汽轮机差胀换型有关问题的探讨.pdf

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1、全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 82 石横电厂汽轮机差胀换型有关问题的探讨 王灿文 （石横电厂 山东省 肥城石横 271621） 【摘 要】本文对石横电厂汽轮机差胀测量装置进行了简单介绍，包括不同型号的测量装置的测量原理，特 别针对差胀探头的安装定位进行介绍，对于影响差胀的因素作进一步介绍。 【关键词】差胀 测量 原理 安装 影响因素 引言 汽轮机在启动、暖机、升速和停机过程中，或在运行中发生工况变化时，都会因温度变化而引 起转子和汽缸不同程度的热膨胀。我们把转子和汽缸间的相对膨胀差，称为胀差。转子膨胀量大于 汽缸膨胀量时，发电机方向其胀差定为正值；反之

2、，转子收缩量小于汽缸收缩量时，汽轮机方向其 胀差定为负值。 1 差胀测量装置 #1 机组在汽轮机通流改造前，差胀测量装置采用本特利轴环式测量装置，#1 机组 1987 年投产， 当时 TSI 系统采用本特利 7200 系统，2003 年 TSI 系统更换为瑞士 VM600 系统，现场其它探头均进 行换型，差胀未进行更换，仍采用原测量装置（型号 19047） ，如下图所示： 汽轮机缸体和转子的相对位移通过卡在轴环上的直流线性可变微分变送器测得送至信号处理系 统进行显示，直流线性可变微分发送器的传感器产生一个正比于机座与轴上膨胀环之间相对位置的 直流电压， 监控器将这个直流电压转换成膨胀指示值进行

3、显示， 此测量装置测量范围广， 可达0-50mm。 汽轮机通流改造后，大轴进行更换，#4、5 轴承处轴环取消，加工成 8双斜面，原差胀测量装 置无法使用，更换为双涡流探头进行测量探头安装如下图所示： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 83 探头型号 111-402-000-012-A1-B3-C70-D000-E10-F0-G000-H1 延长线型号 913-403-000-012-A1-E090-F0-G000 前置器型号 204-452-000-021 灵敏度 4mv/um 涡流传感器的工作原理如下图所示，在高频电流 i 的激励下，传感器的线圈产生一高

4、频交变磁 场 i。当被测导电体靠近传感器时，根据电磁感应定律在被测导电体的表面附近就产生了与交变 磁场相交链的涡流。此涡流又将产生一磁场 e 反作用于 i。同时，在被测导电体附近除存在涡 流效应外还存在磁效应，因此既会产生楞次焦耳热损耗，还会产生磁滞损耗，造成交变磁场能量 损失。 涡流传感器工作原理图 以上现象反映到涡流传感器的等效阻抗上；当传感器与被测导电体靠近时，涡流传感器的等效 阻抗 Z 将发生变化。理论计算可知等效阻抗 Z 与被测体材料的电阻率 、导磁率 、激磁频率 f 以 及传感器与被测导电体间的距离 x 有关，见式(1)。 ZF（，x,f) （1） 全国火电 300MWe 级机组能

5、效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 84 当电源频率 f 以及被测导体材料一定时，上式可简化为： ZF（x） （2） 因此，当 x 变化时，导致 发生变化，通过测量电路，可将 的变化转换为电压 U 的变化。 这样就达到了把位移(或振幅)转换为电量的目的。 位移一次测量系统下图所示，由涡流传感器和前置放大器组成。前置放大器内部包括高频振荡 器、高频阻抗测量电路、电压信号输出电路和系统调整电路。高频振荡器向涡流传感器提供高频振 荡源，高频阻抗测量电路测量涡流传感器阻抗的变化，电压信号输出电路则将涡流传感器阻抗转换 成直流电压信号送至 TSI 的二次仪表。 位移一次测量系统结构图示意图 此种测量

6、装置利用涡流传感器的输出电压与其被测金属表面的垂直距离在一定范围内成正比的 关系，将位移信号转换成电压信号送至监测仪表，从而实现监测和保护的目的。在机组正常运行中， 胀差传感器固定在缸体上，而传感器的被测金属表面铸造在转子上，因此，汽缸和转子受热膨胀的 相对差值称为“胀差”( 一般将转子的膨胀量大于汽缸的膨胀量产生的差值做为“正胀差” ，反之为 “负胀差”)。根据“输出电压与被测金属表面距离成正比”的关系，该差值被涡流传感器测得，并 利用转子上被测表面加工的 8斜坡将传感器的测量范围进行放大，其换算关系为： =LSin8 式中：传感器与被测斜坡表面的垂直距离；L：胀差。 如果传感器的正常线性测

