200MW机组高压缸相对胀差大原因分析及处理

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1、200MW机组高压缸相对胀差大原因分析及处理热电技术2006年第3期(总第9l期)200MW机组高压缸相对胀差大原因分析及处理王伟(国电吉林热电厂,吉林吉林132027)攮要针对吉林热电厂ll号机组(200MW)启动过程中高压段相对账差指示偏大,导致投入的汽缸法兰加热系统不能按时解列,高压加热器不能随机组启动而投入.延长了暖机时间的问题,进行了综合分析,并提出了解决处理方案.关键词相对账差绝对膨胀推拉螺栓滑销1前言国电吉林热电厂11号汽轮机是哈尔滨汽轮机厂制造的70型C145/N20012.75/5351535型三缸二排汽超高压一次中间再热凝汽式汽轮机组,额定出力200MW,该机于1989年7

2、月份正式移交生产,从投产至今共经历4次大修,机组存在主要问题一是机组启动过程中高压缸相对胀差指示偏大,二是高压外缸内壁上下缸温差经常出现偏大现象,最大时达42左右,结果导致投入的汽缸法兰加热系统不能按时解列,高压加热器不能随机组启动而投入运行,延长了暖机时间,直接影响了机组启动初期负荷的调整和不能加满负荷稳定运行.汽轮机在启停过程中,转子和汽缸分别以各自的死点为基准膨胀或收缩,由于转子与汽缸的热交换条件不同,使得它们在膨胀或收缩时出现差别.这些差别称为汽轮机转子与汽缸的相对膨胀差,简称胀差.转子与汽缸相比,转子的质量小,参加热交换的面积大,即质量比小(质量与热交换面积之比),而汽缸的质量大,热

3、交换的面积小,质量比大;在加热时转子的膨胀值大于汽缸,称为正胀差;在冷却时转子的收缩值大于汽缸,称为负胀差.汽轮机各级动叶片的出汽侧轴向间隙大于进汽侧轴向间隙,故允许的正胀差大于负胀差.在机组启动过程中,由于汽缸和转子的温度不同,产生相对胀差,这就意味着机组冷态安装时动静部分的轴向间隙发生了变化,如果其相对膨胀差值超过了规定值,就会使动静间的轴向间隙消失,发生转子动静间的摩擦,轻者增加启动时间,降低经济性;重者引起机组振动,大轴弯曲以及掉叶片等恶性事故,甚至毁坏整台机组.因此,监视转子与汽缸的相对膨胀差值是否符合运行工况要求,是实现机组安全启停机,防止出现转动部件与静止部件相互摩擦的关键.尤其

4、是200MW机组承担电网负荷的调峰任务后,该机的高压相对胀差大直接影响了机组启动初期阶段负荷不能按调度指令调整满负荷运行,因此,控制好该机胀差在启动过程中在安全范围之内是一项重要的任务.2原因分析及方案的确定2.1修前原因分析在机组启动即受热初期,转子的平均温升要高于汽缸的平均温升,此时转子与汽缸会产生相对的正胀差;但相对正胀差若过大,超过规定的允许值(高压胀差范围:+6.0一一2.8mrI1),会造成动静摩擦及恶性事故的发生.此时机组在启动初期在未投入高加负荷在175MW左右时,其高压缸相对胀差最大时为+5.8+5.9mm,已接近规定的上限值,见表1,若此时机组按正常启动运行后投入高加加负荷

5、,因6号高压加热器的热汽源从高压缸的第9级动叶后引出,事必增加高压进汽量加快转子平均温升,导致高压缸相对胀差值将会继续增加,而此时的高压外缸内壁上下缸温差也经常地出现偏大现象,最大时38左右,为此机组启动初期在投入汽缸法兰,丝对以加快汽缸膨胀以及监控轴封供汽温度,凝汽器真空的同时,只能根据高压胀差的变化,来调整机组运行工况.图1为汽缸与转子膨胀示意图,此台机组为两排汽室结构,汽缸纵向膨胀绝对死点位于低压缸前排汽口处横销中心线与纵销中心线交点处;转子纵向热膨胀相对死点则位于高,中压缸之间的推力轴承处.高压胀差表的发讯器装在1号前轴承箱上,从图1可以看出,高压外缸与高压转子均是向机头方向膨胀的.当

