汽輪機高壓缸脹差偏大的故障分析

彭博偉

(安徽華電宿州發電有限公司，安徽 宿州 234101)

汽輪機高壓缸脹差偏大的故障分析

彭博偉

(安徽華電宿州發電有限公司，安徽 宿州 234101)

某電廠發生了汽輪機高壓缸脹差偏大故障，通過對脹差的含義和脹差測量方式的分析，從疏水系統和物理檢查等運行工況進行分析和測量，并檢查了熱工測量系統的外部回路和內部回路，找出了引發高壓缸脹差偏大的原因。

高壓缸；脹差；運行工況；熱工測量系統

某電廠1號機組采用上海汽輪機有限公司引進美國西屋公司技術生產的超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機，型號為N600-24.2/566/566。TSI系統是由上海汽輪機廠配套，由德國epro飛利浦公司生產的MMS6000系列產品，能在線監測汽輪發電機組的振動、軸向位移、脹差、缸脹、偏心、鍵相等本體運行重要參數。其中，高壓缸脹差測量系統為單探頭、反裝，型號為PR6426/000-030，量程范圍為-8～20 mm，工作電壓為-4～-20 VDC，線性工作區為-4～-17.8 VDC。產品于2007年9月隨機組一起投產。

脹差是大型汽輪發電機組運行過程中一個十分重要的參數。當脹差超過允許值時，機組部件便可能發生磨擦，嚴重時會產生災難性的故障。目前，大型汽輪發電機組的脹差基本上都接入了保護裝置中，而保護動作的依據是對脹差值的大小。脹差值的準確測量對保護裝置正確動作起到重要作用。

1 脹差的含義

汽輪機在結構上可以分為缸體和轉子2部分。保證汽輪機轉子在缸體內高速旋轉時不發生動靜摩擦，是汽輪機安全運行的基本要求。汽輪機脹差是監視轉子運行狀態的重要參數之一。

啟動時，汽輪機從冷態變為熱態，汽缸因受熱而發生熱膨脹，汽缸熱膨脹的方向取決于汽輪機滑銷系統中的死點位置，可以向高壓側伸長，也可以向低壓側伸長。同樣，轉子也因受熱而發生熱膨脹，轉子膨脹的方向是以推力軸承為基準，分別向兩側伸長。由于轉子的體積較小，溫升和熱膨脹較快，而汽缸的體積較大，溫升和熱膨脹比較慢。同理，轉子的冷卻收縮也比汽缸的冷卻收縮快。這樣，轉子和汽缸之間就存在較大的脹差。

汽輪機正常運行中，轉子和汽缸的受熱趨于穩定，熱膨脹值趨于飽和，它們之間的相對膨脹差達到某一穩定值。在運行中，一般負荷的變化對熱膨脹的影響是不大的，只有在負荷急劇變化或主蒸汽溫度不穩定時，溫度變化較大時，才會對熱膨脹產生較大的影響。

在實際應用中，脹差數據是有正、負區別的，一般轉子比汽缸相對伸長為正，相對縮短為負。

2 脹差的測量

脹差的測量其實就是位移的測量。對于汽輪機來說，也就是測量轉子與汽缸的相對位移。目前現場普遍采用電渦流原理的趨近式位移傳感器探頭來測量脹差，典型的脹差測量系統如圖1所示。

圖1 典型的脹差測量系統

趨近式探頭可探測探頭端面與被測面之間的距離。前置放大器通過TSI系統提供電源，在回路中產生一個高頻電流，電流經過探頭線圈產生一個高頻交變磁場。當被測面進入探頭的測量范圍內時，根據電磁感應定律，在被測面上產生了與交變磁場相關聯的渦流，前置放大器可以探測到信號的變化并對此信號進行相應的處理和調節，送回到TSI系統監測。

按照上述原理，TSI系統通過測量前置放大器的輸出電壓，根據探頭的位移-電壓特性曲線來計算探頭與被測面的相對位移。

3 故障經過

2011-06-07T23:37，1號機組負荷430 MW，機組CCS、AGC控制方式。2011-06-08T01:00-01:50，1號機高壓缸脹差由2.88 mm緩慢漲至5.73 mm，而高壓缸脹差正常值在2.5～3.6 mm。運行人員將1號機主汽溫、再熱器溫維持在545 ℃運行，觀察1號機高壓缸脹差仍然緩慢上漲。此后幾天，高壓缸脹差值仍不斷上漲。至2011-06-10 T23:30，高壓缸脹差已漲至9.57 mm，達到報警值。

4 故障查找

從運行工況和熱工測量系統兩方面對1號機組高壓缸脹差增大進行分析檢查。

4.1 運行工況分析

4.1.1 疏水系統

從運行角度出發，懷疑高壓缸的內缸和外缸存在積水，致使內缸和外缸的膨脹率有較大變化；或是機組保溫有脫落，致使缸體溫度不均勻，導致1號機高壓缸脹差緩慢上漲。

因此，運行人員連續數次對高、中壓缸本體進行疏水，但效果不明顯。并對機組保溫情況進行檢查，也未發現保溫脫落。同時，對高壓缸的鐵皮保溫部位測溫，也未發現有溫差大的地方。

