S109FA联合循环机组发电机逆功率保护动作原因分析

吴凡

(杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015)

0 引言

S109FA燃气-蒸汽联合循环发电机组是为国家“西气东输”工程配套而引进的大型单轴天然气发电机组，它由9FA燃气轮机、D10蒸汽轮机、三压无补燃余热锅炉和390H氢冷发电机组成，单台容量390 MW。

S109FA燃气-蒸汽联合循环发电机组的轴系布置按安装位置依次为：#2轴承、燃气轮机、#1轴承、联轴器、#3轴承、蒸汽轮机高/中压缸、#4轴承、联轴器、#5轴承、蒸汽轮机低压缸、#6轴承、联轴器、#7轴承、发电机、#8轴承。

轴系上的所有轴承位置(燃气轮机的#2和#1轴承；蒸汽轮机的#3，#4，#5 ，#6轴承；发电机的#7和#8轴承)均安装了2个位移型(非接触式)测振探头。2个探头均安装在轴承外壳的上半部分(#1轴承除外，#1轴振传感器安装在外壳的下半部分)，一般位于垂直中心线45°。2个探头分别用X和Y表示(如：1X/1Y～8X/8Y)，虽不接触转子轴颈，但可采用高频磁场来测量轴颈与传感器尖端之间的距离(间隙)。

机组运行8年多后，出现了发电机逆功率保护动作等问题，通过对问题进行分析，总结了运行经验。笔者分析了导致S109FA联合循环机组出现发电机逆功率保护动作的原因并提出了解决措施。

1 发电机逆功率保护动作出现异常

自从S109FA燃气-蒸汽联合循环发电机组投产以来，先后出现了几次发电机逆功率保护动作的异常情况，通常都发生在机组刚刚并网后的几分钟内，同时伴有#5，#6轴振明显增大的状况。

电气专业技术人员首先从功率测量系统的准确性和电网输送系统的稳定性方面进行了分析，排除了功率表异常或输电系统异常波动造成发电机逆功率现象的可能性。因S109FA蒸汽-燃气联合循环发电机组的燃气轮机、蒸汽轮机和发电机为同轴布置，燃气轮机或蒸汽轮机的出力异常都可能会导致发电机出力异常，究竟是什么原因导致机组出现发电机逆功率现象呢？

以下是其中一次发电机逆功率保护动作时的机组参数变化及报警记录，主要参数变化趋势如图1所示。图1是发生异常情况前、后10 min内主要参数的变化情况，右侧项目栏从上至下为：中压排汽上缸壁温、中压排汽下缸壁温、功率、低压进气控制阀(ACV)开度、转速、疏水箱液位、联通管温度1、联通管温度2。

图1 异常现象发生时主要参数变化趋势图

2010-09-24 T 07：25，机组开始启动，26 min后按正常启动程序达到全速3 000 r/min，07:51:22.322并网。机组并网后2 min于07:53:18.363发电机功率指示从25.17 MW开始下降，伴随出现#5，#6轴振同时上升的现象，6Y上升幅度明显。在发电机功率指示下降的4.79 s过程中，07:53:22.959，出现了#6轴振高报警，07:53:23.00，机组6Y测振探头达到第1个峰值0.2 mm，当时的发电机功率指示为-21 MW。发电机功率继续下降至谷底后反弹至-6.8 MW，07:53:24.322，发电机开关因逆功率保护动作解列。

发电机解列后于07:53:26.159机组6Y出现第2个峰值达到自动停机值0.203 mm。07:53:31.164，#5，#6轴振经过第2个峰值后恢复正常，当时机组全速空载状态，整个轴振波动过程历时13 s。07:53:58.244,运行人员手动干预重新维持机组3 000 r/min，全面检查后未发现其他异常。08：09，机组发电机开关重新并列，未再出现异常情况，机组正常带负荷至额定状态。

2 原因分析

首先从燃气轮机侧查找原因，调用历史记录对事发当时可能影响机组出力的压气机排气压力、燃料行程基准、压气机进口可转导叶开度、机组转速基准、燃料气速比截止阀后天然气压力等参数进行观察，均无明显变化，排除了燃气轮机侧异常的可能性。

继续调用、查看历史数据记录发现，在发生发电机逆功率现象之前，位于低压蒸汽进入口处的中压排汽缸上、下壁温以及中低压联通管温度均明显下降。这时正是ACV开启向中、低压缸通入来自辅助蒸汽的冷却蒸汽的时刻。按照机组启动顺控程序，低压进汽截止阀(ASV)在机组转速达到45 r/min时开启，而与之相邻的ACV则在75%额定转速(2 250 r/min)时开始开启，准备向中、低压缸提供冷却蒸汽。机组从75%额定转速到100%额定转速的时间约为90 s。

通过进一步调查可以发现，在机组启动前的准备阶段，当投入汽轮机轴封供汽、凝汽器进入真空状态后，低压蒸汽管道上的进汽滤网前、后疏水阀GV6204和GV6205因其疏水收集器液位由低至高，正常自动开启，并因其收集器液位始终未降低而保持开启状态。通过观察2个疏水阀相通的疏水箱液位可以发现，尽管辅助蒸汽管道疏水及疏水箱减温水等源源不断地进入，但疏水箱的液位却未出现上升。当机组启动程序进行到辅助蒸汽至低压蒸汽管道起压、准备投入冷却蒸汽的阶段时(通常是50%左右的额定转速)，疏水箱的液位开始出现上升趋势，直到ACV开启后，疏水箱液位开始下降，同时伴随着中压排汽缸上、下壁温及中低压联通管温度的明显下降，随后相继出现发电机逆功率及#5，#6轴振明显上升的现象。