6、高压外缸膨胀或收缩时,带动前轴承箱一起移动,所以高压胀差表的指示值是指高压转子与高压外缸相对膨胀的差值,分析和解决此问题应从两方面着手,即高压转子的热膨胀和高压缸的热膨胀.一27热电技术2006年第3期(总第91期)l/二l/;胀方向向甲压趾膨脚高压内缸死点胀方向r,1瓯正丁转子死点低压缸死点向1一高压缸相对胀差测点2一高压内缸3一高压外缸4一中压缸5一中压缸相对胀差测点6一低压缸7一联轴器8一轴承9一低压缸相对胀差测点1O一推力轴承图1汽缸与转子膨胀示意图a.控制蒸汽的温升(温降)速度,因为产生胀差的根本原因是汽缸与转子存在温差,蒸汽的温升速度大,转子与汽缸的温差也大,引起的胀差也大;从冷态

7、启动过程中,高压胀差的变化分成以下几个阶段:从汽封供汽至冲转前,胀差值往正方向变化,高压胀差一般增加0.40.5mm,汽封供汽后,汽封洼窝的汽封套和相应处的主轴段首先被加热,与汽封相应的主轴段受热后则会使转子伸长,但汽封供热不会使汽缸产生明显的膨胀.汽封供汽对转子伸长值的影响是由供汽温度和时间长短决定的,因此缩短汽封的时间,对减少胀差的正值有一定的作用.从暖机升速,高压胀差一般增加0.81.2mm,在高压缸中蒸汽主要在调节级内作功整个高压转子平均温升是有限的,相对高压外缸,转子温度的变化是超前的,但只要汽温无剧烈的波动,单位时间内高压胀差的变化是比较均匀的.从机组定速和并列带负荷,定速后高压胀

8、差增加的幅度较大,并网后,随着高压调速汽门的开大,进汽量的增加,高压胀差明显增加,而此时高压外缸受热膨胀情况是受内缸夹层蒸汽温度决定的,假若主汽温升速过快,高压胀差的增加就比较难控制.因此,启机过程中,应控制好蒸汽的温升速度,设法提高高压外缸金属温度,使其提王伟:200MW机组高压缸相对胀差大原因分析及处理前膨胀出来,是控制高压胀差的有效途径.b.汽缸法兰,丝对加热装置的影响,汽轮机在启停机过程中使用汽缸法兰和丝对加热装置,可以提高或降低汽缸法兰和螺栓的温度,有效地减少汽缸内外壁,法兰内外,汽缸与法兰,法兰及螺栓的温度差,加快汽缸膨胀或收缩,起到控制膨胀的作用.如果厚重的外缸法兰膨胀不出去,必

9、然限制整个汽缸的膨胀.因此在机组启动的开始阶段合理地使用汽缸法兰,丝对加热装置加热汽缸法兰和丝对,有助于加快外缸膨胀,减少正胀差.c.机组的高压外缸上下汽缸温差偏大,是造成机组的高压胀差大原因之一.由于汽缸存在温差导致高压下外缸膨胀较慢,制约和影响了高压缸的整体膨胀,为了缓解高压下外缸膨胀较慢问题,机组不得不延长高压缸的法兰和夹层加热时间并不投高加,以解决因为下汽缸平均温升慢,影响汽缸的绝对热膨胀问题.这说明内外缸夹层和法兰供汽量存在不足问题,应设法解决.d.为提高高压下缸夹层温度以减少上下外缸内壁温差,该机原设计上将高压缸前轴封1套第9汽封环后部分汽源,通过2根284mm的遗漏管引入下夹层.

