汽轮机轴向位移增大和高缸绝对膨胀不到位的原因分析

刘善聪 李诗月

摘  要：华能营口电厂#2机组汽轮机为前苏联哈尔科夫汽轮机厂制造，自高压抗燃油液压控制系统改造后，高压缸绝对膨胀值显著变小、轴向位移增大。本文通过机组运行数据对比确定可能造成上述问题的原因，分析机头部分滑销系统卡涩是引起高压缸绝对膨胀值变小和轴向位移增大的原因。滑销组卡涩影响级内效率，增加运营燃料成本。同时滑销断裂或突然恢复将造成机组振动突变，从而触发机组保护动作，甚至使动静叶片发生刮蹭危及人身和设备安全。

关键词：汽轮机  轴向位移  绝对膨胀  滑销系统  设备安全

中图分类号：TK16                             文献标识码：A文章编号：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  設备简介

华能营口电厂#2机组汽轮机为前苏联哈尔科夫汽轮机厂制造，后经供热改造的N330/C250-23.5/0.44/540/ 540型、超临界参数、非调节抽汽、一次中间再热、单轴三缸两排汽凝汽式汽轮机。经高压抗燃油液压系统改造后，高压缸绝对膨胀值在同负荷下显著变小，同时高负荷时轴向位移显著增大，运行期间需依靠调整供热供汽量缓解轴向位移过大的问题。

2  研究背景介绍

随着社会进步人民生活质量逐步提高，一方面供热需求日益增大，另一方面国家对能源能耗问题以及环保问题的关注日趋强烈。而我国人口众多，其中多以煤炭、石油、天然气为主要的能源，发改委“十三五规划”中指出煤炭消费比例从2015年的64%降到2020年的58%以下，接近发展中国家的人均用电量，缩小与发达国家标准煤的使用量[1-2]。依靠限制供热避免轴向位移保护动作的操作，虽能缓解轴向位移增大的问题，但也严重限制了机组供热能力，降低了机组的综合效率，提高了电厂的燃煤消耗量，不利于节能减排。且当机组深度调峰时，需要将定滑压曲线向低负荷延伸，以保证机炉协调运行时机组主要参数匹配[3]，但是深度调峰下汽轮机合理的主汽压力未必满足延伸的定滑压曲线[4]。因此，深调时限制供热将会给机组带来安全隐患。

3  故障诊断分析

通过机组控制系统调取数据，研究高压缸绝对膨胀变小和轴向位移增大的故障原因，并列出表1、表2。

其中1-3组为改造前数据，4-6组为改造后数据。由1-3组数据发现高压缸绝对膨胀值与主汽流量正相关，即主汽流量增大膨胀也增大，供热调门开度与高压缸绝对膨胀没有直接关联。4-6组数据高压缸绝对膨胀值数据不符合1-3组数据的相关规律，偏差值很大，且远小于规程中32.2mm理论值，说明高压缸膨胀不畅。

其中1-3组为改造前数据，4-6组为改造后数据。由上表可知高压缸5、6点温差、中压缸绝对膨胀、高压缸胀差与高压缸绝对膨胀没有必然联系，4-6组数据高压缸绝对膨胀显著变小，轴向位移显著增大。故此可以判断自高压抗燃油液压控制系统改造后，高压缸绝对膨胀值显著变小，轴向位移也在相同负荷时显著增大。

高压缸利用猫爪搭在前轴承箱和中间轴承箱上，中压缸利用猫爪搭在中间轴承箱和低压缸的附加支承上，低压缸座落在基础平台上，汽缸的死点在#4轴承中心线与低压缸两只横销连线相交处。

高压缸膨胀方向从B点向C点，高压缸绝对膨胀测点在C点附近，故高压缸绝对膨胀不到位的原因是C点至D点之间的滑销系统发生卡涩。受上述情况影响，高压侧推力瓦受到高压缸膨胀挤压，推力盘与高压缸侧推力瓦之间摩擦增加，推力瓦磨损加速，造成汽轮机转子位置相较于正常情况下稍向高压缸侧移动，引起中压缸胀差稍有减小。汽轮机密封系统受此影响，润滑油与轴封之间密封降低，润滑油中水分将会增加。实践证明在此之后机组润滑油携水量增加。

A点和B点之间没有直接受蒸汽加热的部件，通过对汽轮机轴向位移增大原因中的分析，结合表1、2中轴向位移变化可以得出高压缸绝对膨胀不到位的主要原因是图1阴影区域部分的滑销组卡涩。大修期间我厂进行了汽轮机调速系统的改造，重点的改造发生在图中阴影部分，因此很可能是在改造EH油系统时造成了滑销卡涩，引起了高压缸绝对膨胀不到位。

图1阴影部分滑销组卡涩，在高压缸受热时使其受到向死点方向的力，这样会加剧高压缸侧推力瓦与推力盘间的摩擦，引起汽轮机轴向位移加大。高压缸膨胀不畅会使汽轮机动静间隙变化，影响缸内效率，增加运营燃料成本。对于稳定运行的机组来讲，汽轮机相对内效率的主要影响因素是漏气损失和所处的运行工况，当汽轮机带相同负荷运行时，动叶与叶顶汽封之间的动静间隙的大小就成为汽轮机相对内效率的主要影响因素，换言之，汽轮机的相对内效率（η）与动静间隙的大小呈反比[5]。同时低压缸两只横销受到由机头向发电机方向的应力，可能造成死点横销断裂。滑销卡涩在机组长时间的变工况运行下突然恢复正常，高压缸胀差会剧烈变化，可能触发机组保护动作，甚至危及人身和设备安全。汽轮机转速的升高，各部转子在离心力的作用下变粗、缩短（泊松效应）。转速越高，离心力越大。这种作用对整锻式转子的影响不大，但对转子的缩减作用明显，转速的变化对汽轮机中、低压胀差的影响是很大的[6]。根据克拉伯龙方程证明汽轮机升速过程中人为改变升速率是导致胀差变化的根本原因[7]。因此在机组大修前的启动过程中为避免因轴向位移、胀差变化造成汽轮机升速过程中#1瓦#2瓦振动突变触发保护，還应严格控制升速率。

4  结语

根据统计学原理，胀差变化是引起汽轮机#1瓦、#2瓦轴承振动突变的直接原因，这符合实际运行情况。因此应利用大修期间对#2机组汽轮机滑销组进行重新检查，确认高压缸绝对膨胀不到位和机组轴向位移增大的原因，并对可能磨损的推力盘进行维护。

参考文献

[1] 李琼慧，王彩霞.从电力发展“十三五”规划看新能源发展[J].中国电力，2017，50（1）：30-36.

[2] 郑文凯.供热电厂热力系统节能优化研究[D].广州：华南理工大学，2016.

[3] 李泉，尹峰，苏烨，等.超临界机组深度调峰研究及应用[J].电站系统工程，2017，33（5）：60-62，66.

[4] 文乐，薛志恒，杨新民.深度调峰下汽轮机的定滑压曲线试验与优化[J].热能动力工程，2019，34（11）：21-26.

[5] 廖金龙.大功率火电机组一次调频能力建模与优化[D].杭州：浙江大学，2020.

[6] 叶勇，董志国.汽轮机冷态起动胀差变化因素分析及控制[J].电世界，2020，61（1）：17-20.

[7] 徐海龙，魏巍，刘炜.汽轮机胀差变化与轴承振动的关系分析[J].集成电路应用，2020，37（4）：66-67.