1000MW超超临界汽轮机事故原因分析和处理方案

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司2015年3月潮州4#汽轮机事故原因分析及解决方案潮州三百门4#汽轮机是由哈汽—东芝联合设计制造的超超临界1000MW汽轮机。汽轮机为一次中间再热、四缸、四排汽（双流低压缸）单轴、冲动凝汽式汽轮机，型号：N1000-25/600/600。高、中压第一级隔板、动叶片，低压末三级动叶片及末级隔板由东芝公司供货，其余由哈汽供货。汽轮机纵剖面图级数：HP：II+9；IP：2×7；LP：2×2×6；共48级。

事故简述：3月18日揭缸检查发现中压第2级隔板导叶片整圈脱落，第2级动叶片整圈全部从根部断裂,中压转子第2级轮缘处有较严重损伤,中压第1级动叶片出汽边有较严重损伤。原因分析：

汽轮机形式为冲动凝汽式。冲动式汽轮机由于其工作原理，静叶前后存在很大的压差，需设计成隔板结构。本台机组隔板采用焊接隔板，由隔板外环（件1）、外围带（件2）、静叶片（件3）、内围带（件4）、隔板体（件5）和附属的紧固件所组成。铣制成型的静叶片嵌装在加工有叶型孔的内外围带上，焊成环形静叶栅，然后再将静叶栅与隔板外环和隔板体焊在一起。

隔板结构示意图原因分析：

装焊隔板时通过下列方式进行装配焊接。导叶插入到内外围带的孔中，通过角焊进行固定。然后将静叶与外环和内环进行焊接。静叶隔板的结构围带原因分析本机组蒸汽参数高，主蒸汽压力达到25Mpa，主蒸汽温度达到600℃，所以汽轮机单级焓降很大。汽轮机采用冲动式，动叶前后没有压差，而隔板需承受该级的全部压力差，使得隔板外环和板体需要有很大的厚度，以保证有足够的强度能够承受前后的强差，同时避免产生变形。但宽厚的外环和隔板体也加长了焊接焊缝的长度，使焊接质量控制困难，中压第2级隔板的焊缝长度超过120mm（如图所示）。122123原因分析

经调查，在本机组出产时，哈汽缺少窄间隙自动焊设备，高、中压隔板采用普通气体保护焊机配加长焊嘴方式焊接。此种焊接方式焊枪不能摆动，存在焊接后导叶片、隔板体焊接部位融合不良，焊接质量保证存在隐患。造成导叶在蒸汽压力作用下，从围带中脱落，隔板体缺少导叶支撑，在压力作用下，向第2级叶轮方向移动，与转子发生碰摩，同时使得导叶向动叶移动，磕碰动叶片。级号进汽侧焊口深度出汽侧焊口深度高压2级12377高压3级16151高压4级14453高压5级8553高压6级8453高压7级7153高压8级5154高压9级6054高压10级5058中压1级150（进口）

中压2级12464中压3级11055中压4级6163中压5级7060中压6级8761中压7级7558低压1级

113低压2级6756低压3级8560低压4级11856三百门项目隔板强度级号导叶板体

应力(MPa)挠度(mm)应力(MPa)挠度(mm)

101

高压10245.9620.17727.9290.25高压103138.6970.74474.4771.047高压104142.020.87379.5311.227高压105156.5221.993142.1672.823高压106155.9351.797128.1952.54高压107174.4282.63162.9373.723高压108161.2811.851121.042.61高压109170.3493.628181.0525.143高压110165.3152.962151.5374.191高压111

中压11275.7311.1766.3281.664中压113108.241.53177.4332.17中压11466.1511.35766.1531.927中压115209.6561.70767.0352.361中压116227.5212.11169.9252.893中压117205.3632.26569.9713.095中压118

中压11975.7311.14765.4211.63中压120108.241.48375.7322.101中压12166.1511.32364.9981.878中压122209.6561.57362.9922.169中压123227.521267.0212.734中压124205.3632.24969.6013.073中压12563.5410.43822.4690.618低压112659.4252.39475.0973.526低压1127168.2171.89849.7262.692低压112857.4220.59515.20.822低压112940.3260.4276.5010.537低压113046.2060.7893.2480.86低压113163.5410.39220.7630.552低压113259.4252.43575.9643.586低压1133168.2172.03652.4622.896低压113457.4220.6616.5730.918低压113540.3260.4436.8030.561低压113646.2060.7893.2480.86低压113763.5410.44322.6530.625低压213859.4252.13969.5643.149低压2139168.2171.70545.7612.407低压214057.4220.58715.0260.81低压214140.3260.4426.7810.559低压214246.2060.83.4350.877低压214363.5410.35819.4830.504低压214459.4252.43475.9423.584低压2145168.2170.5716.5470.729低压214657.4220.72917.9631.019低压214740.3260.4657.1980.593低压214846.2060.83.4350.877低压2推定损伤发展过程示意图推定损伤过程

