某電廠660 MW機組中壓缸上下溫差異常處理及預防措施

引言

某電廠9號機為東方汽輪機廠制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機,型號為NZK660-28/600/620-1。2019年9月17日機組首次B級 檢修前,維持再熱蒸汽620℃運行條件下中壓缸外上半內壁溫度最高不到550℃,下半內壁溫度最高不到540℃,內壁上下溫差未超過25℃:2019年11月18日B修啟動后,機組再熱蒸汽溫度升至額定溫度620℃后,中壓外缸進汽室上半內壁溫度最高升高至600℃,進汽室下半內壁溫度達545～555℃,外缸進汽室內壁上下溫差在53℃左右,汽缸溫差較檢修前增大20～30℃:將機組再熱蒸汽溫度降至590～600 ℃時 ,汽缸溫差可保持在40 ℃以內。本文針對機組結構特征、相關系統(tǒng)運行特性,對汽缸溫差超標問題進行分析、處理,總結經(jīng)驗并提出相關優(yōu)化措施。

1 設備簡介

1. 1 中壓缸總體結構 9號機中壓缸為雙層缸結構 ,共計10級通流做功單元,

其中1～3級位于中壓內缸處,4～7級位于中壓1號隔板套內 ,8～10級位于中壓2號隔板套內。機組前端部汽封共計11列汽封圈,其中#1～#2列汽封為端把汽封,懸掛于中壓外缸端部外壁:#3～#6列汽封為中壓前內汽封一,位于中壓外缸內部:#7～#11列汽封為中壓前內汽封二,位于中壓內缸內部,用于密封中壓進汽與中壓一級隔板腔室間蒸 汽 。其結構如圖1所示。

圖1中壓進汽插管密封環(huán)

1.2中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)工作原理

中壓缸再熱蒸汽通過進汽管穿過外缸,除外缸與進汽管連接處溫度較高外,其余溫度相對較低,采用高壓缸1段抽汽（抽汽溫度約407℃）,通過節(jié)流孔板減壓后進入中壓外缸進汽腔室降低中壓外缸處溫度,以保證中壓進汽腔室內壁溫度在530～535℃,最高溫度不超過566℃,冷卻后的蒸汽由3段抽汽管道流出。具體流程如圖2所示。

1.3中壓進汽插管密封環(huán)工作原理

再熱蒸汽由中壓外缸間的插管（中壓進汽插管）進入中壓內缸做功,外缸進汽管道與插管之間設有密封環(huán),防止蒸汽泄漏。中壓進汽插管與中壓內缸上半水平結合面通過螺栓固定,該插管與外缸配合形成腔室,在腔室內設有密封環(huán) ,避免蒸汽泄漏。中壓進汽管密封環(huán)采用疊片式密封,密封環(huán)分為緊環(huán)與松環(huán)兩種:緊環(huán)、松環(huán)截面呈"o"型,均為整圈無缺口、無開口形式:密封環(huán)與外缸內壁、插管外壁保持較小的圓周徑向間隙,建立密封隔離功能:且密封環(huán)間保持適當?shù)妮S向間隙,以便在汽輪機運行過程中沿軸向滑動,適應內外缸之間的軸向脹差。

2原因分析及處理措施

針對9號機中壓外缸進汽室內壁超溫原因,主要對設備狀態(tài)劣化情況及中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)進行檢查,分別為:（1）利用2021年B修揭缸后對中壓缸內部相關部套性能狀態(tài)進行檢查:（2）檢查中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)運行狀態(tài)。具體檢查內容如下:

2.1中壓缸內部部套性能檢查

主要檢查部位(圖1):(1）中壓進汽管、密封環(huán);(2)中壓進汽管法蘭結合面;(3)中壓內缸水平中分面間隙;(4）中壓前內汽封性能情況。

2.1.1中壓內缸汽缸嚴密性檢查

對中壓內缸嚴密性進行檢查,測量內缸中分面間隙均0.05mm塞尺不入,滿足汽缸嚴密性要求,可排除由內缸中分面泄漏造成汽缸內壁上下溫差超標的因素。

2. 1.2中壓進汽插管密封環(huán)檢查

對進汽插管表面涂層、密封環(huán)表面檢查無損傷,進汽插管與中壓內缸結合面0.05mm塞尺不入;但左側中壓進汽插管密封環(huán)由上到下間隙分別為0.19/0.29/0.37mm,右側中壓進汽插管密封環(huán)由上到下間隙分別為0.20/0.29/0.33mm(設計值:0.017～0.05 mm);中壓進汽管密封間隙超標,導致部分蒸汽無法有效密封,該因素為中壓外缸進汽室上半內壁溫度超標原因之一。

2. 1.3中壓前內汽封汽封塊性能檢查

(1）中壓內缸未解體前檢查工作:解體中壓前內汽封一上半(圖1）后,檢查#3～#6列汽封圈上半汽封塊汽封齒有的被沖刷成鋸齒形狀,其中#6列汽封圈上部第二道汽封高齒最為嚴重,汽封塊鋸齒狀與汽流沖刷有關。

