汽轮机高压缸胀差偏大的故障分析

彭博伟

(安徽华电宿州发电有限公司，安徽 宿州 234101)

汽轮机高压缸胀差偏大的故障分析

彭博伟

(安徽华电宿州发电有限公司，安徽 宿州 234101)

某电厂发生了汽轮机高压缸胀差偏大故障，通过对胀差的含义和胀差测量方式的分析，从疏水系统和物理检查等运行工况进行分析和测量，并检查了热工测量系统的外部回路和内部回路，找出了引发高压缸胀差偏大的原因。

高压缸；胀差；运行工况；热工测量系统

某电厂1号机组采用上海汽轮机有限公司引进美国西屋公司技术生产的超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机，型号为N600-24.2/566/566。TSI系统是由上海汽轮机厂配套，由德国epro飞利浦公司生产的MMS6000系列产品，能在线监测汽轮发电机组的振动、轴向位移、胀差、缸胀、偏心、键相等本体运行重要参数。其中，高压缸胀差测量系统为单探头、反装，型号为PR6426/000-030，量程范围为-8～20 mm，工作电压为-4～-20 VDC，线性工作区为-4～-17.8 VDC。产品于2007年9月随机组一起投产。

胀差是大型汽轮发电机组运行过程中一个十分重要的参数。当胀差超过允许值时，机组部件便可能发生磨擦，严重时会产生灾难性的故障。目前，大型汽轮发电机组的胀差基本上都接入了保护装置中，而保护动作的依据是对胀差值的大小。胀差值的准确测量对保护装置正确动作起到重要作用。

1 胀差的含义

汽轮机在结构上可以分为缸体和转子2部分。保证汽轮机转子在缸体内高速旋转时不发生动静摩擦，是汽轮机安全运行的基本要求。汽轮机胀差是监视转子运行状态的重要参数之一。

启动时，汽轮机从冷态变为热态，汽缸因受热而发生热膨胀，汽缸热膨胀的方向取决于汽轮机滑销系统中的死点位置，可以向高压侧伸长，也可以向低压侧伸长。同样，转子也因受热而发生热膨胀，转子膨胀的方向是以推力轴承为基准，分别向两侧伸长。由于转子的体积较小，温升和热膨胀较快，而汽缸的体积较大，温升和热膨胀比较慢。同理，转子的冷却收缩也比汽缸的冷却收缩快。这样，转子和汽缸之间就存在较大的胀差。

汽轮机正常运行中，转子和汽缸的受热趋于稳定，热膨胀值趋于饱和，它们之间的相对膨胀差达到某一稳定值。在运行中，一般负荷的变化对热膨胀的影响是不大的，只有在负荷急剧变化或主蒸汽温度不稳定时，温度变化较大时，才会对热膨胀产生较大的影响。

在实际应用中，胀差数据是有正、负区别的，一般转子比汽缸相对伸长为正，相对缩短为负。

2 胀差的测量

胀差的测量其实就是位移的测量。对于汽轮机来说，也就是测量转子与汽缸的相对位移。目前现场普遍采用电涡流原理的趋近式位移传感器探头来测量胀差，典型的胀差测量系统如图1所示。

图1 典型的胀差测量系统

趋近式探头可探测探头端面与被测面之间的距离。前置放大器通过TSI系统提供电源，在回路中产生一个高频电流，电流经过探头线圈产生一个高频交变磁场。当被测面进入探头的测量范围内时，根据电磁感应定律，在被测面上产生了与交变磁场相关联的涡流，前置放大器可以探测到信号的变化并对此信号进行相应的处理和调节，送回到TSI系统监测。

按照上述原理，TSI系统通过测量前置放大器的输出电压，根据探头的位移-电压特性曲线来计算探头与被测面的相对位移。

3 故障经过

2011-06-07T23:37，1号机组负荷430 MW，机组CCS、AGC控制方式。2011-06-08T01:00-01:50，1号机高压缸胀差由2.88 mm缓慢涨至5.73 mm，而高压缸胀差正常值在2.5～3.6 mm。运行人员将1号机主汽温、再热器温维持在545 ℃运行，观察1号机高压缸胀差仍然缓慢上涨。此后几天，高压缸胀差值仍不断上涨。至2011-06-10 T23:30，高压缸胀差已涨至9.57 mm，达到报警值。

4 故障查找

从运行工况和热工测量系统两方面对1号机组高压缸胀差增大进行分析检查。

4.1 运行工况分析

4.1.1 疏水系统

从运行角度出发，怀疑高压缸的内缸和外缸存在积水，致使内缸和外缸的膨胀率有较大变化；或是机组保温有脱落，致使缸体温度不均匀，导致1号机高压缸胀差缓慢上涨。

因此，运行人员连续数次对高、中压缸本体进行疏水，但效果不明显。并对机组保温情况进行检查，也未发现保温脱落。同时，对高压缸的铁皮保温部位测温，也未发现有温差大的地方。

