当高压叶片温度在允许范围时，温度控制器不起作用， 输出为“0”。

图2 高压缸叶片温度控制器原理

2 高压缸切除事件分析

2.1 事件经过与处理过程

2017年11月4号，某发电厂1号机组整套启动期间，转速3 009 r/min，主汽压5.36 MPa，主汽温 536℃。 22：03：09， 高压缸叶片 12级后温度与高压缸转子温度函数值偏差小于15℃，高压缸切除保护触发。如图3所示，高压缸切缸保护触发后，同时关闭主汽门、高调门与高排逆止阀，联锁开启高排通风阀，高压缸被切除，此时高压缸不再进汽。

图3 高压叶片温度过高导致高压缸切除

高压缸切除保护触发前，高压缸叶片12级后温度的升高导致HATR输出不断增加，该控制器输出会作用到中调门，降低中调门的开度来增加高调门的开度，增加高压缸的进汽量。如图4所示，由于高排温度控制器输出不断增加，中调门开度不断减小，为了保持转速稳定，NPR（转速负荷控制器）输出不断增加，在第1点时，转速负荷控制器NPR输出和汽轮机启动装置TAB输出发生了第一次切换。如图5所示，上汽超超临界机组DEH控制采用中央小选控制，即TAB输出、NPR输出、YFDPR（主蒸汽压力控制）输出3路进行小选比较后形成有效的OSB作用到汽机调门上[8]。此时TAB输出小于NPR输出并接管控制，DEH转速控制回路不再起作用，转速开始波动，无法维持在3 009 r/min。

图4 汽轮机转速失控前后的趋势

图5 DEH三路小选功能

在主蒸汽温度不断攀升的同时，由于高压旁路阀位的较大开度导致高排逆止阀后压力大于阀前压力，在前后差压的作用下高排逆止阀被关小，导致高压缸叶片12级后温度持续上升，期间高排温度保护动作，切除高压缸，高排温度控制器输出仍然不断增加，最终导致在高压缸被切除的情况下，中调门开度持续减小，最终导致转速失控，转速最低降至2 500 r/min左右。

由于转速的持续波动可能会导致转子进入共振区，严重威胁机组的安全，而此时的高压缸叶片温度控制器在高压缸切除的情况下已经失去了原有设计的保护意义，因此运行操作人员手动切除了高排温度控制器[9]。在高排温度控制器切除时，中调门快速开启，NPR输出快速降低，如图4所示，在第2点时，NPR输出和TAB输出发生了第二次切换，DEH转速控制回路再次起作用，转速恢复3 009 r/min稳定运行。高压缸切除后，高压缸叶片12级后温度慢慢降低，待温度降低至报警值以下时，运行操作人员在DEH画面上投入了高压缸投缸顺控，在顺控逻辑的作用下，高压缸调门慢慢开启，高压缸恢复了进汽。

2.2 原因分析

调阅趋势记录后发现，1号机组在汽轮机冲转期间曾有2次大幅度加煤的过程，如图6所示，燃料量短时间内的快速增加，导致主蒸汽温度快速上升。在高压缸保护动作前，由于汽轮机此时处于空载状态，高排逆止阀、高排通风阀均处于关闭状态，主汽温的上升直接带动高压缸叶片12级后温度的上升，最终高压缸叶片12级后温度超过500℃，到达切缸保护值，发生高压缸切除保护动作时，主蒸汽温度最高达到了536℃。因此主蒸汽温度的超温是本次事故的直接原因。高压缸转子未暖透导致高压转子温度过低同样会增加高压缸切除的风险，但是本次事故中高压缸转子温度已经达到了450℃，因此不存在高压缸转子未暖透导致高压缸切缸的情况[10]。

除此之外，高排逆止阀前压力上升导致的汽轮机鼓风也是本次事件的原因之一。虽然上汽超超临界机组设计为闷缸启动，汽轮机冲转期间高排逆止阀和高排逆止阀均处于指令强制关闭状态，但在实际冲转过程中，高排逆止阀在前后差压的作用下会略微开启，这部分开度使高压缸存在一定的通流量，从而降低末级叶片的温度[11]。此次切缸前高压旁路处于手动控制，未投入旁路自动，较大的开度导致高排逆止阀后压力较逆止阀前压力高了约0.5 MPa。高排逆止阀在前后压差的作用下被关小，高压缸排汽受阻，高排逆止阀前压力上升，高压缸排汽量减少，导致高压缸末级叶片鼓风所产生的热量无法及时被足够的排汽携带走，最终造成高压缸末级叶片温度快速上升[12]。从图6可以看出，在高压缸保护动作前，高排逆止阀前压力确实有明显的上升过程。

本次事故中主蒸汽压力仅为5.36 MPa，低于额定的冲转压力，导致高压缸排汽压力过低无法顶开高排逆止阀，间接导致汽轮机通流量减小。同时，主蒸汽压力过低导致机组在冲转期间NPR输出较大，当高排温度控制器起作用时加速了NPR和TAB的切换，影响机组转速控制。

图6 导致高压缸切除的因素

3 防范与优化措施

根据事件分析结果提出以下措施：

（1）汽轮机冲转期间加强对主蒸汽温度的控制，严格按照冲转要求控制主蒸汽温度，防止发生由于主蒸汽温度超过冲转温度合理范围导致的高压缸切除事件。上汽超超临界机组合理冲转压力区间为6.5～8.5 MPa，合理冲转温度区间为450～460℃[13]。

（2）合理进行高、低压旁路阀的控制，在确保冲转期间主蒸汽压力稳定的同时，高旁阀后压力略小于高排逆止阀前压力有利于高压缸的通流，降低汽轮机鼓风的风险，从而防止汽轮机末级叶片超温[14]。

（3）如果在机组启动冲转期间出现了高压缸叶片12级后温度快速上升的情况，运行操作人员可以在保证高旁阀后压力小于高排逆止阀前压力的前提下，手动使高排逆止阀进气电磁阀带电，通过开启高排逆止阀来增加汽轮机通流量，从而降低高压缸切缸风险。同时考虑对凝汽器冲击较大等原因，不建议通过手动方法开启高排通风阀。

（4）上汽超超临界机组DEH系统在控制逻辑设计上存在不完善，高压缸叶片温度控制器在高压缸切除、高调门保护全关时已经失去了原有的作用[15]，无法再通过降低中调门开度的方法来增加高调门的开度，进而增加高压缸的进汽量。经过论，决定对上汽DEH系统控制逻辑进行完善，增加闭锁逻辑，当高压缸保护切除时，自动撤出高压缸叶片温度控制器。当高压缸投入后，运行人员需手动投入高压缸叶片温度控制器。

4 结语

汽轮机高压缸切除事故严重威胁机组的安全稳定运行，同时会对汽轮机叶片造成不同程度的影响，因此要尽量避免发生此类事故。通过合理控制汽轮机冲转参数，调整好旁路开度，能够降低高压缸切除的风险，通过逻辑优化能够避免高压缸切除时高压缸叶片温度控制器仍然起作用的问题。