某核電廠半速汽輪機(jī)熱態(tài)情況下高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器定零方案的研究與實(shí)踐

趙東陽　鄭軍偉　趙書宇　汪彥

【摘 要】汽輪機(jī)高壓脹差是反映汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙的重要監(jiān)視參數(shù)。某核電廠調(diào)試啟動(dòng)階段汽輪機(jī)在空載運(yùn)行期間高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器故障，虛假膨脹值超過停機(jī)閾值后停機(jī)。由于汽輪機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)處于熱態(tài)，高壓轉(zhuǎn)子存在一定的膨脹量，如果等待機(jī)組完全冷卻至室溫重新進(jìn)行傳感器的更換和零位校正工作將嚴(yán)重耽誤工期。本文對(duì)采用測量盤車齒輪脫開位置與轉(zhuǎn)子盤車齒輪之間軸向的距離變化和1#軸承箱與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)距離的變化來表征轉(zhuǎn)子膨脹值的方法進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器在轉(zhuǎn)子熱態(tài)時(shí)的安裝間隙調(diào)整進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過后續(xù)機(jī)組啟動(dòng)后的觀察驗(yàn)證，證明了采用該方法在汽輪機(jī)熱態(tài)情況下進(jìn)行膨脹傳感器的零位校正有效可行。

【關(guān)鍵詞】核電廠;汽輪機(jī);轉(zhuǎn)子膨脹;脹差

中圖分類號(hào)： TM623.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）14-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.003

Research and Practice of Zero Setting Scheme for High Pressure Rotor Expansion Sensor in Thermal State

of a Half-Speed Steam Turbine of a Nuclear Power Plant

ZHAO Dong-yang ZHENG Jun-wei ZHAO Shu-yu WANG Yan

（China Nuclear Power Engineering Co.，LTD.，Shenzhen Guangdong 518124，China）

【Abstract】The rotor differential expansion of steam turbine is an important monitoring parameter to reflect the dynamic and static clearance of steam turbine.During the commissioning start phase of a nuclear power plant，the high-pressure rotor expansion sensor failed during idling operation，and the false expansion value exceeds the turbine trip threshold.Since the steam turbine has been in a hot state，the high-pressure rotor has a certain amount of expansion. If the sensor replacement and zero calibration work starts until the unit is completely cooled to room temperature，the project will be delayed.In this paper，the method of characterizing the rotor expansion value by measuring the change of the distance of turning gear wheel and the distance of rotor boss with the bearing housing is discussed.The installation gap adjustment of the expansion sensor in hot state of the rotor was analyzed in detail.Through the observation and verification after the start of the unit，it is proved that it is effective and feasible to use the method to perform the zero calibration of the expansion sensor under the hot state of the steam turbine.

【Key words】Nuclear Power Plant;Turbine;Rotor Expansion;Differential Expansion

0 前言

汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子膨脹與高壓缸絕對(duì)膨脹的差值共同反應(yīng)汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙的變化，是汽輪機(jī)監(jiān)視的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)。某核電廠4號(hào)機(jī)組采用東方電氣集團(tuán)生產(chǎn)的HN1119型沖動(dòng)凝氣式汽輪機(jī)，單軸四缸六排汽，高中壓合缸，3個(gè)低壓缸，額定功率為1119MW。

2016年3月，4號(hào)機(jī)組空載運(yùn)行期間突發(fā)高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器（下文以傳感器代）故障，導(dǎo)致虛假膨脹值超過停機(jī)閾值，操作員按照運(yùn)行規(guī)程手動(dòng)打閘停機(jī)，傳感器故障不可用，需要更換新的傳感器。由于機(jī)組已經(jīng)啟動(dòng)，高壓缸壁溫度達(dá)到120℃左右，高壓轉(zhuǎn)子已存在一定的膨脹量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在此溫度下，如果待汽輪機(jī)冷卻至室溫條件再對(duì)傳感器定零需等待約半個(gè)月左右的時(shí)間，將嚴(yán)重耽誤工期。因此，針對(duì)此種情況，本文提出了在熱態(tài)情況下進(jìn)行膨脹傳感器安裝、定零的方法，并取得了良好的實(shí)施效果。

