1、1FC508.83/535 1.3 型汽轮机组负胀差超限原因分析及处理张国洲 毋立伦 张建波（河南育英置业有限公司 永威学校 454550）摘要：汽轮机在启停和工况变化时，由于汽缸和转子的温度不同，产生胀差，这就意味着安装时动静部分的轴向间隙发生了变化，如果相对膨胀超过了规定值，就会使动静间的轴向间隙消失，发生动静间的摩擦，轻则增加了启动时间，降低了经济性；重则引起机组振动、大轴弯曲以及叶片断裂等恶性事故，甚至毁坏整台机组。本文结合该机组的具体情况从胀差测量、热力系统设计、系统运行方式以及运行参数等方面着手，对产生负胀差的原因进行了综合地分析，提出了减小负胀差的解决方案。关键词：汽轮机 胀差
2、轴封 调节级 回热抽汽 汽缸 转子 汽封漏汽 励磁机1、简介沁阳长怀/江怀电力有限公司（原河南省沁阳市二电厂） 1 号、2 号机组是由上海汽轮机厂生产的 N558.83/535 型高压单缸、冲动、凝汽式汽轮机，配套上海电机厂 QFS-60-2 同步发电机。进行热电联产时现改为两台 FC50-8.83/535-1.3 型汽轮机。在两台机 8 级隔板后下汽缸中心左右右侧 30角进行打孔，所以具有一级调节抽汽和一级非调节抽汽。汽缸由前汽缸、中汽缸、后汽缸三部分组成，并用垂直法兰联接，前汽缸采用铸钢 ZG20CrMoV/SQ-1+7 铸件，水平中分面采用高窄法兰结构，用下猫爪型式支撑在前轴承箱上。中压
3、缸为碳素铸钢 ZG25-1+7，后汽缸采用 ZG25-1 铸造结构。转子为整锻加套装轮盘结构，整锻转子材料为 30Cr21MoV-5-7，7-11级叶片、12-21 级叶片，材料为 1Cr13-5 和 2Cr13-5。转子级数 22 级，其中单列速度级和 21 级为压力级组成。该机组有七段抽汽口，抽汽口的位置分别在第 2、5、8、11、15、17、19 级后。第 2 级后的抽汽为工业调整抽汽，工业非调整抽汽压力为 1.3MPa，由提板式喷嘴组调节。非调整抽汽压力为0.98MPa，在 7 级后抽出，非调整抽汽压力随工况不同在一定范围内变化。汽轮机热膨胀死点设在后汽缸处，以横向滑销定位于后座架，在
4、前轴承箱和前汽缸有垂直键和纵向滑键，使汽缸向前热膨胀时保持汽轮机中心不变。转子则以推2力轴承定位向后膨胀。汽缸与转子的相对膨胀用相对膨胀指示器测量。相对膨胀指示器装在后汽缸上。该机组在试运期间曾多次出现负胀差超限（厂加规定胀差范围：1.5mm4mm）磁力断路油门动作而停机，严重影响了机组运行的安全性。在机组升速过程中胀差变化的趋势表现为负胀差逐渐增加，接近或达到极限值。在带负荷过程中，负胀差逐渐转为正胀差而平稳。2、造成负胀差的原因分析2.1、转子与汽缸相对膨胀分析（图一）转子和汽缸的膨胀死点及膨胀方向如（图一）所示，转子和汽缸分别以各自的死点为基准膨胀或收缩。相对来说，汽缸的质量大而接触蒸汽