查閱疏水前后高壓缸水室、內缸和外缸的壁溫DCS曲線，沒有明顯變化。因此，排除了疏水問題。

4.1.2 物理檢查

當汽輪機進汽參數發生變化時，轉子的受熱狀態首先發生變化，汽缸的受熱狀態變化要滯后于轉子的受熱狀態變化，因此機組進汽參數變化的脹差會發生變化。當汽輪機的再熱蒸汽溫度升高時，由于死點的存在將使轉子向發電機方向膨脹。因此汽缸的膨脹速度大大慢于轉子的膨脹速度。

由于脹差測量探頭屬于反裝探頭，距離越近，間隙電壓越小，顯示的數值就越大。根據1號機高壓缸脹差不斷變大來看，如果測量數據沒有問題，則是汽缸和轉子的距離變小了。根據轉子運轉情況，很有可能是缸被卡住，即滑銷系統卡澀。因此機務專業人員在機頭加裝了千分表，持續觀察高壓缸的變化情況，每小時記錄1次數值。同時調閱機組位于前箱內的1X和1Y振動測點，查看1號和2號軸承的回油溫度、軸承溫度、推力軸承溫度以及軸向位移DCS曲線。這些參數隨著負荷規律的變化，沒有出現異常。

4.2 熱工測量系統

高壓缸脹差測量回路由探頭、前置器和TSI卡件組成。探頭(帶1 m延長線)和延長線(8 m)中間的LEMO接頭安裝在汽機前箱內，延長線及前置器安裝在前箱外。

4.2.1 外部回路檢查

(1) 前置器工作環境溫度為40 ℃左右，符合要求;前置器工作電壓為24.35 V，穩定無波動。

(2) 從前置器測量電壓值為6.67 V，從TSI柜測量電壓值為6.7 V，畫面顯示8.89 mm，兩者對應關系正確，DCS組態正確，電壓轉換沒問題。

(3) 互換1號和2號機組高壓缸脹差前置器。1號機高壓缸脹差降低1.2 mm，2號高壓缸脹差升高0.8 mm，是固定差值，變化趨勢仍然相同。這說明前置器無問題。

(4) 互換1號和2號機組高壓缸脹差TSI卡件，高壓缸脹差數值無變化。更換新卡件，高壓缸脹差數值也無變化。這說明TSI卡件工作正常。

(5) 對前置器至TSI處電纜用500 V搖表測絕緣，線間及線對地絕緣良好。更換新電纜試驗，測量值無變化。這說明電纜良好。

(6) 前置器探頭正常阻值在2 Ω左右，低于1 Ω則不能使用。測量探頭阻值為1.6 Ω。探頭對屏蔽絕緣良好，沒有發現明顯的開路和短路現象，探頭狀況良好。

4.2.2 內部回路檢查

2011-06-11T18:20，停機檢查處理高壓缸脹差超標。停機前1號機高壓缸脹差已達10.20 mm，而跳閘值為10.28 mm。當轉速降至700 r/min時，打開前箱人孔門，觀察高壓缸脹差探頭，并用鋼板尺測量高壓缸脹差探頭與測量盤距離為13 mm，而畫面顯示值為10.6 mm。高壓缸脹差探頭屬于反裝方式，安裝原理如圖2所示。

因此當實際距離為13 mm時，而顯示值應為2 mm(機務專業有3 mm的死區)，初步斷定探頭存在問題。拆開前箱內的LEMO接頭，更換新探頭，但不拆除舊探頭。將新探頭置于舊探頭相當的位置，此時畫面顯示1.78 mm。由此判定探頭出現問題，更換新探頭后測量正常。

圖1 高壓缸脹差探頭安裝原理

5 經驗總結

1號機高壓缸脹差不斷增大的原因是探頭故障，這是近幾年來發生在發電系統中不常見的熱工案例。

(1) 當機組高壓缸脹差變大時，特別是到達跳機值時，肯定會有一系列參數異常，比如振動、油溫、軸承溫度等，若這些參數沒有明顯變化，就應考慮測量回路出現問題。

(2) 大多數機組的高壓缸脹差探頭安裝于前箱內，所以僅從外部回路來檢查熱工測量系統不一定能查出問題，這增加了檢查難度。從本起事故看，當間隙電壓不斷下降衰減時，很有可能是探頭的磁場發生了變化。該渦流同被測面與探頭的間隙有關，當此間隙減小時，被測面上渦流增大，探頭線圈的電感量減少，振蕩器的振幅減小，對應的電壓可能會下降。否則很可能是磁感線圈出現問題。

高壓缸脹差探頭長期處于充滿潤滑油的環境中，化學腐蝕對其測量也會產生一定的影響。隨著機組檢修次數的增多，探頭的拆裝次數也因此增加，這必將縮短探頭的壽命。

2011-07-22)