1 高壓脹差測量簡介

高壓轉(zhuǎn)子膨脹測量采用Vibro-Meter公司生產(chǎn)的DP243鐘擺型傳感器，通過將轉(zhuǎn)子膨脹量轉(zhuǎn)化為TQ402型電渦流探頭與水平擺臂之間的間隙變化量來測量膨脹值，如圖1所示。傳感器擺臂下端是磁鐵部分，與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)吸附，轉(zhuǎn)子軸向的膨脹變化通過磁力吸附帶動(dòng)傳感器擺臂擺動(dòng)。傳感器的測量范圍為-10mm到40mm[1]。

2 熱態(tài)下高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器的安裝和調(diào)整

正常進(jìn)行高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器的安裝和調(diào)整時(shí)，應(yīng)在轉(zhuǎn)子常溫條件并將轉(zhuǎn)子推力盤推至工作面進(jìn)行零位鎖定。如果傳感器故障或其他原因需要在汽輪機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)行傳感器更換，此時(shí)汽輪機(jī)處于熱態(tài)，轉(zhuǎn)子已經(jīng)獲得了一定的膨脹量。此種狀態(tài)下，如果等待機(jī)組冷卻至常溫進(jìn)行傳感器的安裝與定零工作，需要耗費(fèi)大量的工期。如果熱態(tài)時(shí)對(duì)故障的傳感器進(jìn)行更換，轉(zhuǎn)子軸向和徑向已存在的膨脹量是影響傳感器安裝的重要因素。轉(zhuǎn)子徑向的膨脹量主要影響安裝時(shí)傳感器與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)間隙的調(diào)整，而轉(zhuǎn)子軸向的膨脹量主要影響傳感器安裝時(shí)零位的確定與膨脹量的補(bǔ)償修正。

本次4號(hào)機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器故障，待機(jī)組停運(yùn)后，傳感器所示膨脹值已為虛假值，故無法直接獲得轉(zhuǎn)子膨脹的測量數(shù)據(jù)。為準(zhǔn)確獲得高壓轉(zhuǎn)子的膨脹量，采用測量盤車齒輪脫開位置與轉(zhuǎn)子盤車齒輪在軸向的間隙變化表征膨脹量，同時(shí)采用測量轉(zhuǎn)子凸臺(tái)與1#軸承箱距離變化的方式進(jìn)行輔助驗(yàn)證，以下對(duì)兩種測量方法進(jìn)行詳述。

2.1 測量盤車齒輪脫開位置與轉(zhuǎn)子盤車齒輪在軸向間隙變化表征膨脹值

在汽輪機(jī)冷態(tài)時(shí)，安裝人員進(jìn)行盤車定位安裝時(shí)需要對(duì)盤車齒輪脫開位置與轉(zhuǎn)子盤車齒輪在軸向的間隙值進(jìn)行測量，某核電廠4號(hào)機(jī)該間隙值的理論值與現(xiàn)場實(shí)測值均為27.2mm，如圖2所示。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)后，隨著轉(zhuǎn)子受熱逐漸膨脹，膨脹量在轉(zhuǎn)子軸向傳遞，所以轉(zhuǎn)子盤車齒輪與盤車齒輪脫開位置兩者的間隙值變小。此時(shí)若測得兩者之間的間隙值，并用冷態(tài)時(shí)測量得到的數(shù)值減去此間隙值，即為由于轉(zhuǎn)子膨脹導(dǎo)致兩者間隙變化的量，此數(shù)值即為轉(zhuǎn)子膨脹的量。