5、的面积小，转子的质量小，而接触蒸汽的面积大；而且由于转子在转动的情况下，蒸汽对转子的放热系数大于蒸汽对汽缸的放热系数，使得转子与汽缸间发生热膨胀差值，这个差值就是胀差。胀差指示器并不能准确地反映各级动静间隙的变化，只能指示测点处的胀差值，该机组胀差指示器主要反映的是低压缸处的胀差值。2.2、影响胀差的因素2.2.1 轴封供汽温度影响3在冷态启动前开始向轴封供汽时，由于供汽温度（约 140180）高于转子温度，转子局部受热引起伸长，会出现正胀差。热态启动时，如果轴封供汽温度低于转子温度，转子被冷却收缩，会出现负胀差，为了防止出现过大负胀差，轴封供汽温度可适当提高。2.2.2 真空影响在升速和暖机
6、过程中，真空变化会使胀差值改变。当真空降低时，欲保持机组转速或负荷不变，必须加大进汽量，转子中低压部分摩擦鼓风的热量容易被增加的进汽量带走，因而转子被加热的程度减小，胀差减小。此外真空降低，排汽缸温度上升，也会减小胀差。真空提高，变化过程与上述相反，胀差增加。2.2.3 摩擦鼓风热量的影响汽轮机转子的摩擦鼓风损失不仅与动叶片长度成正比，而且还与圆周速度三次方成正比。低压转子的摩擦鼓风损失转变成热量，来加热后汽缸，导致后汽缸温度升高，膨胀量增大，胀差减小。这种影响在小流量工况尤为显著。随着流量增加，转速升高，这种影响逐渐减小。当机组带一定负荷后，蒸汽量已能将摩擦鼓风产生的热量完全带走，其对胀差的
7、影响随之消失。2.2.4 进汽参数的影响当进汽参数突然发生变化时，首先对转子受热状况发生影响，对汽缸的影响要滞后一段时间，会引起胀差的变化。蒸汽的温升（或温降）速度大，转子与汽缸的温差也大，引起的胀差变化也大。在启停过程中，控制蒸汽的温升（或温降）速度，也可以达到控制胀差的目的。2.3 负胀差原因分析机组冲转期间，对主蒸汽参数、凝汽器真空以及轴封供汽温度进行严格控制，并不能彻底改善负胀差超限的问题，我们将汽缸绝对膨胀量过大特别是后汽缸膨胀过大作为负胀差的主要原因进行了分析：不调整抽汽在额定工况下（设计值）：表一凝汽工况设计抽汽参数（单位：）(注：见参考文献 2)工业抽汽一段抽汽二段抽汽三段抽汽
8、四段抽汽五段抽汽六段抽汽55MW 393 405.6 335.2 262.5 157 111.6 79.64表二实际运行抽汽参数（单位：）工业抽汽一段抽汽二段抽汽三段抽汽四段抽汽五段抽汽六段抽汽8MW 465 430 322 359 294 209 418通过对比，可以看出：每段抽汽口温度均高于设计温度，特别是六段抽汽口温度远远超过设计温度。六段抽汽口温度为什么会高出设计值三百多度？由（图一）我们可以分析出可能是由于前汽封各段漏汽压力（特别是三档漏汽）高于抽汽口压力以至返回汽缸引起的，从而导致汽缸低压部分绝对膨胀量明显增加。如果轴封漏汽返回汽缸，对转子的会产生什么影响呢？由于轴封漏汽量小，相对
9、于通过转子的蒸汽流量，对转子几乎没有什么加热作用，不会导致转子的膨胀量明显增加。转子膨胀基本不变，而后汽缸膨胀量明显增加，这就是机组产生严重负胀差的主要原因。轴封漏汽特别是三档漏汽返回汽缸的原因可能有两个：一是前轴封间隙在机组热态发生了偏移，造成轴封漏汽量大量增加超过原设计值。二是三档漏汽在一定负荷时其压力和流量均高于此段抽汽压力，不能完全被低加利用，余汽返回汽缸。针对前轴封可能存在的诸多问题，我们对前轴封汽封齿方向、前轴封径向和圆周整圈间隙及水平结合面接触等安装情况进行复查，未发现异常，排除了第一种可能性。现基本确认第二种原因是造成轴封漏汽返回汽缸的主要原因。造成各抽汽口温度偏高的原因又是什
