西门子超超临界汽轮机问题分析与改进

　　1主汽门结构与材料问题

　　1.1左右主汽门载荷不均

　　汽轮机的高压缸为圆筒形结构，左右主汽门卧式对称布置在高压缸两侧，通过大型罩螺母直接与高压缸连接，中间没有导汽管，主汽门通过弹簧支座支撑。汽轮机带负荷后，特别是在达到高负荷参数后，出现了左右主汽门一侧抬升，另一侧下降的现象。某电厂百万机组汽轮机在首次启动调试时发现负荷达到800MW以上时，根据主汽门弹簧支座指示器的数值，出现右侧主汽门抬升，左侧主汽门下降，两侧主汽门高低变化相差10mm的现象，右侧主汽门抬升后造成下部的垫片受力很小甚至发生滑移，并引起高压缸右侧猫爪防跳压块顶部间隙消失的现象，直接影响到汽轮机内部的同流间隙，对机组的安全运行构成威胁。

　　分析有以下几方面原因：(1)主蒸汽管道及高压排汽管道单侧布置，均位于汽轮机一侧或转向同一侧，机组运行时管道的膨胀和应力除限位装置承受以及管道自身吸收外，仍有一部分被传递到主汽门和高压缸上;(2)从锅炉过来的两根主蒸汽管道长度不一，膨胀量不同，极易对汽轮机造成侧向应力;(3)在运行中，锅炉左右侧主蒸汽的温度有偏差，也造成主蒸汽的管道膨胀量不一样，进而影响管道应力;(4)基建安装中存在的偏差及应力，如主汽门安装时标高差，主蒸汽管道的焊接应力，管道支架调整后的应力等，均会对汽轮机左右侧载荷造成不利的影响。相对于汽轮机轴线，这些应力会转化为力矩，最后作用在气缸和主汽门上，造成左右汽门载荷不均匀。同理中压主汽门也一样。

　　解决措施：(1)重视所有与汽轮机连接管道的设计和布置，防止管道应力传递到汽轮机上，特别需要计算热态时管道应力对汽轮机的影响;(2)保证管道的安装与焊接质量，尤其是限位装置以及支吊架的安装与调整，除了冷态调整外，在机组带负荷后必须进行热态调整;(3)运行过程中注意锅炉两侧主蒸汽温度的偏差。

　　安装时，气缸立销和猫爪防跳块的安装十分重要，特别是压块顶部防跳间隙的调整，必须控制在设计范围内。

　　1.2中压主汽门螺栓断裂

　　在中调门与中主门阀壳与阀盖连接处螺栓，材料为GH783替代材料为Alloy783，断裂位置在与螺母配合的螺纹处，个别螺栓断裂在腰部变截面处。这与螺栓材料的膨胀系数小，螺栓紧力大，螺栓在安装时受力不均及加热工艺不当，国产化材料质量欠稳定及机组起停过大，变负荷较快等因素有关。重新紧固时制造厂要求缩短螺栓伸长量，并对螺栓加热工艺进行改进。

　　1.3中压调门进汽插管出现裂纹

　　中压汽门与中压缸采用法兰连接，中压调门阀座与进汽插管联为一体，该进汽插管位于法兰连接段的内部出现断裂的情况。如某电厂机组A侧中调门进汽插管下部开裂，裂纹起始与端部疏水口，沿插管底部气流方向延伸，裂纹长度为500mm，端部开裂宽11mm。造成中压主蒸汽泄漏到进汽插管与法兰连接之间的夹层，最终泄漏到中压缸的排汽，即降低了机组运行的经济性，又对机组的安全运行构成威胁。

　　原因：插管端部开有疏水孔以及插管底部沿纵向加工定位销孔引起的应力集中，加上快冷装置的频繁投入使用，导致插管出现裂纹。

　　解决：制造厂已对插管进行更换，取消底部疏水孔的结构。

　　1.4主汽门滤网破损

　　不同于钢丝网和钻孔滤网的结构，西门子主汽门的滤网由波纹状钢带在滤网框架外侧缠绕组装而成，蒸汽由外侧向内部流入，为永久滤网。在一些机组停机检修过程中大显高压主汽门滤网的波纹状钢带破损脱落，被冲进高压缸的情况。

