600MW汽輪機上下缸溫差大的原因分析及處理研究

莊新

摘 ?要：汽輪機組上下缸溫差大將會加大轉子偏心變化幅度，導致缸體內部摩擦增大，為汽輪機組安全運行帶來一定隱患。文章以某600MW汽輪機組為例，分析了造成汽輪機上下缸溫差大的主要原因，圍繞加強啟動停運管控、改造疏水系統兩個層面，探討了針對汽輪機上下缸溫差大問題的處理對策，以供參考。

關鍵詞：600MW汽輪機;上下缸溫差;疏水系統改造

中圖分類號：TM621 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）13-0140-02

Abstract： The large temperature difference between the upper and lower cylinders of the steam turbine unit will increase the eccentricity of the rotor， lead to the increase of the internal friction of the cylinder block， and bring some hidden dangers to the safe operation of the steam turbine unit. Taking a 600MW steam turbine unit as an example， this paper analyzes the main causes of the large temperature difference between the upper and lower cylinders of the steam turbine， and probes into the countermeasures for solving the problem of the large temperature difference between the upper and lower cylinders of the steam turbine around two aspects： strengthening the start-up and shutdown control and reforming the drainage system.

Keywords： 600MW steam turbine; temperature difference between upper and lower cylinders; revamping of drainage system

引言

電力市場發展規模的日趨擴大對于電力供應的穩定性提出了較高的要求，汽輪機上下缸溫差大將會導致轉子偏心幅度增大，進而造成葉片損毀、汽缸變形、大軸彎曲等問題，使發電廠蒙受嚴重的經濟損失，甚至還會引發安全事故。如何精確排查上下缸溫差大的原因并采取有效措施予以處理，值得我們進行深入探討。

1 汽輪機組運行概況

某公司生產的型號為N600/24.2/566/566的3、4號超臨界汽輪機組為三缸四排汽中間再熱凝汽式結構，高中壓合缸，低壓缸為雙流程結構。機組投產后的啟動、停運期間，在高中壓缸排汽口、三段抽汽口處出現上下缸溫差超出45℃的情況。鑒于在生產制造汽輪機的過程中要求進行汽輪機上下缸溫差的動態監測，通常下缸溫度要低于上缸且溫差不超過45℃，防范汽缸進水問題，倘若溫差超出報警值將會造成動靜碰磨、汽缸變形、軸瓦振動大乃至汽缸漏汽等問題，造成嚴重的安全隱患。通過調取機組監測數據可以發現，在4號機某次啟動、停運的過程中都發生了高中壓缸排汽口、三段抽汽口處溫差超過報警值的現象。在4號機啟動后，自真空投運起中壓缸排汽口上下缸溫差便逐漸上升，待暖機結束后到達第一個高峰值61.6℃，隨著機組帶負荷至120MW時到達第二個高峰值68.1℃，隨后溫差逐漸減小至正常范圍;在機組的三段抽汽口處，待暖機結束前由3000r/min至120MW負荷間溫差呈迅速增大趨勢，在120MW處到達最高值95.8℃，隨后溫差逐漸回落至正常范圍。

2 600MW汽輪機上下缸溫差大的原因分析

2.1 蒸汽在夾層中的傳熱情況分析

蒸汽通過分流擋板，上、下分流，并保證了上、下蒸汽流量和溫度等參數基本一致。由于內外缸之間的中分面處空間不大，蒸汽主要通道為頂部和底部的內外缸夾層之間。高溫區的蒸汽冷卻內缸，同時加熱外缸;低溫區的蒸汽冷卻高中壓隔板，同時加熱外缸，確保高中壓缸內、外缸合理的溫度梯度。

分析高中壓缸夾層中高溫區和低溫區的蒸汽的熱量傳遞。高壓端的漏汽（高溫區蒸汽）與中壓缸排汽（低溫區蒸汽）因為壓力不一致，因此蒸汽在高中壓缸擋汽板附近不能通過自然對流進行熱交換。由于高溫區的蒸汽流量遠大于低溫區的蒸汽流量，如果不控制從高溫區到低溫區的蒸汽流量，則高溫區的溫度維持不住。

2.2 溫度測點與保溫排查

汽輪機組一般在啟停或低負荷時，汽缸因外界條件不同，下缸與很多管道相連接，散熱面積大，保溫困難，故一般下缸溫度較上缸溫度低。但是這種機組的高中壓缸不論在啟停或帶負荷運行時，總是出現下部溫度高于上部溫度的現象。

為排查汽輪機上下缸溫差過大的原因，首先針對溫度測點精度進行檢驗，在觀察機組啟動后的運行情況時，可以發現4號機中壓缸的排汽蒸汽溫度為350℃，排汽口上半部金屬溫度與之相匹配，但下半部金屬溫度為320℃，二者溫差約為30℃。事實上在中壓缸運行過程中，其排汽下半部金屬溫度應與三段抽汽溫度保持一致。在獲取到溫度測量數值后，進行排汽口下半部保溫情況的排查，利用表計進行測點校驗后未發現測量數值的異常變化情況，保溫表面保持在60℃范圍內。因此擬進行表計的重新安裝，安裝后發現原有現象消除，由此可以初步證明溫度測點與保溫方面無故障問題，造成溫差測量數值不精確的原因極有可能是表計未插好，導致熱電阻測量端與套管底部連接不當。

2.3 汽缸進水問題排查

接下來進行汽缸進水問題的排查，在依次檢驗疏水系統中的不同閥門閉合狀態、查看汽輪機停機后的惰走曲線、觀察真空數據數值變化情況后，均未發現有異常情況，由此可以初步排除汽缸積水這一故障誘因。同時由于汽輪機在運行過程中缸內溫度會保持較高數值，在停機后缸內壓力逐漸轉變為真空狀態，因此缸內原有蒸汽并不會造成汽缸積水，且導氣管、疏水門都處于正常開啟狀態，由此可以進一步排除汽缸進水這一故障問題。