由此可见，在ACV开启向中低压缸通入冷却蒸汽(来自辅助蒸汽，参数为1 MPa，216 ℃)时，有湿蒸汽现象发生。那么，究竟是什么原因导致了低压进汽管道中的冷却蒸汽带水呢？

为探究导致异常情况发生的真实原因，在机组停机状态下，杭州华电半山发电有限公司技术人员进行了一系列的试验。首先对辅助蒸汽系统进行了排查和隔离试验，未发现异常状况，排除了由于辅汽管道上的阀门内漏而导致低压蒸汽管道内积水的可能性。进一步试验发现，当汽机侧投入轴封、凝汽器进入真空状态后，通过手动开启低压进汽滤网排污阀的办法观察排污口，呈现负压状态。关闭排污阀30 min后再次开启观察该排污口，发现有疏水源源不断排出。那么，低压蒸汽管道中的积水是哪里来的呢？通过认真分析排查，笔者作出了如下判断。

在正常情况下，机组启动前ASV和ACV都处于关闭状态，而ACV阀座前、后疏水阀MOV-SAD-1和MOV-SAD-2都在开启状态，其疏水通向本体疏水扩容器，因本体疏水扩容器的汽侧和水侧均与凝汽器相通，因此在凝汽器进入真空状态后，本体疏水扩容器呈负压状态。由于ASV存在内漏，当凝汽器进入真空状态后，低压蒸汽管道逐渐形成负压，以至于将疏水箱内集水通过低压进汽滤网前、后疏水阀GV6204和GV6205倒吸进入低压蒸汽管道。倒吸现象解释了2个疏水阀的收集器液位始终不低且疏水箱液位不能上升的真正原因。当机组启动程序进行到辅汽至低压进汽管道起压时，部分积水被压回至疏水箱，因此疏水箱液位出现上升。当机组启动程序进行到ACV开启向中低压缸输送冷却蒸汽时，积存在低压蒸汽管道内的积水与辅助蒸汽混合一同进入中压排汽缸，并随着冷却蒸汽经中低压联通管进入低压缸。这就清楚了ACV开启后会出现中压排汽缸上、下壁温度和中低压联通管温度明显下降的真实原因。

之所以会出现发电机逆功率现象，是因为当汽轮机低压进汽由于带水而温度过低时，汽轮机低压缸末几级将进入湿蒸汽区工作。如果进汽温度急剧下降并达到某一程度，就会发生“水冲击”，使大量水滴撞击叶背，对汽轮机产生制动作用，使转速下降，出力显著减少，最终导致出现发电机逆功率现象。#5，#6轴振的明显增大也是由于低压缸末级叶片出现“水冲击”现象而造成的。

为了更好地说明问题，可参看D10型汽轮机低压进汽系统和疏水系统的流程图(如图2、图3所示)，由图2、图3可清楚地看出，在机组启动初期，中、低压缸的冷却蒸汽汽源来自于辅助蒸汽，自关闭状态的低压蒸汽进汽电动阀MOV6206后进入低压蒸汽管道，经过低压进汽滤网，通过ASV和ACV进入中压排汽缸对中压缸进行冷却，通过中、低压缸联通管进入低压缸对低压缸进行冷却。机组在正常运行时，来自余热锅炉低压系统的过热蒸汽通过开启状态的低压蒸汽进汽电动阀MOV6206，经ASV和ACV进入中压排汽缸，与做过功的中压排汽混合，通过中、低压联通管进入低压缸做功。低压进汽滤网前、后疏水阀GV6204和GV6205与通大气的疏水箱相通，低压进汽控制阀ACV阀座前、后疏水阀MOV-SAD-1和MOV-SAD-2与通凝汽器的本体疏水扩容器相通。

图2 低压进汽系统流程图

图3 疏水系统流程

3 采取的措施

知道了导致发电机出现逆功率的原因后，接下来是如何防范。在无法立即消除低压进汽截止阀ASV内漏缺陷而同时要保证机组安全启动时，需要在机组启动前凝汽器进入真空状态时及时关闭GV6204和GV6205前手动隔离阀，以避免出现疏水倒吸的现象。需要注意的是，当机组正常运行时，若出现上述2个阀门收集器液位高报警，需要重新开启其前手动隔离阀，以保证两疏水阀自动开启时可以完成正常疏水任务。

由于运行人员无法像判断阀门外漏那样轻易地发现阀门内漏，因此，在机组启动准备阶段，在投入汽轮机轴封系统使凝汽器进入真空状态后，除了要关注低压进汽管道上疏水阀收集器的液位状态外，还需要密切关注汽轮机缸温的变化情况，当ASV和

ACV同时出现内漏时，可能会导致积水经低压进汽管道自中压排汽缸进入中压缸，这时中压排汽缸下缸温度可能会出现明显下降。

为防止ASV内漏可能导致的低压蒸汽管道积水(甚至更为严重的ACV同时内漏)可能会导致中压缸进水，杭州华电半山发电有限公司已将低压进汽滤网前、后疏水阀GV6204和GV6205的疏水去向从疏水箱改接至本体疏水扩容器，因本体疏水扩容器与凝汽器相通，可有效避免上述问题的发生。

为提高设备运行的可靠性，一旦有机会停机检修，应尽可能及时修复ASV或ACV内漏。

4 结论

经过充分的试验和分析，笔者找到了导致S109FA燃气-蒸汽联合循环发电机组出现逆功率保护动作异常现象的真正原因：低压进汽截止阀ASV内漏。采取有效措施后，问题得以解决。