查阅疏水前后高压缸水室、内缸和外缸的壁温DCS曲线，没有明显变化。因此，排除了疏水问题。

4.1.2 物理检查

当汽轮机进汽参数发生变化时，转子的受热状态首先发生变化，汽缸的受热状态变化要滞后于转子的受热状态变化，因此机组进汽参数变化的胀差会发生变化。当汽轮机的再热蒸汽温度升高时，由于死点的存在将使转子向发电机方向膨胀。因此汽缸的膨胀速度大大慢于转子的膨胀速度。

由于胀差测量探头属于反装探头，距离越近，间隙电压越小，显示的数值就越大。根据1号机高压缸胀差不断变大来看，如果测量数据没有问题，则是汽缸和转子的距离变小了。根据转子运转情况，很有可能是缸被卡住，即滑销系统卡涩。因此机务专业人员在机头加装了千分表，持续观察高压缸的变化情况，每小时记录1次数值。同时调阅机组位于前箱内的1X和1Y振动测点，查看1号和2号轴承的回油温度、轴承温度、推力轴承温度以及轴向位移DCS曲线。这些参数随着负荷规律的变化，没有出现异常。

4.2 热工测量系统

高压缸胀差测量回路由探头、前置器和TSI卡件组成。探头(带1 m延长线)和延长线(8 m)中间的LEMO接头安装在汽机前箱内，延长线及前置器安装在前箱外。

4.2.1 外部回路检查

(1) 前置器工作环境温度为40 ℃左右，符合要求;前置器工作电压为24.35 V，稳定无波动。

(2) 从前置器测量电压值为6.67 V，从TSI柜测量电压值为6.7 V，画面显示8.89 mm，两者对应关系正确，DCS组态正确，电压转换没问题。

(3) 互换1号和2号机组高压缸胀差前置器。1号机高压缸胀差降低1.2 mm，2号高压缸胀差升高0.8 mm，是固定差值，变化趋势仍然相同。这说明前置器无问题。

(4) 互换1号和2号机组高压缸胀差TSI卡件，高压缸胀差数值无变化。更换新卡件，高压缸胀差数值也无变化。这说明TSI卡件工作正常。

(5) 对前置器至TSI处电缆用500 V摇表测绝缘，线间及线对地绝缘良好。更换新电缆试验，测量值无变化。这说明电缆良好。

(6) 前置器探头正常阻值在2 Ω左右，低于1 Ω则不能使用。测量探头阻值为1.6 Ω。探头对屏蔽绝缘良好，没有发现明显的开路和短路现象，探头状况良好。

4.2.2 内部回路检查

2011-06-11T18:20，停机检查处理高压缸胀差超标。停机前1号机高压缸胀差已达10.20 mm，而跳闸值为10.28 mm。当转速降至700 r/min时，打开前箱人孔门，观察高压缸胀差探头，并用钢板尺测量高压缸胀差探头与测量盘距离为13 mm，而画面显示值为10.6 mm。高压缸胀差探头属于反装方式，安装原理如图2所示。

因此当实际距离为13 mm时，而显示值应为2 mm(机务专业有3 mm的死区)，初步断定探头存在问题。拆开前箱内的LEMO接头，更换新探头，但不拆除旧探头。将新探头置于旧探头相当的位置，此时画面显示1.78 mm。由此判定探头出现问题，更换新探头后测量正常。

图1 高压缸胀差探头安装原理

5 经验总结

1号机高压缸胀差不断增大的原因是探头故障，这是近几年来发生在发电系统中不常见的热工案例。

(1) 当机组高压缸胀差变大时，特别是到达跳机值时，肯定会有一系列参数异常，比如振动、油温、轴承温度等，若这些参数没有明显变化，就应考虑测量回路出现问题。

(2) 大多数机组的高压缸胀差探头安装于前箱内，所以仅从外部回路来检查热工测量系统不一定能查出问题，这增加了检查难度。从本起事故看，当间隙电压不断下降衰减时，很有可能是探头的磁场发生了变化。该涡流同被测面与探头的间隙有关，当此间隙减小时，被测面上涡流增大，探头线圈的电感量减少，振荡器的振幅减小，对应的电压可能会下降。否则很可能是磁感线圈出现问题。

高压缸胀差探头长期处于充满润滑油的环境中，化学腐蚀对其测量也会产生一定的影响。随着机组检修次数的增多，探头的拆装次数也因此增加，这必将缩短探头的寿命。

2011-07-22)