超超臨界汽輪機(jī)溫?zé)釕B(tài)啟動(dòng)過(guò)程中脹差偏大原因分析及措施

張亮杰

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽(yáng) 515223)

0 引言

脹差是汽輪機(jī)在啟停及運(yùn)行過(guò)程中要重點(diǎn)監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)，它實(shí)時(shí)反映了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸之間軸向動(dòng)靜間隙的變化，其數(shù)值過(guò)大或過(guò)小都可能使汽輪機(jī)軸向動(dòng)靜間隙減小或消失，導(dǎo)致碰磨，損壞設(shè)備。大型超超臨界汽輪機(jī)因機(jī)組參數(shù)高、軸系長(zhǎng)、受影響因素多等原因，在啟停過(guò)程中更容易出現(xiàn)脹差異常偏大的情況，延長(zhǎng)機(jī)組啟停的時(shí)間，造成較大經(jīng)濟(jì)損失，如果監(jiān)控處置不當(dāng)，甚至可能威脅機(jī)組安全，造成設(shè)備損壞。本文對(duì)某電廠一臺(tái)超超臨界汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程遇到的脹差偏大問(wèn)題進(jìn)行分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并給出相應(yīng)的預(yù)防控制措施。

1 設(shè)備概況

某電廠#3，#4機(jī)組采用東方汽輪機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的N1000-25.0/600/600型超超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽、純凝汽、沖動(dòng)式汽輪機(jī)，從機(jī)頭到機(jī)尾依次串聯(lián)1個(gè)高壓缸、1個(gè)中壓缸及2個(gè)低壓缸，如圖1所示[1]。為改善缸體內(nèi)外應(yīng)力及熱膨脹，高壓缸采用單流、雙層缸結(jié)構(gòu)，呈反向布置，由1個(gè)雙流調(diào)節(jié)級(jí)與8個(gè)單流壓力級(jí)組成。中壓缸采用反向雙流布置、雙層缸結(jié)構(gòu)，共有2×6個(gè)壓力級(jí)。2個(gè)低壓缸采用反向雙流布置、3層缸結(jié)構(gòu)，壓力級(jí)總數(shù)為2×2×6。

汽輪機(jī)總長(zhǎng)為35.6 m，在高、中壓缸之間的中間軸承座上安裝有推力軸承，以平衡蒸汽做功產(chǎn)生的附加軸向推力，是整個(gè)軸系的轉(zhuǎn)子相對(duì)死點(diǎn)。另外，機(jī)組汽缸共設(shè)有3個(gè)膨脹絕對(duì)死點(diǎn)，高、中壓缸膨脹絕對(duì)死點(diǎn)位于中、低壓缸之間軸承箱體內(nèi)，低壓缸膨脹絕對(duì)死點(diǎn)位于低壓缸中心點(diǎn)向機(jī)頭側(cè)過(guò)一點(diǎn)距離的位置上。絕對(duì)死點(diǎn)處的橫鍵限制汽缸的軸向位移；同時(shí)，在前軸承箱及2個(gè)低壓缸的縱向中心線前后設(shè)有縱向鍵，引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹從而限制橫向跑偏。

2 脹差測(cè)量原理及測(cè)點(diǎn)布置

高壓缸脹差(HP-DE)的測(cè)量盤(pán)即為前軸承箱體內(nèi)的測(cè)速齒盤(pán)，在高、中壓缸膨脹的共同作用下，高壓脹差探頭會(huì)隨著軸承箱體位移，位移量為中壓缸膨脹量和高壓缸膨脹量之和，而被測(cè)面即測(cè)速盤(pán)也會(huì)隨轉(zhuǎn)子相對(duì)死點(diǎn)位移，位移量為中壓缸膨脹量和高壓轉(zhuǎn)子膨脹量之和，探頭位移量與被測(cè)面位移量的差值即為高壓缸脹差，所以，高壓脹差真實(shí)反映了高壓缸缸體膨脹量與高壓轉(zhuǎn)子膨脹量的相對(duì)差值，一般為-7.8～14.0 mm。

