汽轮机安全控制技术.docx

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汽轮机安全控制技术

汽轮机安全控制技术

　一、汽轮机组火灾的特点

　　1．主要火灾危险在于油系统漏油汽轮机组的油系统具有较大的火灾危险性。

国内外发电厂的火灾统计证明，汽轮机油系统的火灾主要是漏油引起的，占90％以上。

中温中压以上的汽轮机是在435～550℃的高温下进行工作的，在运转时产生大量的辐射热。

汽轮机车肚下面有许多粗细不同的蒸汽管道和加热器，而汽轮机又是用汽轮机油（透平油）来自动调节和润滑的，油管的敷设往往纵横交错在蒸汽管道之间。

每个机组还设有主油箱，总的贮油量可高达数万公斤，这种油的自燃温度低，在运行中一旦发生漏油、喷油，油接触到没有保温层或保温层不良的蒸汽管道和部件，很容易着火。

　　2．火势猛烈，蔓延迅速汽轮机油着火后，火势猛烈，火焰温度可高达1700°C，火焰可窜到30m以上的高度。

一台汽轮机组喷油起火，火势将迅速扩大到整个厂房，原因如下。

（1）由于高温作用，油系统的其他管道法兰等烧坏，又增加新的油口，形成火上加油。

（2）由于油在燃烧的最初阶段，温度不够高，没有完全燃烧，浓烟四滚。

浓烟中含有许多细小的油粒，受热分解出碳氢化合物和一氧化碳等易燃物质，扩散到氧气充足的地方，立即再次燃烧，使火势扩大到其他机组。

　　（3）油系统发生火灾，带火的油流入电缆沟，或火焰烧着外露的电缆，引起电缆着火，火沿着电缆线路蔓延到电气系统。

　　3．容易发生火灾的部位汽轮机组容易发生火灾的部位，主要如下。

（1）机头下方。

这里有大量的油管道与高温蒸汽管道交错排列，是最容易发生漏油、喷油并溅落到热体上面。

（2）油压表管。

油压表管在运行中剧烈振动，油管之间、油管与固定附件之间相互摩擦，造成表管断裂接头松动而漏油、喷油，遇高温或明火起火。

　　（3）机组各主轴承。

尤其是车头前轴承，或多缸高压机组中高压缸前后轴承，或发电机后轴承、励瓷机前后轴承的挡油板发生大量漏油，遇到汽封漏油严重或滑环电刷冒火，也易引起火灾。

　　（4）凸轮下面的接油盘。

凸轮下的接油盘里，如不定期清理，回油孔就会被堵塞，使油溢出起火。

　　二、油系统的防火措施

　　1．管道安装

（1）选用能承受高压的管道和附件，一般应超过工作压力的2倍。

（2）油系统管道应尽量减少用法兰或管接头连接。

必须用法兰连接时，对安装在机头下部或蒸汽管道附近的油管，应尽量采用止口法兰连接，对承受

　　2．OMPa压力以上的管道，则必须采用止口法兰连接。

法兰连接必须严密，并不准减少或改细紧固件。

　　（3）油系统管道的法兰连接，禁止使用橡胶或塑料胶片，以及其他不耐油、不耐高温材料的垫片，应使用耐油和耐400～450℃高温的橡胶石棉板作垫片。

　　（4）油管道宜集中安装，尽可能远离高温管道，或安装在热体下方。

靠近蒸汽管道敷设的油管道，应至少距离蒸汽管道保温层外表15cm，并在其法兰外装设防护铁皮罩，或将油管隐蔽敷设，防止喷油着火。

　　（5）油管道不允许装在有明显振动的地方。

油管道的支架必须牢固可靠，对管道上的较小支管，在其根部可加焊加强短管，防止断裂。

　　（6）安装好的油系统管道应经常经过水压或油压试验，试验时的压力应大于正常工作压力的2—2．5倍，并仔细检查有无裂纹和渗漏现象。

　　（7）中温中压以上的机组，在高压油调节系统应设防火油门。

防火油门大体有两种：

当机组油系统失火而被迫停机失去安全油时，能自动停截高压油，并自动排掉机组的回油，防止灾情扩大；当机组油系统失火停机失去安全油时控制活塞自动落下，切断起火的油源。

　　2．主油箱

（1）主油箱应用厚度不小于5mm的钢板焊接制成，油箱上面的入孔门、连接法兰、透气孔、盖板等的接合面应乎整，法兰垫片应使用耐油耐高温的橡胶石棉或青壳纸。

连接法兰的牢固件应齐全、无损，螺丝孔不能穿透到油箱内。

主油箱制成后，应经过检查、试漏，表面无裂纹及无渗漏现象，才能使用。

（2）油箱的灌装量应大于机组的总油量。

在灌油前，检查人员应仔细检查油箱内有无棉纱、焊渣等杂物残留，以防堵塞油管。

　　（3）主油箱上应安装排烟装置。

排烟要保持运行正常，在进出口处可装油烟分离器。

　　（4）主油箱上的油位计应能正确反映各点的油位，如有条件，宜装声、光油位监视信号装置，以便在事故排油时，可根据主油箱油位停止油泵运行，防止汽动油泵打空超速，造成喷油，引起火灾。

