摘  要：針對某電廠西門子660 MW機組發生的機組停運后主蒸汽管道積水、甚至造成汽輪機進水的問題進行了認真地原因分析和研究，并依據ASME標準對外方的設計提出了更加安全可靠的改進方案，從而提高了機組的安全可靠性。
    關鍵詞：汽輪機；主蒸汽管道；積水；改進

1　問題的提出
　　某電廠安裝有2臺660 MW進口燃煤機組。鍋爐為美國F·W公司生產，汽輪發電機組為德國SIEMENS公司制造，熱工控制系統采用的是SIEMENS公司的TELEPERM－XP系統。
　　2臺機組在2002～2003年的小修和中修中，相繼發生了機組停運后主蒸汽管道積水現象，特別是＃1機組在2002年2月小修和2003年1月中修停機后，主蒸汽管道積水均造成汽輪機進水，出現高壓缸上下缸溫差增大，盤車停止的現象。
2　原因分析
2．1　事件過程簡述
　　鑒于2臺機組發生主蒸汽管道積水的現象完全相同，所以，僅以＃1機組2003年1月這一次為例，根據事后從T－XP歷史數據中收集到的有關數據進行描述，見圖1～圖3。
    2003－01－29T12－40，＃1機組按計劃滑參數停機進入中修，停機時主蒸汽壓力（過熱器出口處，以下相同）為8．23 MPa，主蒸汽溫度為460℃。

　　2003－01－30T06－50，主蒸汽壓力降至2．948MPa，汽機房主蒸汽管道水平段上、疏水井前約1．5m處的主蒸汽溫度測點CT007為332．25℃，溫降速率開始加快（積水高度接近此測點），到2003－01－30T07－21，溫度降至274．2℃。至此，溫降速率進一步加快，4 min溫度降至238．2℃，積水淹沒此測點，達到此時主蒸汽壓力下的飽和溫度，而后，溫降速率非常平緩。
　　2003－01－30T10－53，高壓主汽門前立管上、低于高壓主汽門約2．5 m處的溫度測點CT008A為283．4℃，到2003－01－30T10－56，3 min急劇下降至225．6℃（積水高度已達到此測點高度，淹沒了此測點），之后，溫降非常平緩。
　　2003－01－30T11－11，汽封母管壓力為－0．29kPa，汽封母管上的3個溫度測點CT011A為206．25℃，CT002A為216．72℃，CT012A為193．7℃。2003－01－30T11－13高壓調節閥后（高壓缸前端）溫度測點CT006A為338．31℃，汽封母管壓力上升至0．42kPa，高壓缸開始進水。此后，高壓缸上下缸溫差開始增大，汽機盤車轉速下降直至停止。2003－01－30T11－15，CT006A為333．0℃，此時，汽封母管壓力達到最高值1．096 kPa。2003－01－30T11－19，CT006A降至最低點162．87℃，汽封母管壓力為0．775 kPa。2003－01－30T11－30，汽封母管溫度CT011A為201．96℃，CT002A為212．94℃，CT012A為193．32℃。汽封母管靠近門桿泄汽接口的管段溫度開始下降，汽封母管壓力降至0．179 kPa。2003－01－30T11－54，CT011A為165．6℃，CT002A為185．16℃，CT012A為185．34℃。汽封母管全管段溫度開始下降。2003－01－30T12－11，運行人員強行打開2根主蒸汽管道上的疏水閥，并保持全開，此時主蒸汽壓力為2．406MPa。2003－01－30T12－12，CT011A為165．6℃，CT002A為185．16℃，CT012A為185．34℃。汽封母管溫度下降開始平緩。2003－01－30T12－21，高壓缸上下缸溫差達到最大值194．19℃。2003－01－30T12－32，主蒸汽壓力下降為2．094 MPa。2003－01－30T14－00，主蒸汽壓力下降為1．294 MPa。2003－01－30T15－00，主蒸汽壓力為0．98 MPa。2003－01－30T16－00，主蒸汽壓力為0．788 MPa。
2．2　汽缸進水原因分析
