汽輪機軸向位移增大和高缸絕對膨脹不到位的原因分析

劉善聰 李詩月

摘 ?要：華能營口電廠#2機組汽輪機為前蘇聯哈爾科夫汽輪機廠制造，自高壓抗燃油液壓控制系統改造后，高壓缸絕對膨脹值顯著變小、軸向位移增大。本文通過機組運行數據對比確定可能造成上述問題的原因，分析機頭部分滑銷系統卡澀是引起高壓缸絕對膨脹值變小和軸向位移增大的原因。滑銷組卡澀影響級內效率，增加運營燃料成本。同時滑銷斷裂或突然恢復將造成機組振動突變，從而觸發機組保護動作，甚至使動靜葉片發生刮蹭危及人身和設備安全。

關鍵詞：汽輪機 ?軸向位移 ?絕對膨脹 ?滑銷系統 ?設備安全

中圖分類號：TK16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0109-03

Cause analysis of axial displacement increase of steam turbine and absolute expansion failure of high pressure cylinder

LIU ?Shancong1 ?LI Shiyue2

（1.Huaneng Yingkou Power Plant， Yingkou， Liaoning Province，115007 China; 2.Huaneng Yingkou Thermal Power Co.， Ltd.， Yingkou，Liaoning Province ，115000 ?China）

Abstract：The #2 steam turbine of Huaneng Yingkou Power Plant is manufactured by Kharkov Steam Turbine Factory of the former Soviet Union. Since the reform of DEH， the absolute expansion value of the high pressure cylinder has decreased significantly and the axial displacement has increased. In this post， through the comparison of the #2 unit operation data， the possible causes of the above problems are determined，and it is analyzed that the turbine head part jam of the sliding pin system is the cause of the decrease of the absolute expansion value of the high pressure cylinder and the increase of the axial displacement. The jam of sliding pin group affects the internal efficiency and increases the fuel cost. At the same time， the sudden recovery of sliding pin will cause a sudden vibrat change of the #2 unit ， which will trigger the protection action of the #2 unit ， and even make the moving and static blades scratch， endangering the safety of personnel and equipment.

Key words： Steam turbine; Axial displacement; Absolute expansion; Sliding pin system; Equipment safety

1 ?設備簡介

華能營口電廠#2機組汽輪機為前蘇聯哈爾科夫汽輪機廠制造，后經供熱改造的N330/C250-23.5/0.44/540/ 540型、超臨界參數、非調節抽汽、一次中間再熱、單軸三缸兩排汽凝汽式汽輪機。經高壓抗燃油液壓系統改造后，高壓缸絕對膨脹值在同負荷下顯著變小，同時高負荷時軸向位移顯著增大，運行期間需依靠調整供熱供汽量緩解軸向位移過大的問題。

2 ?研究背景介紹

隨著社會進步人民生活質量逐步提高，一方面供熱需求日益增大，另一方面國家對能源能耗問題以及環保問題的關注日趨強烈。而我國人口眾多，其中多以煤炭、石油、天然氣為主要的能源，發改委“十三五規劃”中指出煤炭消費比例從2015年的64%降到2020年的58%以下，接近發展中國家的人均用電量，縮小與發達國家標準煤的使用量[1-2]。依靠限制供熱避免軸向位移保護動作的操作，雖能緩解軸向位移增大的問題，但也嚴重限制了機組供熱能力，降低了機組的綜合效率，提高了電廠的燃煤消耗量，不利于節能減排。且當機組深度調峰時，需要將定滑壓曲線向低負荷延伸，以保證機爐協調運行時機組主要參數匹配[3]，但是深度調峰下汽輪機合理的主汽壓力未必滿足延伸的定滑壓曲線[4]。因此，深調時限制供熱將會給機組帶來安全隱患。

3 ?故障診斷分析

通過機組控制系統調取數據，研究高壓缸絕對膨脹變小和軸向位移增大的故障原因，并列出表1、表2。

其中1-3組為改造前數據，4-6組為改造后數據。由1-3組數據發現高壓缸絕對膨脹值與主汽流量正相關，即主汽流量增大膨脹也增大，供熱調門開度與高壓缸絕對膨脹沒有直接關聯。4-6組數據高壓缸絕對膨脹值數據不符合1-3組數據的相關規律，偏差值很大，且遠小于規程中32.2mm理論值，說明高壓缸膨脹不暢。