推定损伤发展过程如下：

（1）静叶根部和顶部部分脱离；

（2）内环移向第2级叶轮；

（3）内环接触到第2级叶轮进汽侧；

（4）内环外侧和叶轮前侧因转子转动摩擦而磨损；

（5）由于内环和叶轮之间摩擦产生的回转力造成静叶脱离；

（6）脱离的静叶卡住第2级动叶，而第2级动叶正在以转子相同的转速运动；

（7）第2级动叶因撞击损坏；

（8）损坏的动叶卡住第2级静叶和动叶。

（9）导叶由于动叶碰撞产生反弹，磕碰中压第1级动叶。根据4#机组现状，确定临时采取中压电端缺级运行的处理办法，缺级运行前需对机组高中压通流部件进行返厂检修和加固，返厂检修周期为1个月（不包括运输时间），详细方案如下：高、中压隔板和中压转子返厂检修；低压隔板现场探伤检查，视情况决定是否返厂加固；高压转子现场测量跳动，判断弯曲情况，再决定是否返厂。第一阶段4#机组解决方案

高压部分（返厂检查、处理部件示意图）：序号图号名称序号图号名称1CCH02.102Z-2高压第2级隔板6CCH02.107Z-2高压第7级隔板2CCH02.103Z-2高压第3级隔板7CCH02.108Z-2高压第8级隔板3CCH02.104Z-2高压第4级隔板8CCH02.109Z-2高压第9级隔板4CCH02.105Z-2高压第5级隔板9CCH02.110Z-2高压第10级隔板5CCH02.106Z-2高压第6级隔板2、返厂部套检修工作内容：(1)高中压隔板隔板变形检查

叶片与隔板内外环焊缝检查隔板加固(见隔板加固方案示意图)加固后修复，更换易损件。(2)中压转子转子检查跳动、是否弯曲加工去除弯曲和可能存在的裂纹动叶片损伤处理（更换中压第1级电端叶片；车除2级动叶残留部分）重新动平衡序号图号名称序号图号名称1CCH02.111Z-2中压第11级隔板(现场探伤)7CCH02.119Z-2中压第13级隔板(电)2CCH02.113Z-2中压第13级隔板(调)8CCH02.120Z-2中压第14级隔板(电)3CCH02.114Z-2中压第14级隔板(调)11CCH02.121Z-2中压第15级隔板(电)4CCH02.115Z-2中压第15级隔板(调)12CCH02.122Z-2中压第16级隔板(电)5CCH02.116Z-2中压第16级隔板(调)13CCH02.123Z-2中压第17级隔板(电)6CCH02.117Z-2中压第17级隔板(调)14CCH02.272Z-2中压转子（更换第1级全部动叶）中压部分：隔板加固方案：缺级（缺电端第2级）运行方案的机组推力变化见下图，原设计推力＜3吨，现推力变化超标，调端第二级必须拆下。轴系临界转速（rpm）中压转子一阶二阶原设计值17254011电端第二级叶轮拿掉17474019电端、调端第二级叶轮拿掉17694026缺级运行方案，机组的临界转速：三百门4#中压第2级缺级强度计算结果名称单位第1级第2级第3级第4级第5级第6级第7级平均直径Dpdcm132.57133.89135.69137.99140.59143.79148.60出汽边高度Ldcm9.3810.7012.5014.8017.4020.6022.69叶片只数Zd\10810811610610610684蒸汽弯应力原设计Mpa24.029.751.723.821.227.935.0缺级100%Mpa37.6

52.524.521.728.435.6缺级90%Mpa33.5

46.621.919.325.331.7缺级85%Mpa31.5

43.720.618.223.829.8缺级80%Mpa29.5

40.919.417.122.327.9缺级70%Mpa25.6

35.416.814.819.424.2结论：根据以上计算，由于缺级运行，中压第一级焓降增大，中压第1级动叶蒸汽弯应力显著增加，为使机组安全运行，应控制中压第1级动叶蒸汽弯应力与原设计处于相当水平，且机组推力及轴系均在合理范围，所以建议将负荷控制在85%负荷缺中压电端第2级运行。根据3#机组现状，采取高、中压隔板返厂加固。低压隔板视探伤情况决定。周期为1个月（不包括运输时间）。第一阶段3#机组解决方案