　　由上述可知，機組滑參數停機后約18 h，主蒸汽管道最低點（汽機房水平段，標高約7．5 m）已積水半管，說明僅靠主蒸汽管道上的疏水器是不能滿足機組停機時疏水要求的。隨著積水的增多，主蒸汽管道中的水位逐漸升高，約4 h后，積水已達到距離汽機高壓主汽門（標高約17．0 m）約2．5 m處。此時，汽機房內所有與主蒸汽管道連通的管道已全部被水淹沒（包括高壓旁路閥）。又過了大約15 min，積水淹沒了高壓主汽門。主汽門本身是嚴密不漏的，不會造成汽輪機進水，但積水會沿著門桿泄汽漏出，特別是當門桿受到急劇冷卻時，密封間隙會增大，泄水量將隨之增大。從門桿泄汽漏出來的約225．6℃的飽和水，沿門桿泄汽管道流入位于高壓缸下方的汽封母管中。由于這種門桿泄汽系統的設計，每次機組停機后，雖然汽封供汽汽源已被隔斷，但仍然會有從門桿泄汽而來的大量蒸汽進入汽封母管，使得汽輪機汽封不斷地大量向外冒汽。為了避免汽輪機潤滑油系統進水，運行人員不得不在機組停運后保持汽封軸抽風機長期運行，使汽封母管內的壓力維持在微負壓狀態。
　　高溫的飽和水進入低壓的汽封母管后，迅速蒸發，使得汽封母管壓力升高，將原本就因管道直徑不大、疏水能力不強的門桿泄汽管道中的水反頂，通過與高壓主汽門門桿泄汽管道連通的高壓調節閥門桿泄汽管道，把水擠進高壓調節閥。為了保證高壓調節閥的正常開啟，在高壓調節閥閥芯上開有平衡孔，直通汽輪機高壓缸內部。進入高壓調節閥的水，沿平衡孔進入高壓缸，導致汽輪機進水。由于高壓缸內部溫度遠遠高于汽封母管溫度和進來的水溫，而且壓力較低（此時，高壓缸內部也因汽封軸抽風機的作用保持在微負壓狀態）。所以，水在汽缸內的汽化要遠比在汽封母管內的汽化劇烈，使得汽缸內的壓力（或高壓缸前部局部壓力）快速升高。而且此壓力一定高于汽封母管壓力，因而阻止了冷水繼續進入汽輪機。由CT006A快速下降后又快速回升和汽封母管壓力上升、下降、又上升（更多的水突然進入和閃蒸造成）、而后穩定且母管溫度全面下降（有飽和水凝結沉積造成），可證明這一點。
通過上述分析可以得出：
　　a．汽輪機主蒸汽管道疏水不能滿足機組停機后的疏水要求是導致主蒸汽管道積水、汽輪機進水的直接原因；
　　b．門桿泄汽管道系統設計不合理是導致汽輪機進水的間接原因。
3　改進方案
3．1　對主蒸汽管道疏水的改進方案
　　對主蒸汽管道疏水的改進應按照ASMETDP－1－1985，防止水對發電用汽輪機造成損壞的導則（以下簡稱“導則”）的要求，不應將汽輪機閥門作為防止從主蒸汽管道向汽輪機進水的裝置。在汽輪機進水發生前檢測到外部存在的水，即使自動疏水器發生故障或壓差過低不能滿足疏水要求，也要保證采取自動的方法把積水排掉，同時保證鍋爐的安全要求。
3．1．1　改進方案1
　　西門子主蒸汽疏水熱控邏輯設計（主蒸汽＃1／＃2管疏水閥）：
　　a．保護關閉　［實際閥位開度－最大計算開度］大于2％，或主汽壓力大于12．9 MPa；
　　b．自動開啟　主蒸汽過熱度小于20 K；鍋爐已點火；該疏水SLC在自動；
　　c．自動關閉　主蒸汽過熱度大于50 K或鍋爐滅火；該疏水SLC在自動；
　　d．給水／蒸汽GC啟動第5步程序開啟，停運第4步程序關閉。
　　按照“導則”的要求，分析西門子主蒸汽疏水系統設計，從系統管道設計到熱控邏輯設計，在機組啟動時是沒有問題的，但是，卻忽視了在機組停機時的疏水。
　　在機組停機鍋爐滅火后，主蒸汽疏水閥將自動關閉，這在停爐初期防止鍋爐汽包壓力下降過快是對的。但當主蒸汽達到飽和狀態后，主蒸汽管道內已嚴重積水時，仍不能自動開啟則是不對的。這時如僅僅考慮使用疏水器疏水，一是其疏水能力問題，二是萬一其故障則沒有其它方法疏水，不符合“導則”—準則中第2條“根據經驗，某一水源危險性特別大時，則該處設備的單一故障均不得使汽輪機進水”的要求。
　　根據對T－XP中歷史數據的分析，CT007溫度測點在機組停機后正常冷卻速率不大于1℃／min，但當主蒸汽管道積水接近此溫度測點時（曲線記錄中開始明顯下降這一段），其溫降速率為1．69℃／min，當積水淹沒此溫度測點時（曲線記錄中又一次明顯急速下降這一段），溫降速率為32．04℃／min。見圖1。