(2）在內缸未解體狀態(tài)下測量中壓前內汽封二最外側汽封齒間隙,即#7列汽封塊,敲擊汽封前、后,汽封間隙分 別為0.65～2.00mm、0.15～1.00 mm ,汽封塊退讓間隙分別 為1.45～1.80 mm、2.20～2.50 mm ,上半汽封塊膨脹總間隙 分別為4.10 mm、1.50 mm ,汽封塊存在未回落現(xiàn)象。

(3）中壓內缸解體后相關數(shù)據(jù)測量:1）徑向間隙測量記錄:汽封間隙超標主要表現(xiàn)為#3～#10汽封圈左側間隙偏小 ,右側間隙偏大,且右側汽封間隙在1 .00～1 .50 mm。2）周向間隙測量記錄:中壓前軸封汽封周向間隙超標(設 計0.40～0.90 mm）,實測汽封周向總間隙在1.42～2.70 mm。3)汽封退讓間隙記錄:中壓前軸封汽封退讓間隙超標,實測汽封退讓間隙在1.50～2.10mm,較設計值2.50～3.00mm 偏小,且內缸段同一圈汽封左右偏差接近1 mm。

根據(jù)汽封塊工作特性,當汽封間隙超標時,汽封齒腔室的蒸汽節(jié)流性能下降,會造成蒸汽泄漏;且汽封塊退讓間隙偏小、汽封塊周向膨脹偏大,也說明了在機組運行過程中汽封塊處于非整圓狀態(tài),蒸汽由汽封塊接口外泄,進一步加大了汽封塊密封性能的惡化趨勢;結合#3～#6汽封圈汽封塊表面呈鋸齒狀態(tài),判斷汽封塊工作性能惡化是造成汽缸內壁上下溫差超標的主要原因之一。

2. 1.4 處理措施

(1）針對中壓進汽插管密封環(huán)間隙超標:中壓進汽插管密封環(huán)返廠加工,復測密封間隙,其中左側中壓進汽插管密封環(huán)由上到下間隙分別為0.01～0.08mm、0～0.10mm、0～0.10mm,右側中壓進汽插管密封環(huán)由上到下間隙分別為-0.03～0.15mm、0.03～0.09mm、0.02～0.09mm(設計 值 :0 .017～0 .05 mm)。從返修后數(shù)據(jù)來看 ,密封間隙數(shù)據(jù) 總體向良好趨勢發(fā)展,但局部間隙仍超標,考慮到中壓進汽管道、插管局部變形,與東汽廠家確認,現(xiàn)狀可以滿足機組安全運行要求。

(2）針對中壓前內汽封體汽封塊性能劣化:對中壓前內汽封一、中壓前內汽封二汽封塊徑向間隙、周向膨脹間隙、汽封塊退讓間隙超標缺陷 ,本次檢修更換了#3～#11汽封塊 ,調整汽封間隙、周向膨脹間隙至合格范圍內。另外,此次檢修更換了所有汽封塊彈簧,以保證汽封塊的回彈力。

2.2中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)檢查

2021年B級檢修啟機后,維持再熱蒸汽溫度在590～600℃時 ,中壓外缸進汽室內壁上下溫差為25～40℃,汽缸內壁上下溫差無明顯改善。因此 ,對9、10號機組進行短時間中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)全關實驗及各測點溫度穩(wěn)定后重開中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)實驗,對比相關參數(shù),以進一步對中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)內部管路分配問題進行診斷和分析,具體實驗步驟如下:

(1）將9、10號機組中壓進汽參數(shù)均穩(wěn)定在580℃,等待 參數(shù)和相關溫度測點數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

(2）完全關停9、10號機組的中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)閥門,消除冷卻蒸汽擾動的影響,保持機組穩(wěn)定運行48h,以保證全部溫度測點數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,用以評估本次改造后9號機汽缸內部蒸汽泄漏情況;在實驗期間,保持中壓進汽溫度、外缸內壁溫度控制在570 ℃。

(3）全開9、10號機組中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)管路閥門,保持該運行狀態(tài)48h,以保證全部溫度測點數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,用以觀測各測點的變化趨勢和變化幅度,用以評估冷卻蒸汽對各個測點的影響 ,以分析冷卻蒸汽在各個管道內的流動分布情況,評估冷卻蒸汽管路是否出現(xiàn)問題或確認問題出現(xiàn)的位置。

2.2. 1 實驗結果

(1）全關中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)手動門:2021年4月1日,全關中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)手動門進行對比實驗 ,控制9、10號機再熱汽溫至580℃ ,選取較穩(wěn)定的4月2日00:00一4月3日18:00時間段做對比,由數(shù)據(jù)可得:1）再熱蒸汽溫度:9號機 571～593 ℃ ,10號機567 ～591 ℃ ,數(shù)據(jù)基本一 致;2）中壓 外缸進汽室上半內壁溫度:9號機562～566℃,10號機528～535 ℃ ,9號機整體高于10號機27～ 38℃;3）中壓外 缸進汽室下半內壁溫度:9號機541～551℃,10號機532～535℃ ,9號機整體高于10號機6～19℃;4）中壓進汽溫度: 9號機545～550 ℃ ,10號機559～563 ℃;5）上下缸溫差:9號 機13～18℃,10號機-5～2℃,9號機溫差高于10號機11～23℃。

