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(nèi)壁溫度最高不到550℃,下半內(nèi)壁溫度最高不到540℃,內(nèi)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(nèi)壁溫度最高升高至600℃,進汽室下半內(nèi)壁溫度達(dá)545～555℃,外缸進汽室內(nèi)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(nèi)。本文針對機組結(jié)構(gòu)特征、相關(guān)系統(tǒng)運行特性,對汽缸溫差超標(biāo)問題進行分析、處理,總結(jié)經(jīng)驗并提出相關(guān)優(yōu)化措施。

1 設(shè)備簡介

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

其中1～3級位于中壓內(nèi)缸處,4～7級位于中壓1號隔板套內(nèi) ,8～10級位于中壓2號隔板套內(nèi)。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(nèi)汽封一,位于中壓外缸內(nèi)部:#7～#11列汽封為中壓前內(nèi)汽封二,位于中壓內(nèi)缸內(nèi)部,用于密封中壓進汽與中壓一級隔板腔室間蒸 汽 。其結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)缸做功,外缸進汽管道與插管之間設(shè)有密封環(huán),防止蒸汽泄漏。中壓進汽插管與中壓內(nèi)缸上半水平結(jié)合面通過螺栓固定,該插管與外缸配合形成腔室,在腔室內(nèi)設(shè)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(nèi)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(dāng)?shù)妮S向間隙,以便在汽輪機運行過程中沿軸向滑動,適應(yīng)內(nèi)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(nèi)壁超溫原因,主要對設(shè)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(nèi)部相關(guān)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(nèi)容如下:

2.1中壓缸內(nèi)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(jié)合面;(3)中壓內(nèi)缸水平中分面間隙;(4）中壓前內(nèi)汽封性能情況。

2.1.1中壓內(nèi)缸汽缸嚴(yán)密性檢查

對中壓內(nèi)缸嚴(yán)密性進行檢查,測量內(nèi)缸中分面間隙均0.05mm塞尺不入,滿足汽缸嚴(yán)密性要求,可排除由內(nèi)缸中分面泄漏造成汽缸內(nèi)壁上下溫差超標(biāo)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(nèi)缸結(jié)合面0.05mm塞尺不入;但左側(cè)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(cè)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(shè)計值:0.017～0.05 mm);中壓進汽管密封間隙超標(biāo),導(dǎo)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(nèi)壁溫度超標(biāo)原因之一。

2. 1.3中壓前內(nèi)汽封汽封塊性能檢查

(1）中壓內(nèi)缸未解體前檢查工作:解體中壓前內(nèi)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(yán)重,汽封塊鋸齒狀與汽流沖刷有關(guān)。

(2）在內(nèi)缸未解體狀態(tài)下測量中壓前內(nèi)汽封二最外側(cè)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(nèi)缸解體后相關(guān)數(shù)據(jù)測量:1）徑向間隙測量記錄:汽封間隙超標(biāo)主要表現(xiàn)為#3～#10汽封圈左側(cè)間隙偏小 ,右側(cè)間隙偏大,且右側(cè)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(biāo)(設(shè) 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(biāo),實測汽封退讓間隙在1.50～2.10mm,較設(shè)計值2.50～3.00mm 偏小,且內(nèi)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(dāng)汽封間隙超標(biāo)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(jié)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(nèi)壁上下溫差超標(biāo)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(biāo):中壓進汽插管密封環(huán)返廠加工,復(fù)測密封間隙,其中左側(cè)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(cè)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(shè)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(biāo),考慮到中壓進汽管道、插管局部變形,與東汽廠家確認(rèn),現(xiàn)狀可以滿足機組安全運行要求。

(2）針對中壓前內(nèi)汽封體汽封塊性能劣化:對中壓前內(nèi)汽封一、中壓前內(nèi)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(biāo)缺陷 ,本次檢修更換了#3～#11汽封塊 ,調(diào)整汽封間隙、周向膨脹間隙至合格范圍內(nèi)。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(nèi)壁上下溫差為25～40℃,汽缸內(nèi)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(guān)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(guān)參數(shù),以進一步對中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)內(nèi)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(guān)溫度測點數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

(2）完全關(guān)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(nèi)部蒸汽泄漏情況;在實驗期間,保持中壓進汽溫度、外缸內(nèi)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(nèi)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(rèn)問題出現(xiàn)的位置。

2.2. 1 實驗結(jié)果

(1）全關(guān)中壓蒸汽冷卻系統(tǒng)手動門:2021年4月1日,全關(guān)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)論:通過實驗數(shù)據(jù)可知,全關(guān)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(guān)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(nèi)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(guān)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(jié)構(gòu)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(diào)整

汽封間隙偏大、偏小的傳統(tǒng)調(diào)整方法為汽封塊車削背弧、打漲點,但調(diào)整量過大容易導(dǎo)致汽封塊由"整圓"變?yōu)?立橢圓",導(dǎo)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(diào)整汽封間隙時,應(yīng)首先保證汽封套洼窩中心在合格范圍內(nèi)。另外,汽封間隙偏小時,建議采用刮齒工藝進行調(diào)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu),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(guān)閉不嚴(yán)等情況,均可能導(dǎo)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(fù)荷至30%前,全部關(guān)閉冷卻系統(tǒng)閥門,可達(dá)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(cè)上下冷卻蒸汽為一路 ,右側(cè)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(yīng)閥門進行控制,或?qū)?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(dá)到降低上下內(nèi)壁溫度和溫差的效果。

4 結(jié)語

某電廠9號機中壓外缸進汽室內(nèi)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(dǎo)致的結(jié)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(nèi)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(yīng)重點進行檢查、關(guān)注。