2.4 疏水系統檢查

內缸下半部開有疏水孔，通過環形撓性疏水管穿過外缸引出，用來排除內缸進汽腔的積水。通過觀察4號機高壓缸排汽口的溫度變化數據可以發現，總體來看其溫差保持在正常范圍內浮動，而在汽輪機停機的6日后出現溫差為46.6℃的情況;汽輪機的中壓缸排汽口在機組啟動、停運過程中溫差的峰值均超過60℃，且這一溫差數值在持續一段時間后才開始下降。由于真空系統與軸封系統在中壓缸沖轉前已完成投運，由此可以推斷出軸封蒸汽是影響溫差變化的最主要因素，軸封蒸汽在中壓腔室加熱上腔室，經由連通管從中壓缸流入到低壓缸中，導致中壓缸排汽下腔室溫度上升速率緩慢，進而加大上下缸溫差數值。

具體來說，由于在該汽輪機組中三段抽汽口的上、下測點分別位于中壓1號持環前部與中壓外缸處，兩個測點呈非對稱狀排布，因此在汽缸溫度變化時必然會引起測點所處位置金屬的溫度變化，進而造成溫差數值變化。在汽輪機組停運過程中，其溫差變化只取決于軸封蒸汽這一個因素，然而以機組現有的保溫條件無法規避停機溫差增大的問題。在汽輪機啟動過程中，沖轉蒸汽在流經中壓缸后必然流向低壓缸，導致其排汽口上下腔室的加熱速度不一致，下腔室略有延遲且升溫速度較慢，加劇了溫差增加幅度。此外，汽水混合物量會隨沖轉參數的升高而增大，在進入三段壓力疏水罐后引發倒流現象，使冷蒸汽倒流進三段抽汽口下部，進一步導致上下缸溫差增大，由此可以判斷出該汽輪機的疏水系統布置存在問題。

3 針對汽輪機上下缸溫差大的處理對策探討

3.1 增加蒸汽在夾層的換熱流量

取消高中壓端中分面分流擋板同時將高中壓內缸底部擋汽板的外圓直徑減小，增加擋汽板與外缸凸緣之間縫隙，使底部高溫區和低溫區的蒸汽的換熱流量增加，增大換熱效果，使下半區主流區的溫度與上半區的溫度基本一致。

3.2 加強啟動停運管控

針對汽輪機的啟動過程進行優化，需在汽輪機掛閘后立即投運3號高壓加熱器汽側，通過增加抽汽量使3號抽汽口下腔室金屬溫度上升，改善以往因疏水不暢造成的溫差過大問題;同時注重增加沖轉暖機時長，待汽輪機抽汽口下腔室金屬溫度保持恒定值后進行汽輪機升速，以免造成溫差疊加問題。針對汽輪機停運期間進行優化，應當適當推后軸封與真空的退出時長，選取汽缸上腔室部分的快冷汽源投運，以此增加汽缸上部降溫速率，同時配合關閉疏水閥操作，使汽缸下部緩慢降溫，從而達到減小上下缸溫差的目的。

3.3 改造疏水系統

針對汽輪機的疏水系統進行改造，應采用新集管輔助汽輪機本體疏水，規避其他管道影響本體疏水效果。具體來說，擬將4號機高中壓缸平衡管、高中壓缸外缸、中壓導氣管上下疏水管路、三抽與四抽逆止門前疏水等6條疏水管路與4A凝汽器26m3疏水擴容器備用集管口相連接。在完成疏水系統改造后，啟動4號機并觀察其溫差變化情況，可以發現在真空與軸封投運后，汽輪機高壓缸排汽口溫差無明顯變化，待沖轉前出現峰值41.5℃，直至達到110MW負荷后溫差恢復到正常情況;在觀察汽輪機中壓缸時，可以發現其排汽口溫差增幅較大且速度較快，短時間內迅速達到42.5℃，在此過程中并未受到真空變化的影響，溫差始終保持在42℃左右;在2350r/min暖機期間溫差增至43.7℃，而在3000r/min電氣試驗過程中溫差又略微降至41.7℃，經由后續打閘、沖轉后溫差再次增至44.5℃，機組帶負荷運行至3000MW時溫差降至30℃左右，回歸到正常的溫差范圍內;在三段抽汽口處，當汽輪機第一次升速至3000r/min時，其溫差達到峰值42℃，持續時間約在60min之內，在后續沖轉、帶負荷狀態下溫差均保持在30℃之下，由此可證實改造后的疏水系統能夠有效起到減小上下缸溫差的作用。其中選取4號機改造后某一日的上下缸溫差變化情況，如圖1所示。從圖中可以觀察到，在機組停機后、投運快冷前的一段時間內，其高壓缸與中壓缸的排汽口、三段抽汽口上下缸溫差的峰值分別為42℃、20℃和41℃，處于正常狀態。

4 結束語

汽輪機上下缸溫差過大將會直接導致轉子偏心幅度變大，加大汽輪機缸體內部的摩擦，使其內部溫度大幅攀升，還會引發缸體變形、漏汽、軸承彎曲、機組振動等問題，對于汽輪機的安全運行造成嚴重影響。因此務必要嚴格加強對機組啟停、疏水系統等環節的優化改造，最大限度保障機組安全運行。

參考文獻：

[1]蒲光來.汽機運行中上下缸溫差大的問題及應對策略[J].科技風，2017（09）：180.

[2]安洪坤.哈汽超臨界660MW汽輪機高中壓缸軸承振動大分析處理[J].內燃機與配件，2017（11）：14-15.