(2）全開中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)手動門:2021年4月3日,全開中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)手動門,4月5日16:00,將再熱汽溫升至600℃,檢查冷卻蒸汽對各測點的影響,由數(shù)據(jù)可得:1）再熱蒸汽溫度:9號機596～ 605℃ ,10號機596～ 604 ℃ ,數(shù) 據(jù)基本一致:2）中壓外缸進汽室上半內壁溫度:9號機556～569℃,10號機529～534℃,9號機整體高于10號機22～40℃:3）中壓外缸進汽室下半內壁溫度:9號機514～ 516℃, 10號 機506～512 ℃ ,9號機整體高于10號機2～10 ℃:4）中壓進 汽溫度:9號機492～494 ℃ ,10號機446～462 ℃:5）內壁上 下溫差:9號機40～53℃ ,10號機17～28℃ ,9號機溫差高 于10號機12～36 ℃ 。

(3）實驗結論:通過實驗數(shù)據(jù)可知,全關中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)后9號機中壓進汽溫度整體低于10號機,全開中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)后9號機中壓進汽溫度整體高于10號機。另外,全開、全關中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)手動門后 ,通過9號機與10號機中壓外缸進汽室內壁上下溫差對比可知,全開中壓蒸汽冷卻門后 ,汽缸上下溫差增加1～13℃。因此,可判斷9號機中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)管路中冷卻蒸汽分配出現(xiàn)異常,相關數(shù)據(jù)如表1所示(注:9號機溫度整體高于10號機）。

2.2.2處理措施

針對中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)管路分配異常,現(xiàn)場通過將中壓蒸汽冷卻管路所屬節(jié)流孔板由Φ5mm補充加工至Φ8mm,以增加冷卻蒸汽流量。

2.2.3效果檢驗

加工中壓蒸汽冷卻管路所屬節(jié)流孔板后,可將再熱蒸 汽溫度提高至620 ℃ ,在典型工況下汽缸上下溫差在3～8 ℃ , 較未加工節(jié)流孔溫差下降30～40℃,效果較為明顯,具體運行參數(shù)如表2所示。

3 優(yōu)化措施

依據(jù)該電廠660MW超超臨界汽輪機結構特性及中壓冷卻蒸汽系統(tǒng)運行狀況,從檢修過程的工藝手段、系統(tǒng)管路布置兩方面進行防范優(yōu)化,并擇機進行實施、改造,具體措施如下:

3.1 汽封間隙調整

汽封間隙偏大、偏小的傳統(tǒng)調整方法為汽封塊車削背弧、打漲點,但調整量過大容易導致汽封塊由"整圓"變?yōu)?立橢圓",導致汽封退讓間隙、膨脹間隙出現(xiàn)異常,影響汽封塊的工作性能。因此,在調整汽封間隙時,應首先保證汽封套洼窩中心在合格范圍內。另外,汽封間隙偏小時,建議采用刮齒工藝進行調整,以保證汽封塊的"整圓"特性。

3.2取消冷卻蒸汽管路逆止閥結構

冷卻蒸汽管路逆止閥主要作用在于保證機組運行過程中不會出現(xiàn)3抽蒸汽返流進入冷卻蒸汽系統(tǒng)及高壓通流。該閥為彈簧結構,機組長周期運行后可能產(chǎn)生卡澀、逆止門開度不穩(wěn)定、關閉不嚴等情況,均可能導致冷卻蒸汽在各個管路中分布不均勻,與東汽廠家溝通后可以取消該閥門。另外,在機組啟動運行操作過程中,可明確要求機組切缸前或帶負荷至30%前,全部關閉冷卻系統(tǒng)閥門,可達到逆止閥的效果。

3.2冷卻蒸汽管路優(yōu)化布置

目前,冷卻蒸汽管路分為兩路:左側上下冷卻蒸汽為一路 ,右側上下冷卻蒸汽為一路。優(yōu)化方案是上半缸兩個蒸汽改為一路,下半缸兩個蒸汽改為一路,并分別采用相應閥門進行控制,或將4個蒸汽管路均改為單路控制,分別控制后,可依據(jù)機組情況進行單項控制,達到降低上下內壁溫度和溫差的效果。

4 結語

某電廠9號機中壓外缸進汽室內壁上下溫差偏大是安裝、檢修及中壓冷卻蒸汽系統(tǒng)管路流量分配不均綜合導致的結果。檢修過程中,若忽略對汽封塊膨脹間隙、退讓間隙的檢查 ,將對汽封塊密封性能產(chǎn)生致命影響。另外,中壓冷卻蒸汽系統(tǒng)管路內部的光潔度、管路走向均對系統(tǒng)的運行性能起著重要作用,在機組安裝、檢修中應重點進行檢查、關注。