中壓缸脹差(IP-DE)測(cè)量盤(pán)位于中、低壓缸之間靠機(jī)頭側(cè)，測(cè)量探頭位于高中壓缸的死點(diǎn)上。如圖1所示，在中壓缸膨脹的影響下，帶動(dòng)推力軸承使轉(zhuǎn)子上的測(cè)量盤(pán)跟著中壓缸一起向機(jī)頭方向位移，使得與探頭之間的間隙變小。同樣，中壓轉(zhuǎn)子自身的受熱膨脹會(huì)使推力盤(pán)處的相對(duì)死點(diǎn)向電機(jī)側(cè)方向位移，使得測(cè)量盤(pán)也會(huì)向發(fā)電機(jī)側(cè)位移，導(dǎo)致測(cè)量盤(pán)與探頭之間的間隙變大，所以，中壓缸脹差測(cè)得的也是中壓轉(zhuǎn)子與中壓缸在膨脹量上的真實(shí)差值，一般為-7.7～10.6 mm。

低壓缸脹差(LP-DE)的測(cè)量盤(pán)位于B低壓缸和發(fā)電機(jī)之間，低壓缸脹差測(cè)量探頭隨著B(niǎo)低壓缸缸體以其中心附近的死點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)行位移，而被測(cè)面則隨轉(zhuǎn)子以推力盤(pán)工作面處的軸系相對(duì)死點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)行位移，其位移量等于A，B低壓轉(zhuǎn)子膨脹量加上中壓轉(zhuǎn)子膨脹量再減去中壓缸缸體膨脹量，所以低壓脹差測(cè)得的并不是真實(shí)的低壓缸和低壓轉(zhuǎn)子之間的膨脹差值，而是中壓脹差加上2個(gè)低壓轉(zhuǎn)子與低壓B缸大半脹差之和，數(shù)值比較大，一般為-6.5～32.6 mm。

3 脹差偏大的情況及原因分析

2016年10月，#3機(jī)組停運(yùn)3d后重新啟動(dòng)，沖轉(zhuǎn)前高壓缸脹差為-5.40 mm，中壓缸脹差為-4.30 mm，低壓缸脹差為-0.87 mm，調(diào)節(jié)級(jí)后內(nèi)壁金屬溫度為386 ℃，按狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)，汽輪機(jī)處于溫態(tài)。沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)異常情況，在約1 400 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)#2Y軸振最高達(dá)到了198 μm，且只出現(xiàn)在#1，#2，#3軸承上，汽輪機(jī)被迫打閘停運(yùn)。

在汽輪機(jī)TDM系統(tǒng)調(diào)取振動(dòng)幅值最大的#2Y軸振的伯德分析圖(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)在升速至1 400 r/min左右時(shí)，不僅#2Y軸振的幅值持續(xù)快速攀升，而且其振動(dòng)相位也同時(shí)出現(xiàn)了大幅突變，結(jié)合異常振動(dòng)只出現(xiàn)在#1，#2，#3軸承且#2軸承振幅最大的情況，可以判斷在汽輪機(jī)高壓缸靠近#2軸承的部位出現(xiàn)了動(dòng)靜碰磨。當(dāng)時(shí)高壓缸的脹差僅為-5.2 mm，雖然負(fù)向偏大，但距-7.3 mm的保護(hù)跳閘值仍有一定裕度，出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨的原因待進(jìn)一步分析查證。

圖2 #2Y軸振的伯德分析圖

檢查發(fā)現(xiàn)，此次機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，自汽輪機(jī)投軸封、抽真空開(kāi)始，各脹差測(cè)量值均出現(xiàn)了不同程度的負(fù)向增大，高壓缸脹差變化幅度最大，從-4.2 mm負(fù)向增大至-5.4 mm。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)此情況的根源在于汽輪機(jī)軸封溫度不匹配，此次啟動(dòng)前汽輪機(jī)只停運(yùn)了3 d，仍處于溫態(tài)，調(diào)節(jié)級(jí)溫度高達(dá)390 ℃左右，而軸封投用的是輔汽汽源，溫度僅為260 ℃左右，巨大的溫差導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸封段受冷收縮，造成脹差負(fù)向增大。雖然測(cè)量值尚未達(dá)到高壓缸脹差保護(hù)定值(-7.8 mm)，但由于這種脹差負(fù)向增大的原因是轉(zhuǎn)子軸封段局部受冷收縮，與轉(zhuǎn)子和缸體的整體膨脹或收縮導(dǎo)致的脹差變化對(duì)動(dòng)靜間隙的影響完全不同，根據(jù)表1的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子基本參數(shù)[2]，結(jié)合圖1進(jìn)行分析折算如下。