　　1.5中压调门阀碟背部密封面裂纹

　　中压调门阀碟背部的自密封面焊有一层硬质合金层，以便在阀门全开时形成密封，防止蒸汽通过阀杆间隙泄漏出去。多台机组在检修中发现该密封面的硬质合金层出现裂纹甚至剥落现象，直接影响到密封效果，从裂纹的宏观形貌判断具有热疲劳裂纹特征。可能原因有:硬质合金层与基体的结合程度欠佳、硬质合金与基体的热膨胀系数存在差异等。虽然制造厂对密封面进行了修复，但也表明在堆焊层材料选择以及焊接工艺上有待改进。

　　2通流设计及气缸结构问题

　　2.1六抽支管流量与温度不均

　　汽轮机第6级抽汽从两低压缸的第2级叶片后抽出，分别穿过凝汽器内部空间接到外部，经过逆止阀后，两根支管合并成母管去6号低加。运行中发现的问题有:

　　(1)两支管的逆止阀开度不一致，相差较大，例如，某电厂机组在500MW负荷时，低压缸A抽汽逆止阀的开度为72.4%，低压缸B抽汽逆止阀的开度为62.8%。

　　(2)两支管的抽汽温度偏差较大，例如，某电厂机组的六抽温度在75%THA时，A、B两侧支管为168℃/190℃;在100%THA时，为127℃/174℃;在TRL时，为142℃/177℃。

　　(3)抽汽管道上下温度偏差大，有时下部温度已接近饱和温度，说明底部有积水可能。两抽汽逆止阀开度不同反映了从低压缸A和B的抽汽量不同，造成逆止阀开度和温度不同的原因有：

　　(1)双背压凝汽器的两低压缸排汽压力不同，相差1kPa以上，会影响到低压缸第2级后的参数;

　　(2)两低压转子轴向膨胀量不同，低压B转子要叠加A转子的膨胀量，尤其是低压转子的泊桑效应，对转子轴向通流间隙的影响很大，虽然汽缸也采用了推拉杆结构，但仍会造成两低压缸内部轴向通流间隙的不对称;

　　(3)两支管在凝汽器内部以及外部的布置不对称，管道长的阻力大，会造成管内流量减少并影响逆止阀开度，而且逆止阀开度变小后又反过来增大阻力;

　　(4)抽汽管在凝汽器内部为裸管布置，受低压缸排汽冷却，由于管内蒸汽流量不同以及外部冷却程度不同，也将造成两支管内蒸汽温度不一致。在汽轮机的通流设计中是否还存在其它因素引起两低压缸抽汽参数不同有待制造厂进一步分析。第6级抽汽从支管到母管，由于现场布置关系，多数存在母管标高高于支管的现象，容易造成管道底部积水。抽汽管道底部积水对汽轮机的安全运行构成很大危险，是汽轮机防进水的重点，要消除这种危险，可以从几方面进行改进:

　　(1)六抽管道布置要有顺坡度设计，防止积水，如果管道布置无法避免低点存在，则应在最低点处增设疏水管;

　　(2)对疏水阀的控制逻辑进行改进，当管道下部温度降低到相应饱和温度之上10K以内时，疏水阀自动打开;

　　(3)采用不锈钢板对凝汽器内的抽汽管道进行隔热保温，以防止冷却，提高汽温。例如某电厂百万机组对抽汽管加装隔热保温后，在满负荷时，六抽支管温度由127℃/174℃提高了162℃/193℃，从而降低了管道底部积水风险。

　　2.2低压转子轴向碰摩

　　低压缸B调端第3级静叶围带(进汽侧)与转子凸肩的轴向间隙为低压部分轴向通流间隙的最小值处，多台汽轮机在此处发生了静叶围带与转子凸肩碰摩情况。例如，某电厂两台机组均在首次检查性大修时发现此处静叶围带与转子凸肩发生了严重碰摩，其围带(进汽侧)的轴向磨损量约4mm，磨损深度约7mm，转子凸肩磨损区宽度约6mm，迫使对转子凸肩重新进行车削加工，以扩大此处的轴向间隙。其主要原因就是此处的轴向间隙设计值偏小，加上转子运行后的泊桑效应，以及机组运行中存在的再热蒸汽温度降低、排汽压力升高等情况，使此处的轴向间隙变得更小，造成动静部件碰摩。

