汽轮机超速的典型事故

鲁兰军

1、事故经过
某热电厂装备有3台上海汽轮机厂出产的C50-90/13-1型汽轮发电机组。1998年1月17日凌晨，2号汽轮发电机组在电负荷48MW、供热抽汽140t/h、主汽流量290t/h的工况下正常运行，7时25分，乙组水冷泵水压低联动甲组水冷泵成功。经运行人员对乙组水冷泵机械、电气及联锁回路仔细检查后未发现任何异常。7时40分，运行人员按规程要求进行联动泵的停运操作，当甲组水冷泵出口阀关闭后，内冷水压力迅速降低，断水保护动作，发电机出口油开关跳闸，汽轮机甩负荷，转速飞升，机组声音异常，出现超速征兆。运行人员立即打闸，进行破坏真空紧急停机操作，关闭电动主闸阀、供热抽汽电动阀等。但转速不能控制，最高转速达到3950r/min，停留约1min后转速逐渐回落至停机。
2、事故原因分析
超速保安系统按动作转速的先后依次为电超速保护、危急遮断器、超速14%磁力断路油门，另外，还有危急遮断装置的脱扣手柄及盘内“主汽阀跳闸”开关。
事故发生后，停机进行检查，发现水冷箱补水门浮球脱落在水冷泵B进水口附近；电动主汽阀、自动主汽阀、调速汽阀严密性不好（停机后，如果关闭低负荷喷水，排汽缸温度可升至100℃左右），一段、二段供热抽汽水动止回阀动作灵活，但二段抽汽至高压除氧器水动止回阀活塞脱落卡涩；中压旋转隔板卡在开度50mm处。汽轮机油中含有大量杂质、水分，外观混浊，有乳化现象；油箱内壁脏污，整个系统及部件解体清洗后仍有少量颗粒杂质；危急遮断油门被纤维状杂物卡涩。超速14%保护动作油压按厂家参数定值，设计值为额定转速下一次油压0.218MPa，动作转速一次油压0.283MPa，主油泵出口油压1.373MPa；但实际运行中额定转速下一次油压偏低，仅为0.204MPa，因此实际动作转速明显偏高，实验得出动作转速约为3600r/min。
水冷泵B失水引发是本次事故的原因。浮球脱落后堵塞水泵入口，使吸水不足，水压低联动水冷泵A，运行人员未能从根本上查清联动原因，联动泵停运后，导致断水保护动作，发电机解列，汽轮机甩负荷。
危急遮断飞环按规定值出击后，危急遮断油门拒动，转速进一步飞升，是本次事故的主要原因之一。
因一次油压与主油泵出口油压定值不当，超速14%磁力断路油门延迟到3600r/min左右动作，再次降低保安装置的可靠性，是本次事故的主要原因之二。
自动主汽阀、电动主闸阀、调速汽阀内漏；蒸汽品质不良、结垢导致自动主汽阀、调速汽阀阀杆卡涩，使预启阀关闭不严；二段除氧抽汽水动止回阀活塞脱落卡涩，中压旋转隔板卡涩；非正常进汽使汽轮机飞车，是本次事故的主要原因之三。
3、事故危害及处理措施
汽轮机转速升至3950r/min时，离心应力已达到额定转速下的1.734倍，过盈配合的转动部件应力松弛而产生松动，及离心应力超过材料允许强度而在转动部件应力集中区产生破坏等问题是事故检查处理的重点。
某厂委托湖北省电力试验研究院对末三级叶片及第11级叶根进行了强度校核计算。以检查封口叶片销钉是否产生变形和裂纹；叶根能否承受如此大的拉应力；围带及铆钉能否承受3950r/min下的剪切应力和拉应力等。
（1）末三级叶片销钉在超速至3950r/min时，计算得出其剪切应力最大达4550kg/cm2（16级）。销钉材料25Cr2MoVA的屈服强度为7000kg/cm2，剪切强度为5100至6350kg/cm2。由此可见，销钉在3950r/min转速下剪切应力小于该材料的许用剪切应力，销钉应不会发生形变。
