国产300 MW机组测功法甩负荷试验安全性分析
王赤夫
湖南省电力试验研究所 湖南长沙410007
0 前 言
湘潭电厂2号机是东方汽轮机厂生产的引进型300 MW亚临界、一次中间再热、双缸双排汽凝汽式汽轮机，型号为N300－16．7／537／537。调节系统为美国ETSI公司生产的高压抗燃油数字式电液调节系统（DEH－Ⅲ）。我省曾在1号机组上进行过常规法甩100％负荷试验，但测功法甩100％负荷试验未进行过。国家电力公司在广州召开的甩负荷试验总结会议上，要求全国电力系统在重视常规法甩100％负荷试验研究的同时，进行测功法甩100％负荷试验的研究，为今后推广测功法甩负荷试验奠定基础，将甩负荷试验工作提高到新的水平，为新机组安全稳定地投入商业化营运作出贡献。
在分析总结1号机组常规法甩负荷试验的基础上，我所于1999年3月10日成功地完成了2号机组甩100％负荷试验。
汽轮机的调节系统，除了在运行过程中对外干扰应是稳定系统外，还要求在甩全负荷时（最危险工况）转速的动态超调量应小于规定值，即不超过危急保安器的动作转速。因此，汽轮机调节系统运行的稳定性和甩负荷后的品质（超调量大小和衰减速度），便构成了调节系统的动态特性，而甩负荷试验是了解调节系统过程品质的一种直观方法。
常规法甩负荷试验，一般拟定甩负荷等级最少为2级：即甩50％、100％的额定负荷，有的还需增甩25％、75％的额定负荷，试验后根据录波整理出调速系统的迟缓率、机器时间常数、油动机及调门动作时间等。试验要耗费很多的人力、物力而且危险性较大，是汽轮机组最恶劣的一种运行工况，也是对汽轮机调节系统最严峻的考验，对设备安全有一定威胁（对大机组尤为突出）。常规法甩负荷试验成功的主要标志为：汽轮机甩负荷后，最高飞升转速不应使危急保安器动作。因此，长期以来，人们一直在寻求一种既经济、又安全的甩负荷试验方法。
测功法甩负荷模拟常规法甩负荷运行工况，在机组不解列情况下，突然动作汽轮机超速保护装置，测取此后发电机有功功率的变化曲线，计算发电机输出电量，据此推算汽轮机组在常规情况下能够达到的最高转速。只要将推算转速和危急保安器动作转速进行比较，即可推断出调节系统的动态特性是否合格。
1 测功法原理分析
在机组并网的情况下，轴功率对电网作功，当机组与电网突然解列的情况下，其轴功率对转子加速，飞升转速可由转子运动方程求得：
由（4）式可知，对于某一时刻（Δt）内的有功功率（ΔP），作为加速功率可以转换为相应的转速变化（Δω），因而，只要能得到有功功率的变化规律，即可描绘出转速变化的过渡过程。
转子加速的轴功率ΔP在甩负荷时由3阶段组成：一是发出超速信号到调节汽门开始动作的时延；二是调节汽门关闭的时间；三是汽轮机内部的有害容积（汽门严密性合格）。当出现逆功率时转子即开始减速，测功任务结束。
汽轮发电机组转子转动惯量（J）、机组蒸汽容积时间常数（TV）以及机组机械损失等，对于同一种机型而言是相同的。在机组甩负荷过场中，转子上蒸汽力矩的变化与调节汽阀延迟和关闭时间内的进汽、调门与抽汽逆止门的严密性等因素有关，而这些因素无论对于常规法还是测功法都是一样的，两者具有相同的必要试验条件，因此，在相同的试验工况下（在同一机组上），测功法完全可以获得与常规法同等的试验结果。
2 试验方法
试验是在机组处于额定参数工况、回热系统全部投入等正常运行方式下进行的，其方法有：
a．手操或遥控超速危急遮断器，迅速关闭主汽阀和调节汽阀，当出现逆功率时，联跳（或手操）发电机主开关，机组与电网解列。
b．手操或遥控超速保护装置，关闭调节汽阀和抽汽逆止阀，当出现逆功率时，联跳（或手操）发电机主开关，关闭主汽阀，机组与电网解列；或即刻恢复超速保护装置，控制机组空负荷运行，迅速接带负荷。
2种试验方法的主要差别在于主汽阀的状态对有功功率衰减过程的影响。由于试验目的和要求的不同，在操作方法上亦有差异：方法a是在主汽阀、调节汽阀同时关闭的情况下进行的，适用于考核汽轮机调节系统故障情况下，危急保安器动作后的最高飞升转速；方法b与常规法的试验工况基本相同，适用于考核汽轮机调节系统动态特性。湘潭电厂2号机组采用了方法b。
