超超临界汽轮机温热态启动过程中胀差偏大原因分析及措施

张亮杰

(广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223)

0 引言

胀差是汽轮机在启停及运行过程中要重点监控的关键参数，它实时反映了汽轮机转子和汽缸之间轴向动静间隙的变化，其数值过大或过小都可能使汽轮机轴向动静间隙减小或消失，导致碰磨，损坏设备。大型超超临界汽轮机因机组参数高、轴系长、受影响因素多等原因，在启停过程中更容易出现胀差异常偏大的情况，延长机组启停的时间，造成较大经济损失，如果监控处置不当，甚至可能威胁机组安全，造成设备损坏。本文对某电厂一台超超临界汽轮机启动过程遇到的胀差偏大问题进行分析和经验总结，并给出相应的预防控制措施。

1 设备概况

某电厂#3，#4机组采用东方汽轮机厂有限公司生产的N1000-25.0/600/600型超超临界参数、一次中间再热、单轴、双背压、四缸四排汽、纯凝汽、冲动式汽轮机，从机头到机尾依次串联1个高压缸、1个中压缸及2个低压缸，如图1所示[1]。为改善缸体内外应力及热膨胀，高压缸采用单流、双层缸结构，呈反向布置，由1个双流调节级与8个单流压力级组成。中压缸采用反向双流布置、双层缸结构，共有2×6个压力级。2个低压缸采用反向双流布置、3层缸结构，压力级总数为2×2×6。

汽轮机总长为35.6 m，在高、中压缸之间的中间轴承座上安装有推力轴承，以平衡蒸汽做功产生的附加轴向推力，是整个轴系的转子相对死点。另外，机组汽缸共设有3个膨胀绝对死点，高、中压缸膨胀绝对死点位于中、低压缸之间轴承箱体内，低压缸膨胀绝对死点位于低压缸中心点向机头侧过一点距离的位置上。绝对死点处的横键限制汽缸的轴向位移；同时，在前轴承箱及2个低压缸的纵向中心线前后设有纵向键，引导汽缸沿轴向自由膨胀从而限制横向跑偏。

2 胀差测量原理及测点布置

高压缸胀差(HP-DE)的测量盘即为前轴承箱体内的测速齿盘，在高、中压缸膨胀的共同作用下，高压胀差探头会随着轴承箱体位移，位移量为中压缸膨胀量和高压缸膨胀量之和，而被测面即测速盘也会随转子相对死点位移，位移量为中压缸膨胀量和高压转子膨胀量之和，探头位移量与被测面位移量的差值即为高压缸胀差，所以，高压胀差真实反映了高压缸缸体膨胀量与高压转子膨胀量的相对差值，一般为-7.8～14.0 mm。

中压缸胀差(IP-DE)测量盘位于中、低压缸之间靠机头侧，测量探头位于高中压缸的死点上。如图1所示，在中压缸膨胀的影响下，带动推力轴承使转子上的测量盘跟着中压缸一起向机头方向位移，使得与探头之间的间隙变小。同样，中压转子自身的受热膨胀会使推力盘处的相对死点向电机侧方向位移，使得测量盘也会向发电机侧位移，导致测量盘与探头之间的间隙变大，所以，中压缸胀差测得的也是中压转子与中压缸在膨胀量上的真实差值，一般为-7.7～10.6 mm。

低压缸胀差(LP-DE)的测量盘位于B低压缸和发电机之间，低压缸胀差测量探头随着B低压缸缸体以其中心附近的死点为起点进行位移，而被测面则随转子以推力盘工作面处的轴系相对死点为起点进行位移，其位移量等于A，B低压转子膨胀量加上中压转子膨胀量再减去中压缸缸体膨胀量，所以低压胀差测得的并不是真实的低压缸和低压转子之间的膨胀差值，而是中压胀差加上2个低压转子与低压B缸大半胀差之和，数值比较大，一般为-6.5～32.6 mm。

3 胀差偏大的情况及原因分析

2016年10月，#3机组停运3d后重新启动，冲转前高压缸胀差为-5.40 mm，中压缸胀差为-4.30 mm，低压缸胀差为-0.87 mm，调节级后内壁金属温度为386 ℃，按状态划分标准，汽轮机处于温态。冲转升速过程中出现了明显的振动异常情况，在约1 400 r/min转速时#2Y轴振最高达到了198 μm，且只出现在#1，#2，#3轴承上，汽轮机被迫打闸停运。

