汽輪機(jī)低壓差脹的測(cè)量值與控制值的計(jì)算

機(jī)車(chē)差異是指旋轉(zhuǎn)點(diǎn)和船體之間的膨脹差。為了提高機(jī)組的效率,汽輪機(jī)的通流間隙總是設(shè)計(jì)得盡量的小。差脹的設(shè)計(jì)控制值就是用來(lái)保證汽輪機(jī)的通流部分不發(fā)生碰摩。因此,汽輪機(jī)運(yùn)行中若出現(xiàn)差脹增大并接近控制值,必須盡力降下來(lái),否則,將危及汽輪機(jī)設(shè)備的安全。1低壓差脹的測(cè)量北侖發(fā)電廠2號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組由法國(guó)阿爾斯通(ALSTOM)公司設(shè)計(jì)制造,設(shè)計(jì)容量為620MW,采用一次中間再熱、四缸四排汽型。汽輪機(jī)的滑銷系統(tǒng)及各部膨脹方向如圖1所示。汽輪機(jī)裝有3個(gè)差脹測(cè)點(diǎn):高壓差脹、中壓差脹和低壓差脹。其中高、中壓差脹的測(cè)量裝置分別安裝在各自的外缸缸體上,隨缸體一起移動(dòng),而低壓差脹的測(cè)量裝置則安裝在低壓轉(zhuǎn)子B與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相聯(lián)接的靠背輪罩殼上,該靠背輪罩殼直接固定在汽輪發(fā)電機(jī)組混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)上,因此,低壓差脹的測(cè)量值并不是測(cè)點(diǎn)處轉(zhuǎn)子與缸體的膨脹差,而是轉(zhuǎn)子在測(cè)點(diǎn)處相對(duì)于汽輪機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)的位移量。ALSTOM現(xiàn)場(chǎng)專家證實(shí),ALSTOM所有汽輪機(jī)的低壓差脹均采用這種測(cè)量方法。ALSTOM制造廠提供的低壓差脹設(shè)計(jì)控制值正常運(yùn)行范圍:-4.45mm(0%)～10.25mm(100%);緊急停機(jī)值:-5.92mm(-10%)和11.72mm(110%)。汽輪機(jī)組于1994年11月投產(chǎn)發(fā)電,經(jīng)歷過(guò)大修、中修和小修各一次。汽輪機(jī)的高、中壓差脹設(shè)計(jì)值能滿足機(jī)組各種運(yùn)行工況的要求,低壓差脹設(shè)計(jì)值在夏季能滿足機(jī)組各種運(yùn)行工況的要求,而到了冬季只能滿足機(jī)組正常運(yùn)行的要求,一旦發(fā)生機(jī)組跳閘或冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),在盤(pán)車(chē)狀態(tài)下的低壓差脹已接近或超過(guò)設(shè)計(jì)控制值,從而使機(jī)組無(wú)法繼續(xù)沖轉(zhuǎn)。2低壓差脹測(cè)量裝置的線、線、面由于該機(jī)低壓差脹的測(cè)量值與低壓缸缸體的膨脹無(wú)關(guān),因此,冬季低壓差脹增大的原因只能是低壓轉(zhuǎn)子或測(cè)量裝置在測(cè)點(diǎn)處發(fā)生了位移。圖2為汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)及有關(guān)構(gòu)件平面布置圖。汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)總長(zhǎng)為45.7m,中心線(22.8m)位于兩只低壓缸之間。由于混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)的熱脹冷縮比較均勻,因此中心線的位置基本不變。天氣遇冷時(shí),兩側(cè)往中心線收縮。當(dāng)左側(cè)(G側(cè))收縮時(shí)帶動(dòng)低壓差脹測(cè)量裝置右移,相當(dāng)于低壓轉(zhuǎn)子在伸長(zhǎng);當(dāng)右側(cè)(T側(cè))收縮時(shí),拉動(dòng)高、中壓缸膨脹死點(diǎn)使缸體左移,推力盤(pán)也相應(yīng)左移,也相當(dāng)于低壓轉(zhuǎn)子在伸長(zhǎng)。兩者疊加就是汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)受冷收縮在低壓差脹上的總體反映。