某电厂660 MW机组中压缸上下温差异常处理及预防措施

引言

某电厂9号机为东方汽轮机厂制造的超超临界、一次中间再热、单轴、三缸两排汽、直接空冷凝汽式汽轮机,型号为NZK660-28/600/620-1。2019年9月17日机组首次B级 检修前,维持再热蒸汽620℃运行条件下中压缸外上半内壁温度最高不到550℃,下半内壁温度最高不到540℃,内壁上下温差未超过25℃:2019年11月18日B修启动后,机组再热蒸汽温度升至额定温度620℃后,中压外缸进汽室上半内壁温度最高升高至600℃,进汽室下半内壁温度达545～555℃,外缸进汽室内壁上下温差在53℃左右,汽缸温差较检修前增大20～30℃:将机组再热蒸汽温度降至590～600 ℃时 ,汽缸温差可保持在40 ℃以内。本文针对机组结构特征、相关系统运行特性,对汽缸温差超标问题进行分析、处理,总结经验并提出相关优化措施。

1 设备简介

1. 1 中压缸总体结构 9号机中压缸为双层缸结构 ,共计10级通流做功单元,

其中1～3级位于中压内缸处,4～7级位于中压1号隔板套内 ,8～10级位于中压2号隔板套内。机组前端部汽封共计11列汽封圈,其中#1～#2列汽封为端把汽封,悬挂于中压外缸端部外壁:#3～#6列汽封为中压前内汽封一,位于中压外缸内部:#7～#11列汽封为中压前内汽封二,位于中压内缸内部,用于密封中压进汽与中压一级隔板腔室间蒸 汽 。其结构如图1所示。

图1中压进汽插管密封环

1.2中压蒸汽冷却系统工作原理

中压缸再热蒸汽通过进汽管穿过外缸,除外缸与进汽管连接处温度较高外,其余温度相对较低,采用高压缸1段抽汽（抽汽温度约407℃）,通过节流孔板减压后进入中压外缸进汽腔室降低中压外缸处温度,以保证中压进汽腔室内壁温度在530～535℃,最高温度不超过566℃,冷却后的蒸汽由3段抽汽管道流出。具体流程如图2所示。

1.3中压进汽插管密封环工作原理

再热蒸汽由中压外缸间的插管（中压进汽插管）进入中压内缸做功,外缸进汽管道与插管之间设有密封环,防止蒸汽泄漏。中压进汽插管与中压内缸上半水平结合面通过螺栓固定,该插管与外缸配合形成腔室,在腔室内设有密封环 ,避免蒸汽泄漏。中压进汽管密封环采用叠片式密封,密封环分为紧环与松环两种:紧环、松环截面呈"o"型,均为整圈无缺口、无开口形式:密封环与外缸内壁、插管外壁保持较小的圆周径向间隙,建立密封隔离功能:且密封环间保持适当的轴向间隙,以便在汽轮机运行过程中沿轴向滑动,适应内外缸之间的轴向胀差。

2原因分析及处理措施

针对9号机中压外缸进汽室内壁超温原因,主要对设备状态劣化情况及中压蒸汽冷却系统进行检查,分别为:（1）利用2021年B修揭缸后对中压缸内部相关部套性能状态进行检查:（2）检查中压蒸汽冷却系统运行状态。具体检查内容如下:

2.1中压缸内部部套性能检查

主要检查部位(图1):(1）中压进汽管、密封环;(2)中压进汽管法兰结合面;(3)中压内缸水平中分面间隙;(4）中压前内汽封性能情况。

2.1.1中压内缸汽缸严密性检查

对中压内缸严密性进行检查,测量内缸中分面间隙均0.05mm塞尺不入,满足汽缸严密性要求,可排除由内缸中分面泄漏造成汽缸内壁上下温差超标的因素。

2. 1.2中压进汽插管密封环检查

对进汽插管表面涂层、密封环表面检查无损伤,进汽插管与中压内缸结合面0.05mm塞尺不入;但左侧中压进汽插管密封环由上到下间隙分别为0.19/0.29/0.37mm,右侧中压进汽插管密封环由上到下间隙分别为0.20/0.29/0.33mm(设计值:0.017～0.05 mm);中压进汽管密封间隙超标,导致部分蒸汽无法有效密封,该因素为中压外缸进汽室上半内壁温度超标原因之一。

2. 1.3中压前内汽封汽封块性能检查

(1）中压内缸未解体前检查工作:解体中压前内汽封一上半(图1）后,检查#3～#6列汽封圈上半汽封块汽封齿有的被冲刷成锯齿形状,其中#6列汽封圈上部第二道汽封高齿最为严重,汽封块锯齿状与汽流冲刷有关。

