某核电厂半速汽轮机热态情况下高压转子膨胀传感器定零方案的研究与实践

赵东阳　郑军伟　赵书宇　汪彦

【摘 要】汽轮机高压胀差是反映汽轮机动静间隙的重要监视参数。某核电厂调试启动阶段汽轮机在空载运行期间高压转子膨胀传感器故障，虚假膨胀值超过停机阈值后停机。由于汽轮机已经启动处于热态，高压转子存在一定的膨胀量，如果等待机组完全冷却至室温重新进行传感器的更换和零位校正工作将严重耽误工期。本文对采用测量盘车齿轮脱开位置与转子盘车齿轮之间轴向的距离变化和1#轴承箱与转子凸台距离的变化来表征转子膨胀值的方法进行了论述，同时对汽轮机高压转子膨胀传感器在转子热态时的安装间隙调整进行了详细分析。通过后续机组启动后的观察验证，证明了采用该方法在汽轮机热态情况下进行膨胀传感器的零位校正有效可行。

【关键词】核电厂;汽轮机;转子膨胀;胀差

中图分类号： TM623.3 文献标识码： A文章编号： 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

汽輪机高压转子膨胀与高压缸绝对膨胀的差值共同反应汽轮机动静间隙的变化，是汽轮机监视的一项重要技术参数。某核电厂4号机组采用东方电气集团生产的HN1119型冲动凝气式汽轮机，单轴四缸六排汽，高中压合缸，3个低压缸，额定功率为1119MW。

2016年3月，4号机组空载运行期间突发高压转子膨胀传感器（下文以传感器代）故障，导致虚假膨胀值超过停机阈值，操作员按照运行规程手动打闸停机，传感器故障不可用，需要更换新的传感器。由于机组已经启动，高压缸壁温度达到120℃左右，高压转子已存在一定的膨胀量。根据经验，在此温度下，如果待汽轮机冷却至室温条件再对传感器定零需等待约半个月左右的时间，将严重耽误工期。因此，针对此种情况，本文提出了在热态情况下进行膨胀传感器安装、定零的方法，并取得了良好的实施效果。

1 高压胀差测量简介

高压转子膨胀测量采用Vibro-Meter公司生产的DP243钟摆型传感器，通过将转子膨胀量转化为TQ402型电涡流探头与水平摆臂之间的间隙变化量来测量膨胀值，如图1所示。传感器摆臂下端是磁铁部分，与转子凸台吸附，转子轴向的膨胀变化通过磁力吸附带动传感器摆臂摆动。传感器的测量范围为-10mm到40mm[1]。

2 热态下高压转子膨胀传感器的安装和调整

正常进行高压转子膨胀传感器的安装和调整时，应在转子常温条件并将转子推力盘推至工作面进行零位锁定。如果传感器故障或其他原因需要在汽轮机启动后进行传感器更换，此时汽轮机处于热态，转子已经获得了一定的膨胀量。此种状态下，如果等待机组冷却至常温进行传感器的安装与定零工作，需要耗费大量的工期。如果热态时对故障的传感器进行更换，转子轴向和径向已存在的膨胀量是影响传感器安装的重要因素。转子径向的膨胀量主要影响安装时传感器与转子凸台间隙的调整，而转子轴向的膨胀量主要影响传感器安装时零位的确定与膨胀量的补偿修正。

本次4号机组高压转子膨胀传感器故障，待机组停运后，传感器所示膨胀值已为虚假值，故无法直接获得转子膨胀的测量数据。为准确获得高压转子的膨胀量，采用测量盘车齿轮脱开位置与转子盘车齿轮在轴向的间隙变化表征膨胀量，同时采用测量转子凸台与1#轴承箱距离变化的方式进行辅助验证，以下对两种测量方法进行详述。