10、么呢？机组的调节级后温度额定负荷设计值为 409，而实际运行 55MW 负荷调节级后蒸汽温度高达 505，调节级后蒸汽温度大幅度高于设计值，调节级后汽缸金属温度基本上与级后蒸汽温度一致。调节级后温度上升对转子和汽缸的影响不完全相同。过热蒸汽经过各级膨胀做功后，最终变为饱和蒸汽，对转子而言，由于换热面积大，蒸汽流量大，转子高温部分向低温部分传递的热量大部分被蒸汽带走，转子的温度梯度最终应与各级后的蒸汽温度梯度基本一致。对于汽缸而言，蒸汽对汽缸的换热系数应小于蒸汽对转子的换热系数，汽缸与蒸汽的换热面积也相对转子小，即蒸汽对汽缸的冷却作用相对较弱，汽缸自高温部分向低温部分传递的热量较少被蒸汽带走，导
11、致各级汽缸的温度应高于对应的蒸汽温度，汽缸的平均温度高于转子的平均温度，最终的结果是汽缸的绝对膨胀量大于转子的绝对膨胀量，产生负胀差。53、消除负胀差大的措施3.1 减小前汽封漏汽对汽缸的加热作用如果汽封漏汽压力小于或接近抽汽口压力，漏汽就直接被带入加热器而不会返回汽缸，我们提出了对漏汽管道进行改造的方案（如图二）：（图二） 将前汽封原三档漏汽至 6 抽（#1 低加）增加一路到 5 抽（#2 低加）并安装截止阀； 将前汽封原二档漏汽至 5 抽（#2 低加）另增加一路到 4 抽（#3 低加）并安装截止阀。 考虑到原汽封漏汽排放点离抽汽口太近，可将漏汽与抽汽管道汇合点下移。在运行中改变前汽封漏汽的
12、排放方式，关闭原漏汽至#1、#2 低加的截止阀，将三档漏汽排至 5 抽，二档漏汽排至 4 抽。并通过新增的截止阀进行排放量的控制，尽量减少汽封漏汽对汽缸的加热作用3.2 提高前轴封汽源温度该机组原设计轴封供汽的方式为：空负荷采用来自低压减温减压器蒸汽（温度约 180250） ，大负荷采用来自除氧器汽平衡管的饱和蒸汽（温度约 140）进入均压箱，由轴封供汽母管分别向前、后轴封供汽，即前、后汽封供汽温度相同。我6们提出在运行中轴封供汽尽可能采用低减来的蒸汽，保证均压箱的温度在 180左右，因为提高前轴封的供汽温度是减少负胀差的有效方法。3.3 降低调节级后蒸汽温度降低调节级后蒸汽温度，可降低调节级
13、后汽缸金属温度，减少汽缸的绝对膨胀量，可有效减少负胀差。由于该机组为非标机组，是在原上汽厂 50MW 抽汽机组改造而来，改造后各级动叶及隔板都发生了很大变化，使调节级做功能力不够，造成焓降不够。汽轮机制造厂应重新计算、设计调节级的工作参数。但改造调节级工作量太大，只有待机组大修时再作处理。3.4 汽轮机在热态启动情况下转速达到 1000 转/分以上加励磁。使发电机转子受热向汽轮机机头方向位移，增大汽轮机动静间隙，减少负胀差。4、结论加励磁完全可以控制汽轮机负胀差。当然对轴封漏汽管道改造和运行优化后，#1、#2 机组负胀差同样得到改善。参考文献：1. N55-8.83/535 型凝汽式汽轮机使用说明书 ，上海汽轮发电机厂2. FC50-8.83/1.3 抽汽式时汽轮机热力特性计算书 ，武汉汽轮发电机厂3. 汽轮机设备运行技术 ，山西省电力工业局编4. 汽轮机运行规程沁阳长怀/江怀电力有限公司编