(2）在内缸未解体状态下测量中压前内汽封二最外侧汽封齿间隙,即#7列汽封块,敲击汽封前、后,汽封间隙分 别为0.65～2.00mm、0.15～1.00 mm ,汽封块退让间隙分别 为1.45～1.80 mm、2.20～2.50 mm ,上半汽封块膨胀总间隙 分别为4.10 mm、1.50 mm ,汽封块存在未回落现象。

(3）中压内缸解体后相关数据测量:1）径向间隙测量记录:汽封间隙超标主要表现为#3～#10汽封圈左侧间隙偏小 ,右侧间隙偏大,且右侧汽封间隙在1 .00～1 .50 mm。2）周向间隙测量记录:中压前轴封汽封周向间隙超标(设 计0.40～0.90 mm）,实测汽封周向总间隙在1.42～2.70 mm。3)汽封退让间隙记录:中压前轴封汽封退让间隙超标,实测汽封退让间隙在1.50～2.10mm,较设计值2.50～3.00mm 偏小,且内缸段同一圈汽封左右偏差接近1 mm。

根据汽封块工作特性,当汽封间隙超标时,汽封齿腔室的蒸汽节流性能下降,会造成蒸汽泄漏;且汽封块退让间隙偏小、汽封块周向膨胀偏大,也说明了在机组运行过程中汽封块处于非整圆状态,蒸汽由汽封块接口外泄,进一步加大了汽封块密封性能的恶化趋势;结合#3～#6汽封圈汽封块表面呈锯齿状态,判断汽封块工作性能恶化是造成汽缸内壁上下温差超标的主要原因之一。

2. 1.4 处理措施

(1）针对中压进汽插管密封环间隙超标:中压进汽插管密封环返厂加工,复测密封间隙,其中左侧中压进汽插管密封环由上到下间隙分别为0.01～0.08mm、0～0.10mm、0～0.10mm,右侧中压进汽插管密封环由上到下间隙分别为-0.03～0.15mm、0.03～0.09mm、0.02～0.09mm(设计 值 :0 .017～0 .05 mm)。从返修后数据来看 ,密封间隙数据 总体向良好趋势发展,但局部间隙仍超标,考虑到中压进汽管道、插管局部变形,与东汽厂家确认,现状可以满足机组安全运行要求。

(2）针对中压前内汽封体汽封块性能劣化:对中压前内汽封一、中压前内汽封二汽封块径向间隙、周向膨胀间隙、汽封块退让间隙超标缺陷 ,本次检修更换了#3～#11汽封块 ,调整汽封间隙、周向膨胀间隙至合格范围内。另外,此次检修更换了所有汽封块弹簧,以保证汽封块的回弹力。

2.2中压蒸汽冷却系统检查

2021年B级检修启机后,维持再热蒸汽温度在590～600℃时 ,中压外缸进汽室内壁上下温差为25～40℃,汽缸内壁上下温差无明显改善。因此 ,对9、10号机组进行短时间中压蒸汽冷却系统全关实验及各测点温度稳定后重开中压蒸汽冷却系统实验,对比相关参数,以进一步对中压蒸汽冷却系统内部管路分配问题进行诊断和分析,具体实验步骤如下:

(1）将9、10号机组中压进汽参数均稳定在580℃,等待 参数和相关温度测点数据稳定。

(2）完全关停9、10号机组的中压蒸汽冷却系统阀门,消除冷却蒸汽扰动的影响,保持机组稳定运行48h,以保证全部温度测点数据的稳定性,用以评估本次改造后9号机汽缸内部蒸汽泄漏情况;在实验期间,保持中压进汽温度、外缸内壁温度控制在570 ℃。

(3）全开9、10号机组中压蒸汽冷却系统管路阀门,保持该运行状态48h,以保证全部温度测点数据的稳定性,用以观测各测点的变化趋势和变化幅度,用以评估冷却蒸汽对各个测点的影响 ,以分析冷却蒸汽在各个管道内的流动分布情况,评估冷却蒸汽管路是否出现问题或确认问题出现的位置。

2.2. 1 实验结果

(1）全关中压蒸汽冷却系统手动门:2021年4月1日,全关中压蒸汽冷却系统手动门进行对比实验 ,控制9、10号机再热汽温至580℃ ,选取较稳定的4月2日00:00一4月3日18:00时间段做对比,由数据可得:1）再热蒸汽温度:9号机 571～593 ℃ ,10号机567 ～591 ℃ ,数据基本一 致;2）中压 外缸进汽室上半内壁温度:9号机562～566℃,10号机528～535 ℃ ,9号机整体高于10号机27～ 38℃;3）中压外 缸进汽室下半内壁温度:9号机541～551℃,10号机532～535℃ ,9号机整体高于10号机6～19℃;4）中压进汽温度: 9号机545～550 ℃ ,10号机559～563 ℃;5）上下缸温差:9号 机13～18℃,10号机-5～2℃,9号机温差高于10号机11～23℃。