　　（5）严禁在主油箱内用高温蒸汽加热油品。

　　（6）主油箱应设置事故排油装置，便于在汽轮机油系统发生大火时，迅速排出主油箱中的油，以防火灾事故扩大。

　　3．消除油系统漏油的措施

（1）油系统设备及油管法兰的各接合面应平整，并采用适当的材料作垫片。

有些紧固件（如螺杆、螺母）处渗油，可将螺母改成罩帽式，并加紫铜垫，也可以在丝扣上缠裹四氟乙烯（塑料王）薄膜，并涂“609”密封胶。

（2）对于调速系统、油系统设备中的活动部件，或容易渗油处，可在结构上做改进或采取措施。

如减小直径、间隙；降低压差，增加密封长度；增开泻油孔槽等。

　　（3）根据具体情况，应尽量缩小汽轮机主轴承油挡间隙，油挡顶部的间隙一般为轴颈的万分之四至五，两侧为轴颈的万分之二，底部间隙一般为

　　0.03~0.05mm。

　　（4）油泵轴封，可改成机械密封或螺旋齿、锯齿形密封套等，以减少漏油。

　　三、运行的防火措施

（1）加强巡视检查。

巡视检查机组油系统附近的蒸汽管道的严密性，以防漏油着火。

运行人员发现任何渗油或漏油情况，必须认真查明部位及其原因，并在运行日记上记录备查。

发现有引起着火危险的漏油情况或漏油较严重时，运行人员除加强监视外，应采取防火措施，并尽快报告上级。

当机组振动较大时，应及时采取减少振动的措施。

（2）机组在运行过程中或定期试验时，发现下列情况，应停机检查并予排除。

①主汽门或调速汽门明显不严密或出现卡涩现象。

②油系统油质不洁或漏油严重。

③调节、保安系统出现失灵和卡涩现象。

④轴承振动明显增大，超过0．05mm。

⑤机组内有明显异常声音。

　　（3）机组在运行或试验时出现下列情况，应减负载或停机解决。

①主汽门、汽门、调速汽门的抽汽止回阀卡死。

②水、汽、油系统管道、法兰、焊缝泄漏，明显危及机组安全。

③附近机组或其他部位发生火灾，明显危及机组安全。

　　（4）机组运行或试验中出现下列情况，应立即停机。

　　①汽轮机油系统着火，就地采取措施还不能迅速扑灭。

　　②转轴转速飞升，超过额定转速112％。

　　③机组内部发生明显的金属响声或其他不正常响声，主轴承或端部油封发生火花或冒烟。

　　④机组突然发生强烈振动。

蒸汽系统、给水系统、油系统管道或附件发生破裂。

　　⑤蒸汽或过热蒸汽温度突然上升或下降，超过规定的极限，或出现水冲击现象。

　　⑥转轴轴向位移或胀差超过规定限值。

　　⑦油系统油压或油箱油位下降超过规定限值，轴承回油温度突然上升超过规定限值。

　　⑧发电机冒烟，或有绝缘烧焦气味。

　　⑨水冷发电机组断水超过30s。

　　⑩邻近机组大火或其他火灾，火势蔓延迅速，严重危及机组安全运行。

　　（5）运行中发生火灾时的紧急处理

　　①机房失火，但未蔓延到机组时，应立即采取火源隔离措施及灭火措施，控制火势蔓延。

当火势蔓延到机组并威胁机组安全时，应按事故处理规程规定紧急停机。

　　②电气系统、油系统应分别切断电源、油源和气源。

　　③应迅速喷雾状水或泡沫灭火。

同时，迅速搬走附近的可燃物质，以防止火势蔓延到邻近机组。

并加强对运行机组的保护。

　　④机组停机后，要视具体情况，继续盘车或维持低速运行，尽可能避免造成设备损坏。

同时要防止全厂用电中断，应保证消防用电和现场照明。

　　⑤机组在运行中发生火灾时，运行人员和工作人员不得擅自离开岗位，必须服从统一指挥，进行有关操作。

　　四汽轮机安全控制系统

（一）汽轮机监控任务

　　汽轮机是火力发电厂最重要的设备之一。

对它的监控包括以下内容。

（1）自动检测随着汽轮机组容量的不断增大，新蒸汽的温度和压力越来越高，需要监视的项目在不断增多。

目前，大容量汽轮机的自动检测项目已经包括：

发电机功率、新蒸汽的压力与温度、真空度、监视段抽气压力、润滑油压、转速、油动机行程、转子轴向位移、定子和转子内温度、转子与汽缸的相对膨胀、汽缸的热膨胀、汽缸与转子的热应力、汽轮机振动、主轴挠度、轴承温度与润滑油温度、推力瓦温度、推力轴承油膜压力、油箱油压、上下汽缸温差等许多项目。