D= [dL/(L1+L2)] [L2/(L1+L2)]=

[1.2×5 800/(406+508)]×

[508/(406+508)]=4.228 (mm) ，

式中：D為折算至轉(zhuǎn)子和缸體整體膨脹或收縮時(shí)的脹差變化值；d為轉(zhuǎn)子軸封段局部受冷收縮時(shí)產(chǎn)生的脹差變化值；L為高壓轉(zhuǎn)子支承內(nèi)跨距；L1為#1軸封段長(zhǎng)度；L2為#2軸封段長(zhǎng)度。

表1 轉(zhuǎn)子基本參數(shù)

由上述計(jì)算可見(jiàn)，此時(shí)絕對(duì)值僅1.2 mm的負(fù)脹差變化大約相當(dāng)于轉(zhuǎn)子和缸體整體膨脹或收縮時(shí)的4.2 mm，折算累加至當(dāng)時(shí)的負(fù)脹差測(cè)量值則為-8.4 mm，已超出了高壓缸脹差保護(hù)-7.8 mm的定值，造成高壓缸靠近#2軸承的部位動(dòng)靜間隙過(guò)小，而在沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中轉(zhuǎn)子因“泊松效應(yīng)”進(jìn)一步收縮[3]，導(dǎo)致動(dòng)靜間隙完全消失產(chǎn)生碰磨，汽輪機(jī)振動(dòng)異常被迫打閘。

4 處理措施及預(yù)防控制措施

明確問(wèn)題原因后，現(xiàn)場(chǎng)采用投入主蒸汽供軸封汽源的方式將軸封母管溫度由260 ℃逐漸提升至400 ℃左右，汽輪機(jī)經(jīng)過(guò)4 h的盤(pán)車(chē)后，高壓缸脹差由-5.1 mm逐漸回升至-3.8 mm，重新掛閘啟動(dòng)，順利沖轉(zhuǎn)升速至3 000 r/min，機(jī)組成功啟動(dòng)并網(wǎng)。通過(guò)此次分析處理，總結(jié)制訂預(yù)防控制措施如下。

(1)機(jī)組溫?zé)釕B(tài)啟動(dòng)時(shí)，不宜過(guò)早投入軸封，應(yīng)盡量提高軸封汽源溫度，避免軸封溫度與汽輪機(jī)金屬溫度不匹配造成轉(zhuǎn)子軸封段受冷收縮，進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)脹差過(guò)大。

(2)汽輪機(jī)溫?zé)釕B(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，鍋爐點(diǎn)火后主蒸汽溫度達(dá)到350 ℃且過(guò)熱度達(dá)到100 ℃以上時(shí)，適當(dāng)投入主蒸汽供軸封汽源進(jìn)行混溫，逐漸將軸封母管溫度提升至與高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)壁金屬溫度相匹配。

(3)汽輪機(jī)溫?zé)釕B(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前必須確認(rèn)高壓缸脹差>-4.8 mm、中壓缸脹差>-4.0 mm、低壓缸脹差>0 mm，否則應(yīng)在盡量保證軸封溫度匹配的情況下適當(dāng)延長(zhǎng)盤(pán)車(chē)時(shí)間，待受冷收縮的轉(zhuǎn)子軸封段預(yù)熱恢復(fù)，從而使脹差逐漸回升至安全范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此次異常事件的分析處理，對(duì)軸封溫度與脹差變化之間的特殊關(guān)系有了清晰準(zhǔn)確的推算論證，也對(duì)大型汽輪機(jī)的脹差控制有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)，并提出了切實(shí)有效的解決控制措施，為機(jī)組啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)控制提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，避免了類似問(wèn)題重復(fù)出現(xiàn)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，可為同類機(jī)組的運(yùn)行提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司.汽輪機(jī)安全監(jiān)視及保護(hù)系統(tǒng)培訓(xùn)教材[Z].

[2]東方汽輪機(jī)有限公司.超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)說(shuō)明書(shū)[Z].

[3]劉治國(guó)，李東峰.大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子泊松效應(yīng)對(duì)脹差影響淺析[J].機(jī)械工程師，2010(4)：151-152.