10、作用是为了加大夹层供汽量,经与哈汽厂家了解,前轴封1套前9环的汽封径向间隙值可做适当的放大,目的是为了提高高压下汽缸的温度,减少上下汽缸的温度偏差,便于汽缸的膨胀.e.凝汽器真空的影响,汽轮机在启动过程中,当机组维持一定转速或负荷时采用改变凝汽器真空的试验方法也可调整胀差.但不同机组,它的影响也不相同;当真空降低时,欲保持机组转速不变或负荷不变,必须增加进汽量,使高压转子受热加快,其高压缸正胀差随之增大;此时由于汽轮机进汽量的增加,中低压转子摩擦鼓风的热量容易被增加的进汽量带走,因而中低压转子被加热的程度减小,中低压缸正胀差小;此外真空降低,排汽缸温度上升,也会减小中低压缸的正胀差.当真空提高

11、时,通过汽轮机的蒸汽量减小,高压转子受热减小,高压缸正胀差减小;对低压缸,却因此时蒸汽量减小,缸内摩擦鼓风损失加大,其热量加热转子,使低压转子伸长,低压正胀差增大.f.汽缸绝对热膨胀还与机组滑销系统有直接关系.当汽缸受热膨胀时,高压外缸是通过下缸下部的槽形板用推拉螺栓连接与1号前轴承箱而共同移动的,中压缸通过下缸猫爪下的横销推拉2号中轴承座移动;高压下外缸的下部与1前轴承箱,2号中轴承箱间及中压缸(前部)的下部均设有垂直的立销,另外前轴承箱和中轴承箱底部与基础台板上配合各有一组纵销,当汽缸的滑销系统出现卡涩时,将严重影响汽缸的自由膨胀,使胀差发生异常的变化;为防止出现滑销因锈蚀发生卡涩,影响汽

12、缸膨胀而导致的高压缸相对胀差大,为此对滑销系统应做重点检查.滑销系统俯视图见图2.2.2具体施工方案a.机组启停运行过程中的监视,具体是在启停机阶段在1号前轴承箱前角两侧,高压外缸后猫爪两侧,2号中轴承箱前角两侧的分别各架一块030mm量程的百分表(总计6块百分表),监视机组启停过程中前轴承箱,高压外缸,中轴承箱的绝对膨胀值,每隔半小时记录一次,目的是检查滑销系统是否在启停机及低负荷暖机过程中导致汽缸膨胀不正常,汽缸的绝对膨胀是否有突跳现象.b.做分解高中低压汽缸,分别吊出和抽出高压下汽缸,1号前轴承箱,2号中轴承箱的前期技术准备工作;首先将1号前轴承箱和2号中轴承箱上的高压绝对总膨胀值指示表

13、,中压绝对总膨胀值指示表作好原始标记,并划好位置,再进行高中低压汽缸的解体工作.揭缸后作好修前高中低压缸通流部分间隙,各段转子轴颈扬度,汽缸结合面的水平,汽缸洼窝中心的复查以及高中低压转子中心的修前测量工作,并认真记录下来以作为修后对比的标准.前箱和中箱处的角销按原位置做好原始编号和记录,测量角销各部分间隙后,拆开角销并检查是否有卡涩痕迹,并按要求用红丹点检查点接触应达75%以上否则应修研好,做好间隙记录.c.依次吊出高压上外缸,高压上下内缸,中低压上汽缸,上隔板,转子,下隔板后,分解并检查1号前轴承箱与高压缸联结的推拉螺栓,猫爪横销,将与高压下外缸相连接的所有管路支吊点固定好后全部汽割解列和

14、法兰进行分解.采用32mm钢丝绳索4根吊出高压下外缸,敞口的管路和法兰用临时盖板堵好并贴上封条,防止落入杂物.d.将与1号前轴承箱连接油管路做好标记后全部解列,用临时盖板封堵好,并吊出1号前轴承箱放到指定地点,同时检查1号前轴承箱底部台板上的纵销间隙及前箱基础台板的油槽情况并作好记录,用白布将油孔堵好.e.分解并检查2号中轴承箱与中压缸联结的热电技术2006年第3期(总第91期)猫爪横销,将与2号中轴承箱连接油管路做好标记后全部解列,用临时盖板封堵好,采用32mm钢丝绳索2根吊起中压下汽缸前部(此时中压下汽缸不吊起太高应以能刚好抽出2号中轴承箱为准)左右分别垫入事先准备好的2支50t的千斤顶,