对于抽汽供热机组，则还要增加抽气压力和抽气流量等监测项目。

（2）自动保护汽轮机是处在高温高压下工作的高速旋转机械。

为了在故障情况下保护设备的安全，需要有完善的自动保护设备。

当汽轮机的运行参数超出正常范围时，自动保护设备将根据情况及时动作，或者发出警报提醒运行人员及时采取措施，或者自动采取一定措施。

当参数超过机组安全允许的范围，自动保护装置就及时动作，使汽轮机自动停机，避免事故的进一步扩大。

目前，大功率汽轮机自动保护装置的内容主要有：

超速保护、低油压保护、轴向位移保护、差胀保护、低真空保护、振动保护等。

为了能够可靠地对汽轮机进行保护，对某些参数还采取了双重甚至多重保护。

　　（3）自动控制电力用户要求汽轮发电设备提供足够数量的电力和保证供电的质量。

供电的频率是供电质量的主要标志之一，为了使供电频率维持在一定的精度范围之内，要求汽轮机具有高性能的转速自动控制系统。

另外，使汽轮机转速自动保持在一定的范围之内，对汽轮机本体的安全也是重要的保障。

　　对于既供电又供热的汽轮机，例如抽气式汽轮机和背压式汽轮机，为了保证供给用户足够数量和一定质量（压力）的蒸汽，这些机组必须有压力自动控制系统。

　　除了转速和压力自动控制系统之外，大功率汽轮机一般还具有汽封气压、旁路系统、凝汽器水位等辅助自动控制系统。

　　（4）程序控制汽轮机的程序控制主要是指汽轮机的自动启动和停机。

采用自动启停不但可以节约劳动力和减轻工人的劳动强度，而且还可以缩短启动时间，避免误操作，提高汽轮机安全运行的经济性和可靠性。

（二）转速自动控制

　　当汽轮机用于拖动交流发电机时，所发交流电的频率应保持不变，也即在电负荷变化时，汽轮机的转速应保持不变。

因为对于双极的工作转速"＝3000r／min的发电机，交流电的频率

　　而对于四极的工作转速n＝1500r／min的发电机，交流电的频率

　　虽然在额定转速下运行时，发电频率都是50Hz，而当转速偏离额定值时，其电频率也会发生变化。

　　图18—17是汽轮机转速控制系统的示意图。

它是由具有一级放大的机械液压系统实现的。

当汽轮机负荷减少而导致转速升高时，离心调速器1的重锤向外张开。

滑环A向上移动，通过杠杆2带动错油门5向上移动，这时错油门滑阀套上的油口m和自油泵来的压力油管连通，而下部的油口n则和排油口相通。

压力油经过油口／n流人油动机3活塞的上腔，在上腔中形成高的压力，而油动机活塞下腔则通过错油门下部的油口n和排油口相通，在下腔中形成低的压力。

油动机活塞上下的油压力之差推动活塞向下移动，关下控制阀4。

转速降低时，则相反动作，最终会开大调节阀。

　　以上仅是机械液压系统的一个简单例子。

它只有一级放大，而目前汽轮机控制系统已有很大改进，放大次数往往不止一次，而且除了机械液压系统外，还有电子液压系统。

图18—18即是用电液系统实现的汽轮机转速控制系统示意图。

由图可见，被控对象，液压放大及执行元件与机械液压系统完全相同。

只是用电子测速元件代替机械调速器。

给定信号改用可调的直流电压。

偏差信号的校正可由电动控制器完成。

控制器的输出信号经功率放大后再经电液转换器，将电信号转换成液压信号。

该液压信号控制油动机，进而开大或关小控制阀，达到控制转速的目的。

电液控制系统和机械液压系统相比，容易实现各种控制规律。

　　下面介绍的中间再热式汽轮机的控制系统就是基于电液系统的。

　　（三）中间再热式汽轮机安全控制

　　随着单机容量的增长，中间再热式汽轮机得到了越来越广的应用。

目前世界上功率较大的电站汽轮机几乎都采用中间再热式汽轮机。

与一般凝汽式汽轮机相比，采用中间再热可以提高循环效率，降低煤耗。