(2）全开中压蒸汽冷却系统手动门:2021年4月3日,全开中压蒸汽冷却系统手动门,4月5日16:00,将再热汽温升至600℃,检查冷却蒸汽对各测点的影响,由数据可得:1）再热蒸汽温度:9号机596～ 605℃ ,10号机596～ 604 ℃ ,数 据基本一致:2）中压外缸进汽室上半内壁温度:9号机556～569℃,10号机529～534℃,9号机整体高于10号机22～40℃:3）中压外缸进汽室下半内壁温度:9号机514～ 516℃, 10号 机506～512 ℃ ,9号机整体高于10号机2～10 ℃:4）中压进 汽温度:9号机492～494 ℃ ,10号机446～462 ℃:5）内壁上 下温差:9号机40～53℃ ,10号机17～28℃ ,9号机温差高 于10号机12～36 ℃ 。

(3）实验结论:通过实验数据可知,全关中压蒸汽冷却系统后9号机中压进汽温度整体低于10号机,全开中压蒸汽冷却系统后9号机中压进汽温度整体高于10号机。另外,全开、全关中压蒸汽冷却系统手动门后 ,通过9号机与10号机中压外缸进汽室内壁上下温差对比可知,全开中压蒸汽冷却门后 ,汽缸上下温差增加1～13℃。因此,可判断9号机中压蒸汽冷却系统管路中冷却蒸汽分配出现异常,相关数据如表1所示(注:9号机温度整体高于10号机）。

2.2.2处理措施

针对中压蒸汽冷却系统管路分配异常,现场通过将中压蒸汽冷却管路所属节流孔板由Φ5mm补充加工至Φ8mm,以增加冷却蒸汽流量。

2.2.3效果检验

加工中压蒸汽冷却管路所属节流孔板后,可将再热蒸 汽温度提高至620 ℃ ,在典型工况下汽缸上下温差在3～8 ℃ , 较未加工节流孔温差下降30～40℃,效果较为明显,具体运行参数如表2所示。

3 优化措施

依据该电厂660MW超超临界汽轮机结构特性及中压冷却蒸汽系统运行状况,从检修过程的工艺手段、系统管路布置两方面进行防范优化,并择机进行实施、改造,具体措施如下:

3.1 汽封间隙调整

汽封间隙偏大、偏小的传统调整方法为汽封块车削背弧、打涨点,但调整量过大容易导致汽封块由"整圆"变为"立椭圆",导致汽封退让间隙、膨胀间隙出现异常,影响汽封块的工作性能。因此,在调整汽封间隙时,应首先保证汽封套洼窝中心在合格范围内。另外,汽封间隙偏小时,建议采用刮齿工艺进行调整,以保证汽封块的"整圆"特性。

3.2取消冷却蒸汽管路逆止阀结构

冷却蒸汽管路逆止阀主要作用在于保证机组运行过程中不会出现3抽蒸汽返流进入冷却蒸汽系统及高压通流。该阀为弹簧结构,机组长周期运行后可能产生卡涩、逆止门开度不稳定、关闭不严等情况,均可能导致冷却蒸汽在各个管路中分布不均匀,与东汽厂家沟通后可以取消该阀门。另外,在机组启动运行操作过程中,可明确要求机组切缸前或带负荷至30%前,全部关闭冷却系统阀门,可达到逆止阀的效果。

3.2冷却蒸汽管路优化布置

目前,冷却蒸汽管路分为两路:左侧上下冷却蒸汽为一路 ,右侧上下冷却蒸汽为一路。优化方案是上半缸两个蒸汽改为一路,下半缸两个蒸汽改为一路,并分别采用相应阀门进行控制,或将4个蒸汽管路均改为单路控制,分别控制后,可依据机组情况进行单项控制,达到降低上下内壁温度和温差的效果。

4 结语

某电厂9号机中压外缸进汽室内壁上下温差偏大是安装、检修及中压冷却蒸汽系统管路流量分配不均综合导致的结果。检修过程中,若忽略对汽封块膨胀间隙、退让间隙的检查 ,将对汽封块密封性能产生致命影响。另外,中压冷却蒸汽系统管路内部的光洁度、管路走向均对系统的运行性能起着重要作用,在机组安装、检修中应重点进行检查、关注。