重新设计制造高、中压隔板，更换中压转子（含全部动叶）；全部隔板采用导叶自带菱形头结构设计（与阳城改造形式相同）；制造周期6个月。第二阶段4#机组解决方案

重新设计制造高、中压隔板，全部隔板采用导叶自带菱形头结构设计（与阳城改造形式相同）；重新制造高、中压转子各一根（含全部动叶）；制造周期6个月。第二阶段3#、4#机组解决方案

如果此方案为最终方案，则4#机组需要最终更换中压转子和高、中压隔板（中压第一级除外）；3#机组最终更换高、中压隔板（中压第一级除外）；原：围带隔板新：菱形头隔板菱形头导叶围带

由于哈汽目前拥有的设计技术，较现运行的机组设计制造技术又有进一步提升，原机组采用冲动式设计理念，汽轮机改造技术采用反动式设计理念，将现役机组高、中压通流进行全新的升级改造，进一步提高机组的安全性和经济性。下面从通流型式、叶型选择、汽封间隙选择、动静叶装配形式等方面进行升级改造。如果选择此方案，则为3#、4#机组准备一套高中压转子和一套新型高中压隔板，以备出现类似事故时进行更换。第三阶段，3#、4#机组改造方案

主要技术改进点最新结构优化新型阀门技术全新多级反动式通流设计技术通流、结构、系统、运行、汽封--全方位改进优化技术改造方案回热系统优化运行模式优化27优化高压内缸变形小密封好优化排汽端型线减小流动损失三胞胎调节级动叶优化调节级焓降预扭装配式动静叶栅流线型高压喷嘴室多级数反动式通流T型叶根密封良好

高压缸模块改造-带调节级方案更高效率的“多级反动式”通流技术；减少每级焓降，重热系数高；叶片轴向宽度小，级效率高；最先进的后加载叶型，攻角适应范围广，变工况特性好充分发挥多级反动式技术优势缸效率提高2%以上高压缸增加4级（9→13）多齿小间隙汽封技术采用0号高加回热技术28按用户要求调整通流面积改造后高压缸通流改造前高压缸通流29高压典型级叶片表面极限流线改造前静叶改造后静叶改造前动叶改造后动叶改造后，采用小焓降、高效后加载叶型，端部二次流明显减弱；叶型攻角适应范围广，提高了机组变负荷运行经济性。30调节级喷嘴和三胞胎动叶焊接喷嘴刚性好热应力小热膨胀性好子午面收缩，表面渗硼强化固粒腐蚀下降为原材料0.02弹性密封热膨胀性能好运行时无泄漏三胞胎叶片，高强度适应顺序阀运行模式优化型调节级汽室31减少制造工序节约加工周期没有焊接部分叶片预扭安装装配简单方便应用业绩丰富保证隔板制造精度易于叶片拆装更换预扭装配式隔板（静叶栅）32外置式蒸冷器系统优化技术蒸汽冷却器

由于中压缸中间抽汽级的抽汽温度较高，其过热度较大，直接加热给水会降低机组循环效率，采用外置蒸汽冷却器先加热高温给水可提高给水温度4-5℃，提高汽轮机内效率0.2%左右。增加外置蒸冷器后，既降低机组热耗，同时减少三号高加的设计难度。330号高加系统

高压缸设置0号高加抽汽口，保证75%THA工况下省煤器入口给水温度提高至300℃，50%THA工况下省煤器入口给水温度提高至280℃左右。工况抽汽压力MPa给水温度℃75%THA8.49130050%THA5.684276.5给水温度对热耗影响较大去0号高加34运行技术方面优化滑压参数，使进汽参数达到最高运行效率；优化阀门开启顺序和阀门开启点，寻求在给定负荷下的最佳滑压方式；通过分段及切换滑压的方法，运用多种滑压方式，达到在整个负荷区间上始终具有最好的运行经济性。35热耗KJ/KW.h