　　中间再热式汽轮机的一般工作原理如图18—19所示。

新蒸汽经过控制阀在高压缸内膨胀做功后，被引入锅炉的中间再热器再一次加热，然后回到汽轮机的中、低压缸继续做功，最后排人凝汽器。

中间再热在提高效率的同时，也会给汽轮机的控制带来一些新问题，归纳起来有以下三项。

（1）甩负荷后的转速飞升因为中间再热容积包括了从汽机车间回到锅炉车间，从锅炉车间返回汽机车间，以及锅炉内部再热器的全部管道，总长达200—300m。

管道内蒸汽压力也比较高，一般可达1.9l一3.92MPa。

因此在汽轮机甩负荷后即使高压缸主汽阀和控制阀立即关死，仅由于中间再热容积中的蒸汽在中低气压缸中膨胀所做的功，就足以使汽轮机产生严重超速而发生事故。

（2）机炉的相互配合问题中间再热机组必然是单元机组，每一台（或二台）锅炉所产生的蒸汽只供给一台汽轮机使用。

这必须解决两者在下述工况下的配合问题。

①锅炉的最小蒸发量通常不小于其额定值的50％，低于这个限度锅炉一般不能稳定运行。

而汽轮机的空载流量仅为其额定值的5％～8％。

所以在汽轮机启动、低负荷以及短时间的空负荷运行时，需要设法处理锅炉的多余蒸汽，否则将引起锅炉安全阀动作，这一方面将损失大量的冷凝水，另一方面对设备也会带来一定的影响。

②中间再热器要求经常流过一定数量的蒸汽以冷却其管道，如某厂生产的2×105kW中间再热汽轮机的最低冷却流量为额定值的14％，而汽轮机的空载流量只有5％～8％，所以在启动和空载运行时要考虑中间再热器的保护问题。

　　在汽轮甩负荷时，既存在中间再热器的保护问题，又存在保持锅炉安全稳定运行的问题，有可能的情况下还要设法回收冷凝水。

　　（3）参加电网调频能力的问题对于一般凝汽式汽轮机，蒸汽量基本上是跟随调节阀的开度而变化的。

因此，控制阀开大（或关小）的时候汽轮机功率将随之增大（或关小），两者的变化可以说基本上同时进行的。

但是，对于中间再热式汽轮机来讲情况就不同了，当控制阀开大时，立即发生变化的仅仅是高压缸流量，而中、低压缸的蒸汽流量则只有在中间再热器中的蒸汽压力逐渐升高的过程中才能逐渐增大。

调节阀关小时，由于同样原因，中、低压缸蒸汽流量也只能逐渐减小。

由于中间再热容积很大，其压力的变化是缓慢的，因此中、低压缸的蒸汽流量只能作缓慢的变化。

这样，对于中间再热式汽轮机，当控制阀开度变化时，只有高压缸的功率是迅速地随着阀门的开度而变化，而中、低压缸的功率变化则只能缓慢地进行。

特别因为中间再热式汽轮机的中、低缸功率占汽轮机总功率很大的比例（3／2～3／4），因此中间再热式汽轮机功率变化缓慢不能迅速适应负荷变化需要的矛盾就比较突出。

　　如果近似地将中间再热容积看成是单容过程，可以用一个惯性环节1／Tps+1来表示，则中间再热汽轮机的传递函数方框图将如图18—20所示。

图中a1代表高压缸功率在整机功率中所占比例；a2代表中、低压缸功率所占比例。

由于喷嘴室容积时间常数T0很小，所以在控制阀开度µ作阶跃变化时，高压缸功率v1几乎是同时变化的。

而中间再热容积的时间常数Tp很大，所以中、低压缸的功率。

v2则变化缓慢。

　　当电网负荷增加，频率降低时，要求汽轮机控制阀及时开大，增大汽轮机功率以调整电网频率。

由于中间再热汽轮机功率变化缓慢，因此调频作用不如一般凝汽式汽轮机。

　　根据电网的具体情况，对于中间再热机组参加一次调频的能力提出不同的要求。

大容量的电网由于它自身的自平衡能力已经能够使电网频率保持高度的稳定，所以对每一台机组一次调频的能力要求不高。

只有对一些中小电网，而且再热机组在其中所占比重又较大时，再热机组参加一次调频能力低的矛盾才比较突出。