بررسی علت جام کردن شفت توربین بخار

۱- شرح حادثه جام کردن شفت توربین بخار

یک نیروگاه سیکل ترکیبی شامل یک واحد توربین بخار مدل MST 50C (معادل توربین تایپ E شرکت زیمنس) ساخت شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا (توگا) به همراه سیستم خنک‌کاری ACC (Air Cooled Condenser) است. این واحد در دچار تریپ ناخواسته بویلر و به تبع آن تریپ توربین بخار می‌گردد. پس از تریپ، دور توربین بصورت نرمال از 3000rpm به 60rpm (که اصطلاحا به چرخش روتور در این دور که توسط هیدروموتور مجزا انجام می‌شود، مود ترنینگ‌گیر (Turning Gear) می‌گویند) کاهش و در حدود ۳ دقیقه بعد دور روتور بطور ناگهانی به صفر کاهش یافته است. امکان چرخش آنچه به وسیله هیدروموتور و چه بارینگ‌گیر (Barring Gear) (وسیله‌ای برای چرخاندن دستی روتور در حالتیکه که امکان چرخش با هیدروموتور میسر نباشد) کم و بیش تا حدود ۴۸ ساعت نیز فراهم نمی‌گردد. پس از ۴۸ ساعت و بدون انجام اقدام اصلاحی، روتور مجدداً آزاد می‌شود. پس از وقوع این موضوع بررسی دلایل وقوع این حادثه آغاز شد. این مقاله شرح بررسی‌های انجام گرفته مرتبط با حوزه توربین و همچنین راهکارهای توصیه شده به منظور عدم تكرار مشکل مشابه و افزایش قابلیت اطمینان بهره‌برداری از اینگونه پلنت‌ها می‌باشد.

٢- تحلیل دلایل جام کردن شفت توربین بخار

۲-۱) مطابق بررسی‌هایی که توسط تیم علت‌یابی انجام گرفت، مشخص گردید که به دلیل اشتباه یکی از پیمانکاران تصفیه‌خانه آب، ولو ورودی CPP (Condensate Purification Plant) بدون هماهنگی با بهره‌بردار باز می‌شود، در نتیجه آن فلوى آب کندانس به سمت CPP جریان یافته و فلوی آب کندانس در خط CEP (Condensate Extraction Pump) به دی‌اریتور کاهش می‌یابد. این امر از یک سو منجر به تریپ پمپ‌های CEP، بویلرها و متعاقب آن توربین بخار تریپ شده و از سوی دیگر باعث افزایش سطح آب در CRT (Condensate Receiver Tank) و هات‌ول (Hot well) و متعاقبا فلش‌باکس (Flash Box) (تصویر 1) می‌گردد.

تصویر 1: نمایی از چیدمان واحد بخاری MST50C با سیستم خنک‌کن ACC

1) محفظه FLASH BOX 2) محفظه HOT WELL 3) توربین MST50C 4) داکت کندانسور

از آنجا که دو خط درین انتهایی توربین که به پوسته بیرونی (Outer Casing) توربین متصل هستند به هات‌ول و فلش‌باکس تخلیه می‌شوند (تصویر ۲)، بالا آمدن سطح آب در آنها مانع از تخلیه درین شده و نتیجتا آب کندانس در درون توربین باقی مانده است.

تصویر 2: برش عمودی از توربین MST50C

با توجه به اختلاف دمای بین منطقه محبوس شدن کندانس در انتهای خروجی توربین سمت کم‌فشار (که در تصویر ۲ نشان داده شده است) و منطقه پرفشار، فرایند انتقال حرارت صورت گرفته باعث سرد شدن سریع‌تر نیمه پایین پوسته بیرونی توربین گردیده است. گواه این موضوع افزایش سریع اختلاف دمای نیمه‌های بالایی و پایینی پوسته بیرونی توربین در زمان حادثه است؛ بر اساس لاگ‌های دریافتی از زمان تریپ توربین، اختلاف دمای نیمه بالا و پایین پوسته توربین در بیشترین مقدار قبل از توقف حدود 43 درجه و بعد از توقف 49 درجه است که اگرچه کمتر از حد آلارم، یعنی 55 درجه می‌باشد، اما به سرعت زیاد شده است، به نحوی که احتمالاً در مواضعی به جز محل اندازه‌گیری، از حد آلارم هم تجاوز کرده است. از آنجا که طی حادثه مورد بحث، این اختلاف دمای دو نیمه به سرعت برطرف نگردیده، می‌تواند منجر به اعوجاج پوسته‌ها شده باشد.

۲-۲) به دلیل بسته شدن ولو کنترلی بخار سیل (Supply Steam Valve)، هوای سرد به مدت حدود یک ساعت به داخل توربین وارد شده است. بر اساس مدرک توضیح‌دهنده بخش‌های مختلف توربین (System Description) توربین MST50C اینگونه نفوذ هوا به داخل توربین، البته به مدتی طولانی‌تر از مقدار یاد شده، می‌تواند منجر به تماس سیل‌های داخلی توربین شود.

نمودار ۱: منحنی نفوذ هوا که زمان مجاز نفوذ هوا به توربین را بر اساس دمای متوسط روتور نشان می‌دهد.