高压缸模块-取消调节级方案优化高压内缸变形小密封好多级数反动式通流采用0号高加回热技术更换高压外缸适应切向进汽方式和0号抽汽要求2×180°切向蜗壳进汽降低进口部分流动损失第一级横置静叶，蒸汽在速度和方向不发生骤变的情况下流入叶片，流动损失明显降低，气动效率提高1.3%红套环内缸密封技术各级动叶采用T型叶根，漏汽损失小全周进汽方式，无部分进汽损失和阀门节流损失第一级低反动度技术，降低转子工作温度优化排汽端型线减小流动损失预扭装配式动静叶栅多齿小间隙汽封技术更换高压缸模块更多级数更高效率的“多级反动式”通流技术；减少每级焓降，重热系数高；叶片轴向宽度小，级效率高；最先进的后加载叶型，攻角适应范围广，变工况特性好。转子重量与改前基本相当，汽缸重量较改前小10吨36切向蜗壳进汽高压缸进汽采用切向蜗壳，减小第一级导叶进口参数的切向不均匀性，提高效率。蜗壳结构能够减小进口部分的流动损失。蒸汽在速度和方向不发生骤变的情况下流入叶片。允许提高蒸汽流速，并具有很高的蒸汽动能转换效率第1级静叶与进汽蜗壳联合计算，总压损失系数0.6%。汽轮机进汽蜗壳实体图37高压进气蜗壳压力云图高压蜗壳进汽计算分析采用商业软件计算，ICEM划分网格，CFX求解。进口给定总温和总压，出口给定质量流量，工质为水蒸汽。蜗壳内部流域切面示意图YZ平面速度矢量图XY平面压力分布压力分布图蜗壳总压损失系数仅为0.15%。分析流动情况，汽流在蜗壳内逐渐膨胀加速，压力逐渐降低，变化均匀，压力等值线几乎与流线方向垂直。从压力云图看，由于切向进汽，汽流在离心力作用下，形成了蜗壳外侧压力高，内侧压力低，但切向非常均匀，压力等值线几乎是同心圆；38第一级横置静叶

高压缸第一级静叶片采用轴向布置形式，以配合切向蜗壳全周进汽形式；第一级采用了低反动式叶片级，第一级静叶后温度降低20℃，从而降低第一级叶轮和转子表面的温度，为高压转子提供有利的工作条件。提高第一级的级效率。第一级轴向布置静叶实体图39第1、2级子午面温度云图内缸红套环密封技术高压内缸采用规则的圆筒形结构，取消水平结合面的法兰。结构更紧凑，热应力小，适应性好，启动及变负荷时间短。红套环整圈受力、应力集中小、寿命长。内缸在长期稳态及瞬时变工况下运行期间无泄漏。40红套后的高压内缸和转子效果图现场检修、拆装方便、快捷现场安装：将高压模块整体起吊，缓慢落在轴承箱中，外缸猫爪支撑在轴承箱上，转子支撑在轴承上。调好后，拆卸定位环，连接转子对轮，高压模块与管道、阀门连接。41整体运输优化排汽端型线减小流动损失预扭装配式动静叶栅多级数反动式通流

中压缸模块改造--反动式方案更高效率的“多级反动式”通流技术；减少每级焓降，重热系数高；叶片轴向宽度小，级效率高；轴向间隙大，启动速度快；最先进的后加载叶型，攻角适应范围广，变工况特性好。充分发挥多级反动式技术优势缸效率提高1%左右新型汽封技术应用42高压主汽阀1.重新计算高调阀口径，减小余量，与负荷相符2.调整阀门相对行程，调整重叠度，实现顺序阀3.优化影响阀门压损因素高压调节阀高压阀门改造技术MSV执行机构CV执行机构阀门优化技术43现役机组阀门改造阀门优化技术改进型阀门特点：MSV：将主汽阀芯置于阀门顶部，减少汽流阻力，降低阀门损失。CV：调整阀门口径和行程，实现真正全开。调节阀座过盈量，调整为0.23~0.28mm，防止阀座脱落。改进后预测压损：3%-4%。44新型阀门技术----配合高压缸蜗壳进汽每个阀组包括2个主汽阀和2个调节阀。每个调节阀通过导汽管分别与上下缸一个进汽口相连。主汽阀带有预启阀，减少主汽门开启的提升力。主汽阀为阀门限位，具有自密封功能。调节阀为平衡阀，阀门限位，阀门全开时形成自密封45高压主调阀气动分析计算采用商业软件进行，ICEM划分网格，CFX求解。进口给定总温和总压，出口给定质量流量，工质为水蒸汽。高压主调阀