2.1 测量盘车齿轮脱开位置与转子盘车齿轮在轴向间隙变化表征膨胀值

在汽轮机冷态时，安装人员进行盘车定位安装时需要对盘车齿轮脱开位置与转子盘车齿轮在轴向的间隙值进行测量，某核电厂4号机该间隙值的理论值与现场实测值均为27.2mm，如图2所示。当机组启动后，随着转子受热逐渐膨胀，膨胀量在转子轴向传递，所以转子盘车齿轮与盘车齿轮脱开位置两者的间隙值变小。此时若测得两者之间的间隙值，并用冷态时测量得到的数值减去此间隙值，即为由于转子膨胀导致两者间隙变化的量，此数值即为转子膨胀的量。

2.2 测量转子凸台与1#轴承箱距离变化进行辅助验证

为了对采用上述方法测量得到的膨胀量数据进行辅助验证，采用测量高压转子在1#轴承箱处凸台与1#轴承箱距离的相对变化来对膨胀量进行再次测量，图3为测量示意图。在整个轴系受热膨胀过程中，我们认为1#轴承箱的位置固定不变，且膨胀传感器也安装在1#轴承箱上，这样可以以1#轴承箱为基准，用高压转子上的某一点与1#轴承箱的相对距离变化来表示高压转子的膨胀量。如图3所示，在1#轴承箱蓋垂直下方的高压转子存在凸台，并且该凸台与轴承箱盖的距离A值测量方便。在机组启动之前冷态情况下，经过现场测量，已经获得了A值为A1。当机组启动后，由于转子膨胀，A值变小，通过测量此时A值为A2，与冷态时的值进行作差比较，Δ=A1-A2即为转子对应的膨胀量。通过此种方式获得转子的膨胀量较为简单，可操作性强，可以作为采用测量盘车齿轮间隙变化方法的补充和辅助验证。

2.3 热态时传感器与转子凸台安装距离的精确调整图4 高压转子膨胀传感器安装示意图

高压转子膨胀传感器摆架通过磁力与转子凸台吸附，转子膨胀变化带动传感器摆臂移动测量膨胀值。为保证传感器与凸台的吸附能力并且在汽机运行过程中两者不会发生摩擦，根据厂家要求，冷态情况下进行传感器安装时，传感器摆臂垂直状态与转子凸台的安装距离为1.5mm。但当汽轮机处于热态时，转子存在径向膨胀值，计算安装距离时应将此部分引起的测量误差考虑在内。在传感器安装时，摆臂实际的摆动位置与垂直位置可能存在一定的偏差角度，计算安装距离时，应将由于角度偏差引起的安装间隙变化考虑在内，图4为传感器安装示意图。

图4中的D=1.5mm-X/2-Δ为传感器在热态安装时，在摆臂与垂直状态存在夹角θ时传感器与转子凸台的安装距离。其中X为相应温度下高压转子直径方向的膨胀量，与转子温度相关，表1中所列为转子径向膨胀量数据。

3 效果与总结

通过按照上述方法进行热态情况下高压转子膨胀传感器的安装与定零工作，避免了转子冷却至常温进行传感器的安装，节省了大量工期，取得了良好的实施效果。如表2中所示，传感器安装完成后，调试人员在机组不同阶段通过现场实测与DCS上的数据进行了对比。汽轮机从盘车状态8RPM到额定转速1500RPM，DCS显示高压转子膨胀量减小了1.75mm，同时，在就地实测得到膨胀值减小了1.5mm。从额定转速1500RPM到打闸后盘车状态8RPM，DCS显示高压转子膨胀量比初始测量值增大了1.87mm，就地实测得到膨胀值增加了1.9mm。考虑到高转速情况下就地测量A值存在一定误差，可以看出，传感器定零完成后测量得到的膨胀量变化与就地实测得到的膨胀量变化值基本吻合。这证明定零后传感器工作情况良好，同时也间接证明了采用就地实测转子凸台与轴承箱距离变化来表征膨胀量的方法具有较高的准确性。

【参考文献】

[1]东方汽轮机有限公司.GME系统设备运行维护手册[R].2011.