查有關(guān)手冊(cè),汽輪發(fā)電機(jī)組鋼筋混凝土構(gòu)件的線膨脹系數(shù)在0～100℃范圍內(nèi)為α=10×10-6/℃,結(jié)合圖2有關(guān)尺寸,當(dāng)環(huán)境溫度,即混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)溫度下降20℃時(shí),低壓差脹的變化量:Δ(LPDiff)=LΔtα=(7.4+9.1)×20×10×10-6=1.48+1.82=3.3mm其中1.48mm(10.1%)為零位漂移量。換算成百分?jǐn)?shù)為:3.3/14.7=22.4%,(14.7mm為低壓差脹0～100%的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度),這一數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)低壓差脹夏、冬季的變化量基本一致。實(shí)測(cè)夏季為68%左右,冬季為90%左右。因此,冬季低壓差脹增大的原因是由于汽輪發(fā)電機(jī)組混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)遇冷收縮造成的。3時(shí)汽機(jī)房整體布局由于低壓差脹的測(cè)量值與環(huán)境溫度有關(guān),為便于分析問(wèn)題,以2000年11月小修為基準(zhǔn),當(dāng)時(shí)汽輪機(jī)軸向定位時(shí)汽機(jī)房環(huán)境溫度為20℃左右。3.1低壓差脹調(diào)查根據(jù)制造廠提供的600MW工況下設(shè)計(jì)焓降曲線和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)抽汽溫度,可將低壓轉(zhuǎn)子軸向溫度場(chǎng)分布簡(jiǎn)化如圖3所示。取低壓轉(zhuǎn)子各段的平均溫度可近似計(jì)算出其平均溫升為52.7℃。查有關(guān)手冊(cè),低壓轉(zhuǎn)子在0～100℃范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)為α=10.9×10-6/℃,由于中、低壓差脹測(cè)點(diǎn)之間的距離為16.5m,因此,機(jī)組從冷態(tài)到600MW,低壓轉(zhuǎn)子的熱膨脹量為9.47mm。另外,600MW工況時(shí),中壓差脹為50%,而本次小修時(shí)中壓差脹的安裝零位在31%處,則中壓差脹變化使低壓轉(zhuǎn)子在測(cè)點(diǎn)處的伸長(zhǎng)為1.93mm。實(shí)測(cè)中、低壓轉(zhuǎn)子從盤(pán)車(chē)到3000r/min的泊桑效應(yīng)在低壓差脹測(cè)點(diǎn)處的收縮量為4.4mm(30%)。因此,600MW工況時(shí),低壓差脹的理論計(jì)算值為7.0mm。本次小修后600MW工況時(shí)CRT上低壓差脹的顯示值為75%,小修時(shí)低壓差脹的安裝零位為27%,則實(shí)測(cè)低壓差脹位移量為7.05mm。從上可見(jiàn),理論分析計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。因此,當(dāng)環(huán)境溫度為20℃,若機(jī)組在600MW工況下突然跳閘,盤(pán)車(chē)時(shí)的低壓差脹為11.45mm(即105%),已超過(guò)設(shè)計(jì)報(bào)警值,機(jī)組已無(wú)法再次啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)。若遇冬季天氣特別寒冷,汽輪機(jī)運(yùn)行中低壓差脹可達(dá)90%以上,跳閘后盤(pán)車(chē)時(shí)可達(dá)120%以上。3.2機(jī)組運(yùn)行控制值(1)在不考慮測(cè)點(diǎn)零位漂移的情況下,低壓差脹的設(shè)計(jì)控制值能滿足機(jī)組運(yùn)行的要求,設(shè)計(jì)控制值是合理的。(2)制造廠只規(guī)定機(jī)組運(yùn)行中低壓差脹的報(bào)警值和跳閘值,而沒(méi)有給出禁止啟動(dòng)的控制值,使問(wèn)題變得復(fù)雜化,因?yàn)榈蛪翰蠲浀奶l值和禁止啟動(dòng)值是完全不同的兩個(gè)概念。