超超臨界汽輪機溫熱態啟動過程中脹差偏大原因分析及措施

張亮杰

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223)

0 引言

脹差是汽輪機在啟停及運行過程中要重點監控的關鍵參數，它實時反映了汽輪機轉子和汽缸之間軸向動靜間隙的變化，其數值過大或過小都可能使汽輪機軸向動靜間隙減小或消失，導致碰磨，損壞設備。大型超超臨界汽輪機因機組參數高、軸系長、受影響因素多等原因，在啟停過程中更容易出現脹差異常偏大的情況，延長機組啟停的時間，造成較大經濟損失，如果監控處置不當，甚至可能威脅機組安全，造成設備損壞。本文對某電廠一臺超超臨界汽輪機啟動過程遇到的脹差偏大問題進行分析和經驗總結，并給出相應的預防控制措施。

1 設備概況

某電廠#3，#4機組采用東方汽輪機廠有限公司生產的N1000-25.0/600/600型超超臨界參數、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽、純凝汽、沖動式汽輪機，從機頭到機尾依次串聯1個高壓缸、1個中壓缸及2個低壓缸，如圖1所示[1]。為改善缸體內外應力及熱膨脹，高壓缸采用單流、雙層缸結構，呈反向布置，由1個雙流調節級與8個單流壓力級組成。中壓缸采用反向雙流布置、雙層缸結構，共有2×6個壓力級。2個低壓缸采用反向雙流布置、3層缸結構，壓力級總數為2×2×6。

汽輪機總長為35.6 m，在高、中壓缸之間的中間軸承座上安裝有推力軸承，以平衡蒸汽做功產生的附加軸向推力，是整個軸系的轉子相對死點。另外，機組汽缸共設有3個膨脹絕對死點，高、中壓缸膨脹絕對死點位于中、低壓缸之間軸承箱體內，低壓缸膨脹絕對死點位于低壓缸中心點向機頭側過一點距離的位置上。絕對死點處的橫鍵限制汽缸的軸向位移；同時，在前軸承箱及2個低壓缸的縱向中心線前后設有縱向鍵，引導汽缸沿軸向自由膨脹從而限制橫向跑偏。

2 脹差測量原理及測點布置

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

中壓缸脹差(IP-DE)測量盤位于中、低壓缸之間靠機頭側，測量探頭位于高中壓缸的死點上。如圖1所示，在中壓缸膨脹的影響下，帶動推力軸承使轉子上的測量盤跟著中壓缸一起向機頭方向位移，使得與探頭之間的間隙變小。同樣，中壓轉子自身的受熱膨脹會使推力盤處的相對死點向電機側方向位移，使得測量盤也會向發電機側位移，導致測量盤與探頭之間的間隙變大，所以，中壓缸脹差測得的也是中壓轉子與中壓缸在膨脹量上的真實差值，一般為-7.7～10.6 mm。

低壓缸脹差(LP-DE)的測量盤位于B低壓缸和發電機之間，低壓缸脹差測量探頭隨著B低壓缸缸體以其中心附近的死點為起點進行位移，而被測面則隨轉子以推力盤工作面處的軸系相對死點為起點進行位移，其位移量等于A，B低壓轉子膨脹量加上中壓轉子膨脹量再減去中壓缸缸體膨脹量，所以低壓脹差測得的并不是真實的低壓缸和低壓轉子之間的膨脹差值，而是中壓脹差加上2個低壓轉子與低壓B缸大半脹差之和，數值比較大，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機組停運3d后重新啟動，沖轉前高壓缸脹差為-5.40 mm，中壓缸脹差為-4.30 mm，低壓缸脹差為-0.87 mm，調節級后內壁金屬溫度為386 ℃，按狀態劃分標準，汽輪機處于溫態。沖轉升速過程中出現了明顯的振動異常情況，在約1 400 r/min轉速時#2Y軸振最高達到了198 μm，且只出現在#1，#2，#3軸承上，汽輪機被迫打閘停運。