7、量范围为 4.00 mm(即4.00mm)，则对应被测胀差范围 L 为： L=/Sin8=4.00/Sin8=28.74mm 由上式可知：胀差传感器利用被测表面 8的斜坡将其 4.00 mm 的正常线性测量范围扩展为 28.74 mm 的线性测量范围，从而满足了对 020 mm 的实际胀差范围的测量。传感器将其与被测斜 坡表面的垂直距离转换成直流电压信号送至前置放大器进行整形放大后，输出 024V DC 电压信号 至斜坡式胀差监测器，分别将 A、B 传感器输入的信号进行叠加运算后进行胀差显示，并输出开关量 信号送至保护回路进行报警和跳闸保护。同时输出 010V DC 或 420 mA 模拟量信

8、号至 DEH 系统进 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 85 行显示。 2 差胀探头的定位 在高参数，大容量汽轮发电机组中，胀差是直接反映汽轮机动静间隙的一项重要的技术参数。 石横电厂在 2002 年#3 机组大修启动后，轴系机械安装零位和监测保护系统的电气零位不统一，传 感器的零位锁定不当，使该系统在机组大修启动后，测量误差较大，停机进行处理。 （#3 机采用轴 环式测量，轴环两侧两涡流探头来完成测量范围） 在#3 机组大修中，检修人员将差胀测量探头进行了原样恢复，按说明书查找 A、B 探头之间的 拐点为-11.8VDC，将显示仪表进行了校验：A 探头起

9、作用段为 -3.93VDC-11.8VDC，B 探头起作用 段为 -11.8VDC-3.93VDC，拐点为-11.8VDC（如：图一） ，与说明书及大修前一致。启动后差胀偏 大。 通过对探头及测量系统重新全面检查发现， 探头的拐点不是-11.8VDC， 是-9.09VDC（如： 图二） 。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 86 对测量探头安装的参数进行了反正验算，确认探头的实际拐点是-9.09VDC。查阅#3 机组差胀投 产调试记录，A、B 探头的拐点是 9.09VDC。这样就地探头的拐点与主控室显示仪表拐点就对应不起 来。不对应情况如：图三 分析认为：

10、 大修前显示仪表的拐点就存在问题 （根据显示表校验前的数据及探头拆除时的数据） ， 推断当时机组投产安装时没有将显示仪表的拐点与就地完全对应。原来汽机方面没有改造，汽封对 差胀的影响不大，随着机组的启动，缸胀与轴胀基本同步，因而没有引起注意。汽机改造后，本身 差胀测量零点定位就比规程高 3.48 mm，再加上轴封对轴胀影响较改造前明显增大，因而问题才暴 露出来。从图三可以看出：对于现场探头测量出来的间隙电压来讲：A 探头起作用时 9.09VDC 以下 显示偏低，B 探头起作用时 9.09VDC 以下显示偏高。 根据上述分析对显示仪表的拐点进行了重新整定，并将整定前后的数据（见表一）进行了比较，

11、 认为：为了将零点定在 2.52 mm 处，在热态情况下平移的 3.48 mm，实际移动不到 3.48 mm，比 3.48 mm 稍小，可以认为基本上移动了 3.48 mm。因而，推断在开机过程中差胀最大的一次（打闸后 B 探 头电压最低降至-2.6VDC） ，实际为 18.54 mm，超过报警值 18.22，小于大闸值 18.98 mm。 #3 机组差胀数据 表一 调整前(mm) 调整后(mm) A 探头间隙电压 （VDC） B 探头间隙电压 (VDC) TSI DEH TSI DEH -11.8 -11.8 10 9.89 10.4 10.26 -10.8 -11.8 8.8 8.62 1

12、0.4 10.26 -9.8 -11.8 7.5 7.36 10.4 10.26 -8.8 -11.8 6.3 6.11 9.5 9.4 -7.8 -11.8 5.0 4.86 8.2 8.15 -6.8 -11.8 7.0 6.89 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 87 调整前(mm) 调整后(mm) A 探头间隙电压 （VDC） B 探头间隙电压 (VDC) TSI DEH TSI DEH -5.8 -11.8 2.7 2.35 5.6 5.63 -4.8 -11.8 1.0 1.04 4.4 4.31 -4.03 -11.8 0 0.1 -3.8

13、-11.8 0 0.1 3.0 3.06 -2.8 -11.8 0 0.1 1.5 1.81 -1.8 -11.8 0 0.1 0.3 0.56 -1.38 -11.8 0 0.1 0 0.01 -11.8 -10.8 11.5 11.13 10.4 10.26 -11.8 -9.8 12.6 12.4 10.4 10.26 -11.8 -8.8 13.6 13.7 10.7 10.58 -11.8 -7.8 15 14.96 12 11.83 -11.8 -6.8 16.3 16.20 13.3 13.16 -11.8 -5.8 17.5 17.46 14.6 14.41 -11.8 -4.