4低壓差脹安裝零位的確定由于汽輪發(fā)電機(jī)組混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)的線膨脹系數(shù)與轉(zhuǎn)子基本相同,因此,低壓差脹的安裝零位與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。要使機(jī)組能適應(yīng)各種運(yùn)行工況的要求,必須對(duì)低壓差脹的設(shè)計(jì)控制值及其使用范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?1)低壓差脹控制值的修正根據(jù)圖2汽輪發(fā)電機(jī)組構(gòu)件布置可知,環(huán)境溫度下降使低壓差脹顯示值增大由兩部分組成:一是高、中壓缸膨脹死點(diǎn)位移;二是測(cè)點(diǎn)零位漂移。而測(cè)點(diǎn)零位漂移完全是測(cè)量系統(tǒng)安裝位置不合理造成的,應(yīng)予以扣除。因此,對(duì)低壓差脹的控制值提出以下修正方案:運(yùn)行控制值應(yīng)減去由環(huán)境溫度變化引起的測(cè)點(diǎn)零位漂移量。即:LPDiff=(LPDiff)設(shè)計(jì)-L×α×Δt=(LPDiff)設(shè)計(jì)-0.074×Δt(mm)式中α——汽輪發(fā)電機(jī)組鋼筋混凝土構(gòu)件在0～100℃范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù),10×10-6/℃;L——低壓差脹測(cè)點(diǎn)到汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)中心線的距離,7.4m;Δt——以30°C為基準(zhǔn)的環(huán)境溫度變化量,°C。(2)固定低壓外缸解決低壓差脹零位漂移的另一種辦法是改變測(cè)點(diǎn)的安裝位置,將低壓差脹的測(cè)量裝置直接固定在低壓外缸的缸體上,使其與低壓外缸一起移動(dòng),從而消除測(cè)點(diǎn)零位漂移的影響。(3)低壓差脹控制值根據(jù)差脹控制值的設(shè)計(jì)思想,在確保通流不發(fā)生碰摩的前提下,將汽輪機(jī)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)的低壓差脹控制值作適當(dāng)放大。ALSTOM制造廠給出的低壓差脹設(shè)計(jì)控制值為汽輪機(jī)運(yùn)行中的報(bào)警值和跳閘值,也就是說(shuō)在這一控制值下發(fā)生機(jī)組跳閘,汽輪機(jī)的通流部分仍然是安全的。由于中、低壓轉(zhuǎn)子存在泊桑效應(yīng)(實(shí)測(cè)為4.4mm,即30%),因此,汽輪機(jī)在盤(pán)車(chē)狀態(tài)下其低壓差脹允許達(dá)到(110%+30%)。由此可見(jiàn),原運(yùn)行規(guī)程將低壓差脹的設(shè)計(jì)報(bào)警值作為機(jī)組禁止啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)的條件是不適當(dāng)?shù)?。汽輪機(jī)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)的低壓差脹控制值應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子泊桑效應(yīng)的收縮量。因此,建議將低壓差脹禁止啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)的控制值由原來(lái)的100%放大至120%。5低壓差脹測(cè)量零位補(bǔ)償問(wèn)題(1)該汽輪機(jī)低壓差脹的設(shè)計(jì)控制值是合理的,能滿足機(jī)組各種運(yùn)行工況的要求,但由于其測(cè)量方法不盡合理導(dǎo)致該機(jī)在冬季運(yùn)行比較困難,機(jī)組啟停時(shí)低壓差脹常常超限。(2)冬季低壓差脹增大直至超出原設(shè)計(jì)值是由于汽輪發(fā)電機(jī)組混凝土基礎(chǔ)平臺(tái)受冷收縮從而使推力盤(pán)位移、低壓差脹測(cè)量零位漂移原因造成的。低壓差脹測(cè)量零位漂移對(duì)其測(cè)量值的影響達(dá)15%以上,而零位漂移并未改變低壓通流部分的實(shí)際間隙,因此,通過(guò)對(duì)低壓差脹的測(cè)量值進(jìn)行零位補(bǔ)償是解決這一問(wèn)題的方法之一。(3)由于制造廠只給出機(jī)組運(yùn)行中低壓差脹的報(bào)警值和