3 试验过程分析
3．1 试验概况
试验条件、各种准备工作与常规法甩负荷相同，强制OPC动作，在机组不与电网解列的情况下，迅速关闭调节汽阀和抽汽逆止阀，用三相有功功率变送器测量有功功率，采用Cobra16与ADREFORWINDOW208数据采集仪分别测量发电机功率、汽机转速、各调门开度、轴向位移、三相定子电压、三相定子电流、主蒸汽压力、调节级压力、振动等参数。
甩负荷前，机组运行状况为：负荷298．9 MW、主汽参数16．07 MPa／520．2℃，高、低压旁路充分疏水，电动给水泵与A汽动给水泵并列运行，高、低加全部投运，锅炉燃烧状态为4支油枪、17个火嘴，C，D2套制粉系统投运。OPC动作后，汽轮机做功迅速下降，后又在有害蒸汽容积作用下做功有所振荡。在整个试验过程中，汽轮机调节级温度变化为0．4℃／min，高压缸排汽温度变化为0．3℃／min，汽缸缸温变化最大的高压缸0．2℃／min；主汽压力从试验开始时的16．07 MPa上升至18．67 MPa，最后稳定在13 MPa；主汽温由试验开始时的520．2℃最后升至530℃，最高稳定在515℃。以上机组数据变化均在制造厂规定的范围内。
3．2 试验结果计算
根据湘潭电厂1号机组常规法甩负荷录波动态过程曲线和数据，参考国产典型机组有关参数，得出如下参数：
式中 nmax为机组甩负荷过程中最高转速；n0为机组甩负荷过程中启始转速；
amax为机组甩负荷过程中转子最大加速度；
Ta为转子时间常数；
J为转子转动惯量。
根据录制的有功功率P过渡过程曲线及数据，汽轮机从OPC开始动作时的功率298．9 MW到功率为0，共做功185．68 MJ。则推算出汽轮机最高飞升转速为Δn＝（30．42／21 778．78）×185 680＝259．35 r／min。
推算出的飞升转速加上机械损失（引进型 300 MW机组在额定转速下机械损失为额定功率的25％～10％）所引起的13～26 r／min，基本上与实际情况相符。
4 测功法甩负荷试验安全性分析
4．1 从湘潭电厂2号机组测功法甩负荷试验可知：试验是在机组不与电网解列且在额定参数下进行的，调节系统的状况和调节汽门的严密性对试验过程中的工作转速无直接影响；试验是以机组跳闸或不停机迅速接带负荷作为试验结束，不会出现由于控制性能不合格导致机组严重超速，甚至造成重大毁机事故的可能；测功法试验可以采用第2节所述的a，b 2种操作方法来满足不同的试验目的和要求，虽然试验过程有些差异，但试验结果均高于飞升转速实际值，对电厂机组调节系统的运行要求更加安全；超速事故具有突发性和快速性，甩负荷超速事故随时都可能发生，几秒钟之内即可达到毁机的程度。从300 MW机组甩负荷时的瞬间加速度来分析可以得出：
a．汽轮机额定负荷下的输出扭矩
M＝976 N／n＝976×300 000／3 000＝97 600 kg·m
b．机器转动惯量
J＝GD2／4 g＝25 728．5 kg·m2（东汽厂提供的设计值）
c．转子运动方程
M＝M汽－M电－M内转＝Jdω／dt
dω／dt＝M／J＝
97 600 kg·m／25 728．5 kg·m2＝37．2径／s
ω＝ω0＋（dω／dt）Δt＝314．2＋37．2Δt
由此可知，300 MW机组在全负荷工况下甩负荷，若调门卡住1 s，机组超速10％以上，则2～3 s内即可达到毁机的程度。从国内外毁机事故看，事故的引发具有突发性，有些是在无任何征兆的情况下突然发生的，事故的过程时间是短暂的，一般为10～15 s，最长约为30 s。至目前所发生的事故，尚未发现有因转子材质缺陷直接造成的，基本上是在超速的情况下引发的。一般转速在调速系统动态特性允许的飞升范围内称正常的转速飞升，超过危急保安器动作转速至3 600 r／min为事故超速，大于3600 r／min为严重超速。在毁机事例中有50％为严重超速，33％为事故超速，因而超速为国内外引发毁机事故的特点。从测功法与常规法试验的比较可知，测功法试验方法在安全性方面具有无可比拟的优越性。