在汽轮机TDM系统调取振动幅值最大的#2Y轴振的伯德分析图(如图2所示)，发现汽轮机在升速至1 400 r/min左右时，不仅#2Y轴振的幅值持续快速攀升，而且其振动相位也同时出现了大幅突变，结合异常振动只出现在#1，#2，#3轴承且#2轴承振幅最大的情况，可以判断在汽轮机高压缸靠近#2轴承的部位出现了动静碰磨。当时高压缸的胀差仅为-5.2 mm，虽然负向偏大，但距-7.3 mm的保护跳闸值仍有一定裕度，出现动静碰磨的原因待进一步分析查证。

图2 #2Y轴振的伯德分析图

检查发现，此次机组启动过程中，自汽轮机投轴封、抽真空开始，各胀差测量值均出现了不同程度的负向增大，高压缸胀差变化幅度最大，从-4.2 mm负向增大至-5.4 mm。进一步检查发现，出现此情况的根源在于汽轮机轴封温度不匹配，此次启动前汽轮机只停运了3 d，仍处于温态，调节级温度高达390 ℃左右，而轴封投用的是辅汽汽源，温度仅为260 ℃左右，巨大的温差导致汽轮机转子轴封段受冷收缩，造成胀差负向增大。虽然测量值尚未达到高压缸胀差保护定值(-7.8 mm)，但由于这种胀差负向增大的原因是转子轴封段局部受冷收缩，与转子和缸体的整体膨胀或收缩导致的胀差变化对动静间隙的影响完全不同，根据表1的汽轮机转子基本参数[2]，结合图1进行分析折算如下。

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

[1.2×5 800/(406+508)]×

[508/(406+508)]=4.228 (mm) ，

式中：D为折算至转子和缸体整体膨胀或收缩时的胀差变化值；d为转子轴封段局部受冷收缩时产生的胀差变化值；L为高压转子支承内跨距；L1为#1轴封段长度；L2为#2轴封段长度。

表1 转子基本参数

由上述计算可见，此时绝对值仅1.2 mm的负胀差变化大约相当于转子和缸体整体膨胀或收缩时的4.2 mm，折算累加至当时的负胀差测量值则为-8.4 mm，已超出了高压缸胀差保护-7.8 mm的定值，造成高压缸靠近#2轴承的部位动静间隙过小，而在冲转升速过程中转子因“泊松效应”进一步收缩[3]，导致动静间隙完全消失产生碰磨，汽轮机振动异常被迫打闸。

4 处理措施及预防控制措施

明确问题原因后，现场采用投入主蒸汽供轴封汽源的方式将轴封母管温度由260 ℃逐渐提升至400 ℃左右，汽轮机经过4 h的盘车后，高压缸胀差由-5.1 mm逐渐回升至-3.8 mm，重新挂闸启动，顺利冲转升速至3 000 r/min，机组成功启动并网。通过此次分析处理，总结制订预防控制措施如下。

(1)机组温热态启动时，不宜过早投入轴封，应尽量提高轴封汽源温度，避免轴封温度与汽轮机金属温度不匹配造成转子轴封段受冷收缩，进而导致负胀差过大。

(2)汽轮机温热态启动过程中，锅炉点火后主蒸汽温度达到350 ℃且过热度达到100 ℃以上时，适当投入主蒸汽供轴封汽源进行混温，逐渐将轴封母管温度提升至与高压缸调节级内壁金属温度相匹配。

(3)汽轮机温热态启动冲转前必须确认高压缸胀差>-4.8 mm、中压缸胀差>-4.0 mm、低压缸胀差>0 mm，否则应在尽量保证轴封温度匹配的情况下适当延长盘车时间，待受冷收缩的转子轴封段预热恢复，从而使胀差逐渐回升至安全范围。

5 结束语

通过此次异常事件的分析处理，对轴封温度与胀差变化之间的特殊关系有了清晰准确的推算论证，也对大型汽轮机的胀差控制有了更深刻的理解和认识，并提出了切实有效的解决控制措施，为机组启动的风险控制提供了宝贵的经验，避免了类似问题重复出现带来的安全风险，可为同类机组的运行提供参考。

参考文献：

[1]东方电气自动控制工程有限公司.汽轮机安全监视及保护系统培训教材[Z].

[2]东方汽轮机有限公司.超超临界1 000 MW汽轮机结构说明书[Z].

[3]刘治国，李东峰.大型汽轮机转子泊松效应对胀差影响浅析[J].机械工程师，2010(4)：151-152.