其中1-3組為改造前數據，4-6組為改造后數據。由上表可知高壓缸5、6點溫差、中壓缸絕對膨脹、高壓缸脹差與高壓缸絕對膨脹沒有必然聯系，4-6組數據高壓缸絕對膨脹顯著變小，軸向位移顯著增大。故此可以判斷自高壓抗燃油液壓控制系統改造后，高壓缸絕對膨脹值顯著變小，軸向位移也在相同負荷時顯著增大。

高壓缸利用貓爪搭在前軸承箱和中間軸承箱上，中壓缸利用貓爪搭在中間軸承箱和低壓缸的附加支承上，低壓缸座落在基礎平臺上，汽缸的死點在#4軸承中心線與低壓缸兩只橫銷連線相交處。

高壓缸膨脹方向從B點向C點，高壓缸絕對膨脹測點在C點附近，故高壓缸絕對膨脹不到位的原因是C點至D點之間的滑銷系統發生卡澀。受上述情況影響，高壓側推力瓦受到高壓缸膨脹擠壓，推力盤與高壓缸側推力瓦之間摩擦增加，推力瓦磨損加速，造成汽輪機轉子位置相較于正常情況下稍向高壓缸側移動，引起中壓缸脹差稍有減小。汽輪機密封系統受此影響，潤滑油與軸封之間密封降低，潤滑油中水分將會增加。實踐證明在此之后機組潤滑油攜水量增加。

A點和B點之間沒有直接受蒸汽加熱的部件，通過對汽輪機軸向位移增大原因中的分析，結合表1、2中軸向位移變化可以得出高壓缸絕對膨脹不到位的主要原因是圖1陰影區域部分的滑銷組卡澀。大修期間我廠進行了汽輪機調速系統的改造，重點的改造發生在圖中陰影部分，因此很可能是在改造EH油系統時造成了滑銷卡澀，引起了高壓缸絕對膨脹不到位。

圖1陰影部分滑銷組卡澀，在高壓缸受熱時使其受到向死點方向的力，這樣會加劇高壓缸側推力瓦與推力盤間的摩擦，引起汽輪機軸向位移加大。高壓缸膨脹不暢會使汽輪機動靜間隙變化，影響缸內效率，增加運營燃料成本。對于穩定運行的機組來講，汽輪機相對內效率的主要影響因素是漏氣損失和所處的運行工況，當汽輪機帶相同負荷運行時，動葉與葉頂汽封之間的動靜間隙的大小就成為汽輪機相對內效率的主要影響因素，換言之，汽輪機的相對內效率（η）與動靜間隙的大小呈反比[5]。同時低壓缸兩只橫銷受到由機頭向發電機方向的應力，可能造成死點橫銷斷裂。滑銷卡澀在機組長時間的變工況運行下突然恢復正常，高壓缸脹差會劇烈變化，可能觸發機組保護動作，甚至危及人身和設備安全。汽輪機轉速的升高，各部轉子在離心力的作用下變粗、縮短（泊松效應）。轉速越高，離心力越大。這種作用對整鍛式轉子的影響不大，但對轉子的縮減作用明顯，轉速的變化對汽輪機中、低壓脹差的影響是很大的[6]。根據克拉伯龍方程證明汽輪機升速過程中人為改變升速率是導致脹差變化的根本原因[7]。因此在機組大修前的啟動過程中為避免因軸向位移、脹差變化造成汽輪機升速過程中#1瓦#2瓦振動突變觸發保護，還應嚴格控制升速率。

4 ?結語

根據統計學原理，脹差變化是引起汽輪機#1瓦、#2瓦軸承振動突變的直接原因，這符合實際運行情況。因此應利用大修期間對#2機組汽輪機滑銷組進行重新檢查，確認高壓缸絕對膨脹不到位和機組軸向位移增大的原因，并對可能磨損的推力盤進行維護。

參考文獻

[1] 李瓊慧，王彩霞.從電力發展“十三五”規劃看新能源發展[J].中國電力，2017，50（1）：30-36.

[2] 鄭文凱.供熱電廠熱力系統節能優化研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

[3] 李泉，尹峰，蘇燁，等.超臨界機組深度調峰研究及應用[J].電站系統工程，2017，33（5）：60-62，66.

[4] 文樂，薛志恒，楊新民.深度調峰下汽輪機的定滑壓曲線試驗與優化[J].熱能動力工程，2019，34（11）：21-26.

[5] 廖金龍.大功率火電機組一次調頻能力建模與優化[D].杭州：浙江大學，2020.

[6] 葉勇，董志國.汽輪機冷態起動脹差變化因素分析及控制[J].電世界，2020，61（1）：17-20.

[7] 徐海龍，魏巍，劉煒.汽輪機脹差變化與軸承振動的關系分析[J].集成電路應用，2020，37（4）：66-67.