在汽輪機TDM系統調取振動幅值最大的#2Y軸振的伯德分析圖(如圖2所示)，發現汽輪機在升速至1 400 r/min左右時，不僅#2Y軸振的幅值持續快速攀升，而且其振動相位也同時出現了大幅突變，結合異常振動只出現在#1，#2，#3軸承且#2軸承振幅最大的情況，可以判斷在汽輪機高壓缸靠近#2軸承的部位出現了動靜碰磨。當時高壓缸的脹差僅為-5.2 mm，雖然負向偏大，但距-7.3 mm的保護跳閘值仍有一定裕度，出現動靜碰磨的原因待進一步分析查證。

圖2 #2Y軸振的伯德分析圖

檢查發現，此次機組啟動過程中，自汽輪機投軸封、抽真空開始，各脹差測量值均出現了不同程度的負向增大，高壓缸脹差變化幅度最大，從-4.2 mm負向增大至-5.4 mm。進一步檢查發現，出現此情況的根源在于汽輪機軸封溫度不匹配，此次啟動前汽輪機只停運了3 d，仍處于溫態，調節級溫度高達390 ℃左右，而軸封投用的是輔汽汽源，溫度僅為260 ℃左右，巨大的溫差導致汽輪機轉子軸封段受冷收縮，造成脹差負向增大。雖然測量值尚未達到高壓缸脹差保護定值(-7.8 mm)，但由于這種脹差負向增大的原因是轉子軸封段局部受冷收縮，與轉子和缸體的整體膨脹或收縮導致的脹差變化對動靜間隙的影響完全不同，根據表1的汽輪機轉子基本參數[2]，結合圖1進行分析折算如下。

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

[1.2×5 800/(406+508)]×

[508/(406+508)]=4.228 (mm) ，

式中：D為折算至轉子和缸體整體膨脹或收縮時的脹差變化值；d為轉子軸封段局部受冷收縮時產生的脹差變化值；L為高壓轉子支承內跨距；L1為#1軸封段長度；L2為#2軸封段長度。

表1 轉子基本參數

由上述計算可見，此時絕對值僅1.2 mm的負脹差變化大約相當于轉子和缸體整體膨脹或收縮時的4.2 mm，折算累加至當時的負脹差測量值則為-8.4 mm，已超出了高壓缸脹差保護-7.8 mm的定值，造成高壓缸靠近#2軸承的部位動靜間隙過小，而在沖轉升速過程中轉子因“泊松效應”進一步收縮[3]，導致動靜間隙完全消失產生碰磨，汽輪機振動異常被迫打閘。

4 處理措施及預防控制措施

明確問題原因后，現場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，汽輪機經過4 h的盤車后，高壓缸脹差由-5.1 mm逐漸回升至-3.8 mm，重新掛閘啟動，順利沖轉升速至3 000 r/min，機組成功啟動并網。通過此次分析處理，總結制訂預防控制措施如下。

(1)機組溫熱態啟動時，不宜過早投入軸封，應盡量提高軸封汽源溫度，避免軸封溫度與汽輪機金屬溫度不匹配造成轉子軸封段受冷收縮，進而導致負脹差過大。

(2)汽輪機溫熱態啟動過程中，鍋爐點火后主蒸汽溫度達到350 ℃且過熱度達到100 ℃以上時，適當投入主蒸汽供軸封汽源進行混溫，逐漸將軸封母管溫度提升至與高壓缸調節級內壁金屬溫度相匹配。

(3)汽輪機溫熱態啟動沖轉前必須確認高壓缸脹差>-4.8 mm、中壓缸脹差>-4.0 mm、低壓缸脹差>0 mm，否則應在盡量保證軸封溫度匹配的情況下適當延長盤車時間，待受冷收縮的轉子軸封段預熱恢復，從而使脹差逐漸回升至安全范圍。

5 結束語

通過此次異常事件的分析處理，對軸封溫度與脹差變化之間的特殊關系有了清晰準確的推算論證，也對大型汽輪機的脹差控制有了更深刻的理解和認識，并提出了切實有效的解決控制措施，為機組啟動的風險控制提供了寶貴的經驗，避免了類似問題重復出現帶來的安全風險，可為同類機組的運行提供參考。

參考文獻：

[1]東方電氣自動控制工程有限公司.汽輪機安全監視及保護系統培訓教材[Z].

[2]東方汽輪機有限公司.超超臨界1 000 MW汽輪機結構說明書[Z].

[3]劉治國，李東峰.大型汽輪機轉子泊松效應對脹差影響淺析[J].機械工程師，2010(4)：151-152.