　　2.3热态停机时盘车抱死

　　由于汽轮机进汽参数高，汽封间隙的设计值又小，西门子汽轮机要求热态工况下轴封蒸汽温度达到280℃～320℃，辅助蒸汽往往没有这么高的温度，因而很多机组在高负荷跳闸后，汽轮机在盘车过程中发生转子抱死现象.这主要是因为轴封蒸汽的温度太低，对汽缸两端的金属产生了冷却，造成汽缸变形，使汽封间隙变得更小，引起动静部件碰摩，最终造成转子被卡住抱死。这种情况发生后可进行闷缸处理，待汽缸温度下降后汽封隙逐渐恢复，再投盘车即可。彻底的解决方法是要提高汽轮机轴封蒸汽的温度，可考虑增加轴封电加热器装置，当机组高负荷跳闸后马上投入电加热器，防止汽缸两端金属温度下降，降低汽缸变形的可能。

　　2.4低压内缸隔热罩发生破裂脱落

　　低压缸为双层缸、双分流结构，为减少内缸内外壁温差，内缸的外表面衬有一层可拆卸的不锈钢隔热钢板，多台机组在运行后发现钢板焊接处出现裂纹，甚至在运行中发生钢板破裂脱落，损坏凝汽器管子的现象。目前制造厂已对低压内缸外衬钢板的固定和焊接方式进行了改进，同时将钢板的厚度由2mm改为3mm，改进后运行情况良好。

　　2.5中压内缸发生变形

　　由于再热蒸汽温度达到600℃甚至更高，同时中压缸排汽温度又比常规机组要低，造成了中压内缸的内外壁温差比常规机组要大，虽然内缸采用了耐高温的高强度合金钢铸件(材料GX12CrMoVNbN9-1)，但在某电厂机组的首次中压缸开缸检查中发现了内缸中分面内侧有汽流冲刷痕迹，中分面存在有较大变形，在合缸后螺栓全部热紧状态下其中部进汽部位内侧的最大间隙仍达到1.8mm，为防止中分面泄漏，在缸体复装时加大了中分面螺栓紧力，缸体的变形情况以及引起的其它影响有待于继续观察。建议对中压缸进行设计和结构优化，譬如，加大螺栓紧力、提高内缸材质、在内缸的外侧增装隔热罩等。

　　3控制系统问题

　　3.1控制油泵容量小

　　西门子汽轮机的控制油泵容量特别小，虽然比较节能，并且在机组正常运行时也能满足阀门控制需要，但在事故工况下显得容量不够。例如，ATT试验时若发生快关电磁阀卡涩，会造成控制油压下降，如果控制油泵容量足够大，就可以延缓压力下降速度，争取故障处理时间，甚至能维持控制油压力，防止跳闸事故。另外，控制油泵采用浸没式设计，在油泵发生故障或出口连接管泄漏时均无法处理，必须停机后才能处理。因此，很多电厂对控制油的供油装置进行了改造，将控制油泵移到油箱外面，并增大油泵容量。

　　3.2测速装置故障

　　汽轮机测速装置位于2号轴承座靠近中压缸侧，由于汽轮机结构紧凑，安装测速装置的地方空间很小，缸体保温后空气流动受阻，冷却效果较差，并且此处汽缸的热辐射很大，造成测速装置周围温度很高，严重影响测速装置运行的可靠性，多台机组发生过测速信号故障问题，甚至造成汽轮机跳闸事故。现场采取的措施是专门设置风机或采用空气对测速装置进行吹扫冷却，以防止温度过高产生故障，也可以考虑采用专门耐高温型的测速探头。

　　4结束语

　　国产西门子超超临界汽轮机，尽管在主汽门结构与材料、通流设计与汽缸结构、蒸汽管道布置、轴封系统、控制系统等方面存在这样那样的问题，但一直在不断的改进和优化之中，仍不失为技术最先进、性能最优秀的汽轮机。超超临界汽轮机技术的引进和消化需要一个过程，汽轮机优化的目的就在于不断地改进和解决已经存在和出现的问题，提高汽轮机的技术水平。

　　与君共勉：胜私制欲之功，有曰：识不早，力不易者;有曰：识得破，忍不过者。盖识是一颗照魔的明珠，力是一把斩魔的慧剑，两不可少也。