（2）末三级叶片叶根在超速至3950r/min时，计算得出其剪切应力最大达3981.4kg/cm2（15级）。叶片材料2Cr13的屈服极限为4500kg/cm2，叶轮的屈服极限为6500至7700kg/cm2。由此可见，在3950r/min转速下叶轮的强度可承受该拉应力；末三级叶片叶根在3950r/min转速下承受的拉应力小于材料屈服强度，此次超速不会引起叶根处产生变形。
（3）第11级叶片由围带铆接成组，经对该级叶片铆钉头受力状态的计算结果分析表明，围带铆钉3950r/min转速下剪切应力和拉应力均小于材料的许用应力，可继续运行。
同时对末四级叶片进行了测频，结果表明，机组超速后各级叶片频率与1997年大修中测频数据对比无明显变化，均在厂家要求的合格范围内，外观检查也未发现有叶根位移和拉伸迹象。
转速的提高将会造成转子切向应力的增大。为了对机组超速给转子产生的损伤有一全面的了解，并确保机组安全运行，委托电力部西安热工研究院对汽轮机转子进行无损检测，结果如下：
（1）转子中心孔表面（0至3mm范围）经涡流检测，未发现缺陷。
（2）转子内部经超声波检测，未发现大于或等于2mm当量直径的缺陷。
（3）主轴、叶轮、叶片、围带、拉筋、靠背轮等外表面应力集中区域，经检查未发现裂纹性缺陷及塑性变形。
（4）主轴在整锻与套装变截面处超声波探伤未发现缺陷。
（5）末级叶片定位圈圆柱端紧固螺钉松动检查，未发现裂纹及松动。
（6）对靠背轮螺栓进行磁粉探伤，发现3只螺栓有裂纹，为安全起见，全部更换了靠背轮螺栓。
此外，工厂检修人员还进行了大轴弯曲测量；套装叶轮膨胀间隙检测；叶片外观检查，叶片表面着色检查；前后叶轮平衡块松动检查；旋转隔板变形检查；叶轮、推力盘、靠背轮瓢偏度检查；结果均属正常。为解决油质问题，在全面解体清扫油系统的基础上，更换了新油。
对发电机及励磁机转子进行了以下检查：
（1）对发电机转子两端风叶松动检查、着色探伤，未发现缺陷。
（2）对发电机转子进行水压试验，结果发现丁腈管接头多处泄漏，且检查发现小护环有松动现象。
（3）在更换丁腈管时，对大、小护环进行了超声波探伤，未发现缺陷。
（4）用大电流（额定电流的20%）法测量直流电阻。
（5）对励磁机转子升高片外观检查，情况正常。
（6）发电机定子作直流耐压试验，测泄漏电流，无异常。
（7）试运中对发电机转子进行了动态测试，不同转速下（最高至3100r/min左右）的绝缘电阻、交流阻抗及功率损耗均在正常范围之内。
经揭缸检查通流部分无明显异常，金相探伤无危及运行的缺陷，发电机转子各项检查及试验合格，可考虑投入试运行。
4、改进措施
（1）保护定值不能一律照搬生产厂家给的设计值，要及时按现场实际进行校核更正。超速14%保护重新做动态试验后按实际核算整定为一次油压0.270MPa，主油泵出口油压1.350MPa。
（2）恢复使用轴封汽压力自动调节系统，使轴封汽压力稳定，减少油中进水的机会。
（3）定期核准各重点保护电接点压力表并更换精度等级更高的压力表。
（4）选用智能转速表，替换现役转速表，用转速表的报警和保护输出功能取代油压接点信号，便于日常监测和事故分析。
（5）分析优化超速保护回路，统一动作条件，对改增智能表和一次油压信号采用先串联后并联的方式进入超速保护，以保证保护动作的可靠性。
（6）投入油净化装置，配套大功率滤油设施，严格控制汽轮机油品质。
（7）增设热工工作备用电源，防止工作电源失电后使热工保护（包括超速保护）失去保护功能。
（8）完善恢复机组热风烘干系统，保证能随时连续投入使用，以防止停机后部件的锈蚀。在未完善前用抽真空法加以保养。
（9）高压油动机加装电磁阀，加速二次油泄压，使调节汽阀更快关闭。