2.2 測量轉(zhuǎn)子凸臺(tái)與1#軸承箱距離變化進(jìn)行輔助驗(yàn)證

為了對(duì)采用上述方法測量得到的膨脹量數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助驗(yàn)證，采用測量高壓轉(zhuǎn)子在1#軸承箱處凸臺(tái)與1#軸承箱距離的相對(duì)變化來對(duì)膨脹量進(jìn)行再次測量，圖3為測量示意圖。在整個(gè)軸系受熱膨脹過程中，我們認(rèn)為1#軸承箱的位置固定不變，且膨脹傳感器也安裝在1#軸承箱上，這樣可以以1#軸承箱為基準(zhǔn)，用高壓轉(zhuǎn)子上的某一點(diǎn)與1#軸承箱的相對(duì)距離變化來表示高壓轉(zhuǎn)子的膨脹量。如圖3所示，在1#軸承箱蓋垂直下方的高壓轉(zhuǎn)子存在凸臺(tái)，并且該凸臺(tái)與軸承箱蓋的距離A值測量方便。在機(jī)組啟動(dòng)之前冷態(tài)情況下，經(jīng)過現(xiàn)場測量，已經(jīng)獲得了A值為A1。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)后，由于轉(zhuǎn)子膨脹，A值變小，通過測量此時(shí)A值為A2，與冷態(tài)時(shí)的值進(jìn)行作差比較，Δ=A1-A2即為轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的膨脹量。通過此種方式獲得轉(zhuǎn)子的膨脹量較為簡單，可操作性強(qiáng)，可以作為采用測量盤車齒輪間隙變化方法的補(bǔ)充和輔助驗(yàn)證。

2.3 熱態(tài)時(shí)傳感器與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)安裝距離的精確調(diào)整圖4 高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器安裝示意圖

高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器擺架通過磁力與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)吸附，轉(zhuǎn)子膨脹變化帶動(dòng)傳感器擺臂移動(dòng)測量膨脹值。為保證傳感器與凸臺(tái)的吸附能力并且在汽機(jī)運(yùn)行過程中兩者不會(huì)發(fā)生摩擦，根據(jù)廠家要求，冷態(tài)情況下進(jìn)行傳感器安裝時(shí)，傳感器擺臂垂直狀態(tài)與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)的安裝距離為1.5mm。但當(dāng)汽輪機(jī)處于熱態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子存在徑向膨脹值，計(jì)算安裝距離時(shí)應(yīng)將此部分引起的測量誤差考慮在內(nèi)。在傳感器安裝時(shí)，擺臂實(shí)際的擺動(dòng)位置與垂直位置可能存在一定的偏差角度，計(jì)算安裝距離時(shí)，應(yīng)將由于角度偏差引起的安裝間隙變化考慮在內(nèi)，圖4為傳感器安裝示意圖。

圖4中的D=1.5mm-X/2-Δ為傳感器在熱態(tài)安裝時(shí)，在擺臂與垂直狀態(tài)存在夾角θ時(shí)傳感器與轉(zhuǎn)子凸臺(tái)的安裝距離。其中X為相應(yīng)溫度下高壓轉(zhuǎn)子直徑方向的膨脹量，與轉(zhuǎn)子溫度相關(guān)，表1中所列為轉(zhuǎn)子徑向膨脹量數(shù)據(jù)。

3 效果與總結(jié)

通過按照上述方法進(jìn)行熱態(tài)情況下高壓轉(zhuǎn)子膨脹傳感器的安裝與定零工作，避免了轉(zhuǎn)子冷卻至常溫進(jìn)行傳感器的安裝，節(jié)省了大量工期，取得了良好的實(shí)施效果。如表2中所示，傳感器安裝完成后，調(diào)試人員在機(jī)組不同階段通過現(xiàn)場實(shí)測與DCS上的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。汽輪機(jī)從盤車狀態(tài)8RPM到額定轉(zhuǎn)速1500RPM，DCS顯示高壓轉(zhuǎn)子膨脹量減小了1.75mm，同時(shí)，在就地實(shí)測得到膨脹值減小了1.5mm。從額定轉(zhuǎn)速1500RPM到打閘后盤車狀態(tài)8RPM，DCS顯示高壓轉(zhuǎn)子膨脹量比初始測量值增大了1.87mm，就地實(shí)測得到膨脹值增加了1.9mm。考慮到高轉(zhuǎn)速情況下就地測量A值存在一定誤差，可以看出，傳感器定零完成后測量得到的膨脹量變化與就地實(shí)測得到的膨脹量變化值基本吻合。這證明定零后傳感器工作情況良好，同時(shí)也間接證明了采用就地實(shí)測轉(zhuǎn)子凸臺(tái)與軸承箱距離變化來表征膨脹量的方法具有較高的準(zhǔn)確性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]東方汽輪機(jī)有限公司.GME系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊[R].2011.