在整个试验过程中，汽轮发电机组的工作转速一直维持在3 007 r／min；发电机转子电压从试验开始时的19．6 kV最高上升至19．6 kV后又回复至19．6 kV；A，B，C三相定子电流分别由试验前的8．8kA，9．0 kA，8．9 kA随着负荷的下降而降至3．0kA；轴向位移由甩负荷前的－0．4 mm变化为－0．3mm；高压差胀由试验前的－0．1 mm变为0．1mm，低压差胀一直未变，维持在6．3 mm；汽轮机调节级温度变化为0．4℃／min；高压缸排汽温度变化为0．3℃／min，汽缸缸温变化最大的高压缸为0．2℃／min；主汽压力从试验开始时的16．07 MPa上升至18．67 MPa，最后稳定在13 MPa；主汽温由试验开始时的520．2℃，最高升至530℃，最后稳定在515℃。以上机组数据变化均在制造厂规定的范围内。一般而言，对300 MW机组来说，热应力集中系数最大处是在调节级根部，叶轮根部圆角处的热应力集中系数经验公式：
Kth＝1＋（D／r）（1／2）（Deq／D－1）1／1．414
分析汽机转子寿命一般以调节级后蒸汽温度为计算温度，依据300 MW机组寿命评诂公式：
σ＝（241 000－360 900×HV／250＋
335 200（HV／250）2）×0．229 11N－0．5f＋156
常规法甩负荷一次相当于进行一次极热态启停。以石门电厂2号机组试验为例，其最大温差为Δtm＝45．1℃，调节级温升率为1℃／min，最大主应力为280 MPa，寿命损耗为0．02％。而测功法甩负荷试验调节级温度仅为0．4℃／min，其恢复时间快，时间极短。根据国内外运行经验，此种工况对机组寿命损耗的影响很小，可忽略不计。因此测功法试验比常规法试验对机组寿命影响更小。
4．2 振动测试分析
2号机组甩100％负荷试验仍然采用美国本特利公司的ADREFOR WINDOWS，用一个通道监视负荷信号，其余7个用来监测机组的轴振。测功法甩100％负荷后，从振动监测数据分析，机组1号轴振振动值不仅没有增大，反而随着机组负荷的下降而略有下降，由121μm降至107μm；2，3，6号轴振却略有上升，分别由42．6μm，37．4μm，82．7μm升至45．2μm，46．1μm，85．8μm；7，8号轴振变化不大，分别由20．1μm，113μm降至16．1μm，110μm。但与湘潭电厂1号机组常规法甩负荷试验比较，其变化幅度明显减小，稳定性更好。
5 结 论
通过对2号机组测功法甩100％负荷的试验研究，经过常规法与测功法2种试验方法相比，可知：
a．测功法甩负荷试验是在机组不与电网解列且在额定转速下进行的，调节系统的状态和汽阀的严密性对试验工况下的工作转速无直接影响。另外试验是以机组跳闸与电网解列或不停机迅速接带负荷作为试验结束，不会出现由于控制性能不良以及机组甩负荷故障，而导致机组严重超速，甚至造成重大毁机事故的可能。测功法提高了甩负荷试验的安全性。
b．测功法试验可以采用不同的操作方法来满足不同的试验目的和要求。试验过程虽有些差异，但试验结果均高于飞升转速实际值，对电厂机组的运行要求偏于安全，而对于汽轮机调节系统动态特性试验采用方法b较好。
c．试验可以不分级，直接进行甩全负荷试验，不用象常规法一样要分2级甚至于分4级才能完成，也可利用停机的机会来完成；为满足试验条件不需要采用过多的临时措施。因而测功法简化了试验过程，减少了试验次数和工作量，节省了试验人工、试验费用和时间。
d．通过试验过程安全性分析可知，测功法与常规法试验相比，在安全和经济性方面更占有无可比拟的优越性，具有进一步推广应用的价值。
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