15、用手拉葫芦吊出2号中轴承箱,同时检查2号中轴承箱底部台板上的纵销间隙及中箱基础台板的油槽情况并作好记录,用白布将油孔堵好.旷-(2)圈因+蓓指高压内外缸侧立销立销汽缸膨胀表纵销猫爪销低压缸地脚螺栓图2机组滑销系统俯视图f.检查高压汽缸法兰,丝对,夹层加热装置,重点检查高压内外缸夹层和汽缸法兰供汽系统.g.检查与汽轮机本体连接主管道及缸体疏放水管路的布置情况,是否有对缸体膨胀不畅的影响;同时检查前箱和中箱进,回油管道可能有较大的单侧阻力造成的影响.3发现的问题a.在机组启停运行监视过程中,发现在1号前轴承箱前角两侧架的2块百分表与高压外缸后猫爪两侧架的2块的百分表,记录监视的前轴承箱与高压外缸的

16、绝对膨胀移动值不正常,之间差值最大时达1.84mm,这说明1号前轴承箱与高压缸在膨胀过程中有相对移动的空行程,解体检查前轴承箱与高压缸联结的推拉螺栓间隙也证明了这一点,如图3所示,左侧推拉螺栓存在间隙为1.7mm,右侧推拉螺栓存在间隙为1.8mm,这说明1号前轴承箱与高压缸在膨胀过程中有相对移动的空行程,也就是说高压缸开始在受热膨胀向前移动过程中,未能真实,及时地将移动的数值传递给前轴承箱体,从而导致安装在1号前轴承箱体上的高压胀差表发讯器膨胀指示与实际值存有误差.其结果是高压缸绝对膨胀数值未能真实地反映在高压胀差表发讯器上,是导致机组启动过程中,高压段相对胀差指示偏大的直接原因,分析其根本原

17、因为推拉螺栓在高压后轴封高温区域下,承受前轴承箱与高压缸在膨胀收缩过程中推拉作用力时,发生了塑性变形而导致推拉螺栓伸长和螺帽松动所致.b.在解体检查滑销系统的纵销,立销,角销,猫爪横销各部分间隙值时,发现锈蚀比较严重,尤其是中压缸前部2个猫爪横销卡涩严重,纵销,猫爪横销间隙值偏小.这也是导致1号前轴承箱,2号中轴承箱与高压缸在推拉过程中使螺栓被拉长以及汽缸膨胀不畅的主要原因.c.对于在机组启动过程中受热初期,高压上下外缸内壁温差较大,检查分析结果认为,是因为内外缸夹层和法兰供汽量不足,导致了下汽缸平均温升慢,直接影响了汽缸的绝对热膨胀.d.解体检查中压缸端部前轴封时,发现前轴封1,2套上的汽封

18、齿磨损严重,部分汽封齿高度已磨损近2/3,导致该处汽封间隙增大,这也是造成中王伟:200MW机组高压缸相对胀差大原因分析及处理压缸前部滑销部件锈蚀,卡涩严重的原因之一.4主要技术措施图31号前轴轴承箱与高压下外缸下部立销连接示意图a.将1号前轴承箱与高压下外缸连接的推拉螺栓更换为耐高温的合金材质.推拉螺栓为M40208mm,材质采用25Cr2MoVA,定位套筒材质为35.CrMoA,锁紧螺母为M42mm,材质为35CrMoA,均经调质热处理.重新安装消除推拉螺栓间隙,防止出现前轴承箱与高压缸在膨胀过程中有相对移动的空行程,从而影响高压胀差表发讯器膨胀指示与实际值存有误差问题,为防止螺母在机组运

19、行中松动,在锁紧螺母后,采用冷焊方法用A507电焊条将螺母与推拉螺栓点焊成一体.b.对滑销系统的纵销,立销,角销,猫爪横销进行清理修研,尤其是对1号前轴承箱和2号中轴承箱底部与基础台板上配合各有二组纵销,高中压汽缸前后部位的猫爪横销做重点检查处理,并将高压缸前后及中压缸前立销,猫爪横销间隙放大至0.10mm.角销和纵销配合间隙则仍按哈汽厂规程规定执行.c.为提高高压下汽缸夹层的温度,以减少高压上下外汽缸内壁的温差,将高压前轴封1套上原哈汽厂加装的2根q)284mm的遗漏管上,再钻出直径为8mm的l5个均匀分布的孑L,引入高压下汽缸夹层内,并将遗漏管前端加堵板封死,目的是为了均匀分布遗漏管喷出的