14、8 18.9 18.79 15.5 15.66 -11.8 -3.89 20 19.88 -11.8 -3.8 20 19.88 16.9 16.91 -11.8 -2.8 20 19.88 18.5 18.18 -11.8 -1.8 20 19.88 19.5 19.49 -11.8 -1.38 20 19.88 20 19.96 差胀监测系统传感器的零位锁定必须参考的因素 (1) 大轴推力瓦的间隙值。 (2) 大轴位置(即大轴推力盘已靠在推力瓦的工作面或非工作面)。 (3) 胀差监测器及传感器的校验数据。 监测器的设计量程为-2.517.5 mm，而实际机组停运后会产生约 02.50 mm

15、 的负胀差，因此， 传感器安装零位对应监测器的显示为 0 mm。安装时将安装支架固定在缸体上，探头灵敏度 4V/mm，A、 B 两探头安装间隙电压为-10VDC，固定两探头后，再利用可调支架进行校验和定位。 若大轴推力盘靠在工作面，等于将大轴从推力瓦的中间零位向发电机推了 1/2（轴向间隙） mm，应利用可调拖架将 A、B 传感器同时再向发电机的胀差方向调整 1/2mm 后，将可调拖架锁定 即可。 若推力盘靠在推力瓦的非工作面，利用可调拖架将 A、B 传感器同时再向胀差的反方向(机头方 向)调整 1/2mm 后，将可调拖架锁定即可。 3 差胀的影响因素 使胀差向正值增大的主要因素简述如下： 1

16、）启动时暖机时间太短，升速太快或升负荷太快。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 88 2）汽缸夹层、法兰加热装置的加热汽温太低或流量较低，引起汽加热的作用较弱。 3）滑销系统或轴承台板的滑动性能差，易卡涩。 4）轴封汽温度过高或轴封供汽量过大，引起轴颈过份伸长。 5）机组启动时，进汽压力、温度、流量等参数过高。 6）推力轴承磨损，轴向位移增大。 7）汽缸保温层的保温效果不佳或保温层脱落，在严禁季节里，汽机房室温太低或有穿堂冷风。 8）双层缸的夹层中流入冷汽（或冷水） 。 9）胀差指示器零点不准或触点磨损，引起数字偏差。 10）多转子机组，相邻转子胀差变化带

17、来的互相影响。 11）真空变化的影响。 12）转速变化的影响。 13）各级抽汽量变化的影响，若一级抽汽停用，则影响高差很明显。 14）轴承油温太高。 15）机组停机惰走过程中由于“泊桑效应”的影响。 （泊桑效应是当转子在高转速下因离心力的 作用变短变粗,当离心力随惰走时间的变化,转速降低离心力下降,转子又变细变长.这一现象称为泊 桑效应.） 使胀差向负值增大的主要原因： 1）负荷迅速下降或突然甩负荷。 2）主汽温骤减或启动时的进汽温度低于金属温度。 3）水冲击。 4）汽缸夹、法兰加热装置加热过度。 5）轴封汽温度太低。 6）轴向位移变化。 7）轴承油温太低。 8）启动进转速突升，由于转子在离心

18、力的作用下轴向尺寸缩小。 9） 汽缸夹层中流入高温蒸汽， 可能来自汽加热装置， 也可能来自进汽套管的漏汽或者轴封漏汽。 启动时，一般应用加热装置来控制汽缸的膨胀量，而转子主要依靠汽轮机的进汽温度和流量以及轴 封汽的汽温和流量来控制转子的膨胀量。启动时胀差一般向正方向发展。汽轮机在停用时，随着负 荷、转速的降低，转子冷却比汽缸快，所以胀差一般向负方向发展，特别是滑参数停机时尤其严重， 必须采用汽加热装置向汽缸夹层和法兰通以冷却蒸汽，以免胀差保护动作。汽轮机转子停止转动后， 负胀差可能会更加发展，为此应当维持一定温度的轴封蒸汽，以免造成恶果。 4 结论 汽轮发电机组是一个高速旋转的精密系统，为了提

19、高机组的热经济性，汽轮机的级间间隙、轴 封间隙设计的比较小。如果在汽轮机的启停和运行中操作不当，便会发生汽轮机转动部件和静止部 件相互摩擦，严重时还会发生叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧坏等事故，汽轮机的差胀测量装置的 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 89 可靠保证了运行的正常监视，了解其工作原理、安装方法以及导致差胀增大或减小的因素，有利于 提高对整个汽轮机运行的可控性，从而保证汽轮机安全可靠运行。 参考文献： 1 张栾英，谷俊杰，汽轮机数字电液控制与保护，1994 2 郭志安，热工仪表及自动装置系统安全操作技术标准规程应用手册，中国电力科技文化音像出版社，2005. 3 赵义学主编， 电厂汽轮机设备及系统, 中国电力出版社 1998 版 作者简介： 王灿文（1975 ） ，男，工程师，从事电力生产技术管理工作。