بر اساس نمودار ۱ (نمودار زمان مجاز نفوذ هوا به داخل توربین بر حسب دمای متوسط روتور در زمان شروع نفوذ هوا)، نفوذ هوای محیط در زمانی بیشتر از ۹۰ دقیقه و در شرایطی که توربین کاملا داغ است، می‌تواند منجر به سایش سیل‌ها شود. هر چند با نفوذ هوا به مدت کمتر از ۹۰ دقیقه احتمال سایش کم است، اما این نفوذ هوا موجب تشدید سرد شدن نامتقارن اجزای داغ می‌شود. هر یک از دو دلیل یاد شده 2-1 و ۲-۲ فوق احتمالا در حدی نبوده‌اند که بتوانند به تنهایی موجب تماس سیل‌های داخلی و توقف روتور گردند، اما تجمیع اثر ناشی از هر دو پدیده به نحوی باعث اعوجاج اجزای داخلی شده که منجر به تماس اجزای روتور با پوسته شده است. این اعوجاج موقتی بوده و با کاهش اختلاف دمای اجزا در اثر گذشت زمان از بین رفته و بعد از ۴۸ ساعت روتور از تماس با پوسته آزاد شده است.

۳- طرح‌های بهبود برای پیشگیری از تکرار حادثه جام کردن شفت توربین بخار

3-1) ولو خلا شکن

به منظور اطمینان از تخلیه کندانس از توربین، لازم است شرایطی فراهم گردد تا در شرایط مشابه حادثه مورد بحث سطح آب درون هات‌ول با سرعت بیشتری کاهش یابد. همچنین برای جلوگیری از شدت آسیب‌های ناشی از تماس اجزای داخلی در دور بالاتر از ترنینگ‌گیر، می‌توان دور توربین را در زمان کوتاه‌تری به دور ترنینگ‌گیر کاهش داد. به این منظور تصمیمات زیر اتخاذ گردید:

الف: در صورت تریپ توربین و بشرط اینکه فشار بخار سیل به مدت ۵ دقیقه کمتر از ۱۰ میلی بار باشد، ولو خط‌شکن با ست‌پوینت فشار ۰٫۳۵ الی ۰٫۴۵ بار باز شود.

ب: در صورت افزایش سطح هات‌ول به بالاتر از ۲۴۵۰ میلیمتر (که بالاتر از حد بسیار بالای هات‌ول (HH Hot Well) و تریپ توربین بخار و بای =‌پس است) ولو خط‌شکن با ۱۰ ثانیه تاخیر باز شود و با ست‌پوینت فشار ۰٫۳۵ الی ۰٫۴۵ بار عمل کند. این مورد جهت کاهش سریع سرعت توربین بخار و فراهم نمودن امکان درین اضطراری هات‌ول برای بهره‌بردار اعمال می‌گردد و بایستی در دستورالعمل بهره‌برداری قید شود که در صورتیکه در فشار ۰٫۴۵ بار امکان درین میسر نشد، بهره‌بردار می‌تواند بصورت دستی شکست خلاء را تا حد فشار اتمسفر ادامه دهد.

۳-۲) آلارم NON-COINCIDENCE

در طراحی سیستم بخار سیل، چنانچه اختلاف دمای ترموکوپل‌های عقبی و جلویی (که بر روی هدر بخار سیل‌کننده دو انتهای توربین نصب هستند) به بیش از ۵ درجه سانتی‌گراد افزایش یابد، کنترل ولو بخار سیل از حالت اتوماتیک به حالت دستی تغییر می‌یابد. بر اساس اطلاعات نیروگاه  در حالت نرمال اختلاف دمای ترموکوپل‌های عقبی و جلویی به ترتیب ۱۱ درجه و ۸ درجه بوده که بیشتر از حد ۵ درجه می‌باشد و نتیجتا باعث بسته ماندن ولو بخار سیل می‌شده است. به منظور اعمال کنترل اتوماتیک در بازه وسیع‌تر از اختلاف حالت دمای نرمال و همچنین اعمال کنترل دستی ولو بخار سیل صرفا در شرایط غیر نرمال، حد تغيير مود اتوماتیک به دستی از ۵ درجه به ۲۰ درجه سانتی‌گراد افزایش یافت.

نتیجه‌گیری بررسی علل جام کردن شفت توربین بخار

علت حادثه ناشی از برآیند دو اثر سرد شدن نامتقارن اجزای داخلی بر اثر نفوذ هوای سرد به داخل توربین و عدم تخلیه سریع آب کندانس از درون توربین بوده است. وقوع هر یک از عوامل فوق به تنهایی قادر به بروز حادثه نیروگاه  نیستند و جمع شدن دو پدیده به وقوع آن منجر شده است. بهره‌بردار پلنت می‌توانسته با باز کردن دستی ولو خلاشکن و عدم راه‌اندازی پیش از اطمینان از سلامت اجزای سیستم نظیر ولو خروجی یکی از پمپ‌های CEP از وقوع این حادثه پیش‌گیری نماید. جهت اطمینان از عدم تكرار حادثه مشابه، اصلاح لاجیک عملکرد شیر خلاءشکن و تغییر در بازه اختلاف دمایی که منجر به آلارم NON-COINCIDENCE می‌شود صورت گرفت.

منبع: علی نصرتی، محمد سیف اللهی، اسحاق عباسی، علی قربانی فر “علت یابی توقف روتور توربین بخار نیروگاه زواره و افزایش قابلیت بهره برداری”