　　鑒于上述分析，考慮到機組運行時無法增加測點，因此，改進方案1主要是利用現有測點僅對熱控邏輯進行改進。
　　在熱控邏輯中增加機組停機后的主蒸汽疏水控制邏輯為：
　　鍋爐滅火；該疏水SLC在自動；當CT007溫度下降速率大于1．7℃／min時，打開疏水閥；當汽包壓力下降速率大于0．14 MPa／min，關閉疏水閥。
　　控制邏輯中最后一條的設計，主要是當疏水閥打開后保護鍋爐汽包壓力變化不要超過制造廠的設計要求。從對T－XP歷史數據的分析得出，在主蒸汽壓力為2．4 MPa、同時打開2根主蒸汽管道疏水閥時，前20 min主蒸汽壓力下降速率僅為0．015 MPa／min，以后隨著主蒸汽壓力的降低，下降速率也逐漸減小。但如果主蒸汽壓力較高時疏水閥打開，則壓力下降速率會更快一些。
3．1．2　改進方案2
　　雖然方案1能夠解決汽輪機進水問題，但是在主蒸汽疏水閥打開之前，汽機房主蒸汽管道內已積水將近半管，主蒸汽管道上下壁溫差很大，這對于主蒸汽管道來說將承受很大的熱應力，顯然這是不合理的，因此，提出并推薦方案2。
　　方案2與方案1相比，最根本的區別是提前檢測到有凝結水出現，并及時將其排出，既防止了汽輪機進水，又防止主蒸汽管道受到較大的熱應力。
　　改進方案2需要在主蒸汽疏水井頂部兩側對稱增加2個貼片式測溫元件CTa和CTb，見圖4，之所以增加2個測溫元件，主要是確保可靠性。

    主蒸汽疏水閥熱控邏輯增加如下內容：
    鍋爐滅火；該疏水SLC在自動；當CTa或CTb任意一點溫度下降速率大于5℃／min，打開疏水閥；當汽包壓力下降速率大于0．14 MPa／min，關閉疏水閥。
　　溫度下降速率取值較大主要是為了累積一定量的水后再打開疏水閥，避免疏水閥頻繁動作。
　　不論方案1還是方案2，當主蒸汽疏水閥打開后，運行人員都應注意及時向汽包補水，以控制汽包上下壁溫差不要超出制造廠的要求。
3．2　對主汽門門桿泄汽系統的改進方案
　　由以上可以看出，汽輪機主汽門門桿泄汽系統的設計布置，是造成汽輪機進水的間接原因。雖然在防止主蒸汽管道積水改進后，由此導致的汽輪機進水可　　以得以避免，但是，在機組停運、破壞真空并停送汽封后，由于主蒸汽管道中仍有較高的壓力，且主汽門關閉后，閥門芯對門桿泄汽的密封失去作用，仍然會有大量的蒸汽沿主汽門門桿泄汽管路泄漏至汽封母管，進而進入汽缸和軸瓦中（汽封處仍有大量蒸汽冒出），此情況在主蒸汽管道中的壓力未完全消除前會持續很長時間。停機初期由于汽溫還有一定的過熱度且溫度較高，對汽輪機的影響還不大，但是，當主蒸汽達到飽和狀態后，對汽輪機和潤滑油系統的安全都帶來很大的隱患。此種設計不符合“導則”第3．9節———汽輪機汽封系統，“應該采取措施防止水或飽和蒸汽進入汽封系統”的要求。因此，建議對主汽門門桿泄汽系統進行改進，見圖5。
　　在主汽門門桿泄汽與高壓調節閥門桿泄汽匯合處之前的管道上安裝一個手動截止閥，并在此閥門前接出一根管道將其接至清潔疏水擴容器，同時安裝一個手動截止閥。機組啟動前，先將通往汽封母管的閥門打開，再將通往清潔疏水擴容器的閥門關閉；機組停機后，先將通往清潔疏水擴容器的閥門打開，再將通往汽封母管的閥門關閉。這樣，就可以解決機組停機、停用汽封供汽后汽封仍然冒汽問題并防止飽和汽進入汽輪機，減少汽輪機潤滑油系統進水。
　　改造時，特別注意通往清潔疏水擴容器的管道在擴容器上的壓力等級排列，不要產生因壓力等級排列不正確造成的排汽或疏水不暢問題。

4　結束語
　　該機組高壓缸為圓筒形、芯包式結構，解體時，需要將高壓缸整個拆除并垂直立起，檢修工藝復雜，費時費力，其設計大修工期為14 a一次，因此，防止汽輪機進水、特別是高壓缸進水意義重大。目前，改進方案1的熱控邏輯修改工作已經完成，等待機組停機時就可以進行試驗和投運。通過改進后，能夠避免進水事件的發生，提高機組的安全可靠性。