20、汽流,提高高压下汽缸夹层内的温度,减少高压上下汽缸的温度偏差,以缓解高压下外缸膨胀较慢问题,便于汽缸的膨胀.d.经与哈尔滨汽轮机机制造厂家咨询了解,决定将高压缸前轴封1套前9环的汽封径向间隙值存在间隙(即空行程处)高压下外缸侧放大至1.21.3mm之间,以加大遗漏管对高压下汽缸夹层供汽量,使高压下汽缸的温度值提高加快以利于汽缸的膨胀.e.本机组汽缸加热装置的汽源来自主蒸汽系统,原设计安装的蒸汽汽源由单根q)76mm母管引入夹层供汽联箱和丝对供汽联箱,然后再分别进入高压上下缸夹层,法兰,丝对进行加热;为解决法兰,丝对加热装置系统在机组启动过程中投入时间过长的问题,将高压汽缸法兰,丝对供汽母管进行

21、改造,即母管由原来的单根q)76mm管段改为双根q)76mm管路分别向高压汽缸的夹层和丝对供汽联箱供汽,以解决法兰温升慢影响汽缸整体膨胀的问题.同时也加大了上下夹层供汽量,利于提高了夹层内的温度,减少高压上下外汽缸内壁的温度偏差,以缓解高压下外缸膨胀较慢问题便于汽缸的膨胀.另外高压外缸两侧的法兰加热汽柜此次也做了更新改造,汽柜由原来易漏泄的碳钢材料改为奥氏体不锈钢材质,内部汽流走向更趋于合理;此项改造由哈汽厂家来人进行处理.法兰丝对供汽管改造前后对照示意图见图4.f.回装前将前箱及中箱基础台板的油槽清扫:f净(由于其与哈汽早期产200MW34型汽轮机相比,油槽设计比较合理,回油路畅通,故未作调

22、整).按分解相反顺序进行依次回装并向台板油槽内注入二甲基硅油,以利于汽缸整体膨胀的问题.g.回装高中低压汽缸体,分别复查和调整高,中,低压缸通流部分间隙,转子中心,转子对汽缸洼窝中心,轴颈的扬度及汽缸结合面的水平;重新调整好高中压缸端部轴封间隙值,防止端部轴封漏汽量一31热电技术2006年第3期(总第9l期)过大,对前箱和中箱处滑销部件锈蚀的影响,将测得的数值与分解前比较,确定无异常情况后再最后组装.图4法兰,丝对供汽管改造前后对照示意图5改造前后测试数据机组大修后冷态启动初期严格控制汽缸和转子的温升速度,尤其是轴封供汽的投人时间,若轴封供汽过早,使转子受到较长时间加热,轴封段的转子受到加热而

23、膨胀,使胀差增加;轴封供汽过迟,将使凝汽器真空达不到冲转条件,延长启动时间,所以,选择有利的轴封供汽时间对减少汽封供汽后相应处主轴段首先被加热,对机组的胀差控制有一定的作用.同时在启动初期应控制9级抽汽至6号高加的进汽量,加强外缸的加热以及升速暖机时汽缸膨胀值的监控和加负荷过程中蒸汽参数的控制;汽缸法兰,丝对加热装置按正常启动投入;从表2和表1的数据可以看出,改造处理后前轴承箱和中轴承箱的膨胀自如,机组大修后冷态启动过程中在相近负荷工况下高压缸胀差由原来的5.8mm降低到4.5mm,改造效果明显.从表1和表2机组改造前后的运行参数可以看出,在同样工况下,高压上下外缸内壁温差由原来的38减少至12(2.这说明改造后效果明显,机组能在安全稳定经济的工况下运行,达到了预期目的.6结束语11号机组经过改造投入运行后,前箱和中箱膨胀自如,其各自总膨胀值达到设计值,轴系稳定;机组修后的高压胀差由原来当初不能投高加的5.8mm减少至投入高加后的4.5mm,在安全标准范围内,并且高加可以随机启动,法兰加热装置的供汽时间由原来的45天到现在的机组启动正常后当天就可解列,而且上下外缸温差由原来的最大时38C减少至12(2,提高了设备安全水平,确保了机组安全,稳定,经济运行.表2机组修后运行参数32