汽輪機(jī)高壓缸脹差偏大的故障分析

彭博偉

(安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234101)

汽輪機(jī)高壓缸脹差偏大的故障分析

彭博偉

(安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234101)

某電廠發(fā)生了汽輪機(jī)高壓缸脹差偏大故障，通過(guò)對(duì)脹差的含義和脹差測(cè)量方式的分析，從疏水系統(tǒng)和物理檢查等運(yùn)行工況進(jìn)行分析和測(cè)量，并檢查了熱工測(cè)量系統(tǒng)的外部回路和內(nèi)部回路，找出了引發(fā)高壓缸脹差偏大的原因。

高壓缸；脹差；運(yùn)行工況；熱工測(cè)量系統(tǒng)

某電廠1號(hào)機(jī)組采用上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N600-24.2/566/566。TSI系統(tǒng)是由上海汽輪機(jī)廠配套，由德國(guó)epro飛利浦公司生產(chǎn)的MMS6000系列產(chǎn)品，能在線監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)、軸向位移、脹差、缸脹、偏心、鍵相等本體運(yùn)行重要參數(shù)。其中，高壓缸脹差測(cè)量系統(tǒng)為單探頭、反裝，型號(hào)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(qū)為-4～-17.8 VDC。產(chǎn)品于2007年9月隨機(jī)組一起投產(chǎn)。

脹差是大型汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)十分重要的參數(shù)。當(dāng)脹差超過(guò)允許值時(shí)，機(jī)組部件便可能發(fā)生磨擦，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的故障。目前，大型汽輪發(fā)電機(jī)組的脹差基本上都接入了保護(hù)裝置中，而保護(hù)動(dòng)作的依據(jù)是對(duì)脹差值的大小。脹差值的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)保護(hù)裝置正確動(dòng)作起到重要作用。

1 脹差的含義

汽輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上可以分為缸體和轉(zhuǎn)子2部分。保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在缸體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生動(dòng)靜摩擦，是汽輪機(jī)安全運(yùn)行的基本要求。汽輪機(jī)脹差是監(jiān)視轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)之一。

啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)從冷態(tài)變?yōu)闊釕B(tài)，汽缸因受熱而發(fā)生熱膨脹，汽缸熱膨脹的方向取決于汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)中的死點(diǎn)位置，可以向高壓側(cè)伸長(zhǎng)，也可以向低壓側(cè)伸長(zhǎng)。同樣，轉(zhuǎn)子也因受熱而發(fā)生熱膨脹，轉(zhuǎn)子膨脹的方向是以推力軸承為基準(zhǔn)，分別向兩側(cè)伸長(zhǎng)。由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的冷卻收縮也比汽缸的冷卻收縮快。這樣，轉(zhuǎn)子和汽缸之間就存在較大的脹差。

汽輪機(jī)正常運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子和汽缸的受熱趨于穩(wěn)定，熱膨脹值趨于飽和，它們之間的相對(duì)膨脹差達(dá)到某一穩(wěn)定值。在運(yùn)行中，一般負(fù)荷的變化對(duì)熱膨脹的影響是不大的，只有在負(fù)荷急劇變化或主蒸汽溫度不穩(wěn)定時(shí)，溫度變化較大時(shí)，才會(huì)對(duì)熱膨脹產(chǎn)生較大的影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，脹差數(shù)據(jù)是有正、負(fù)區(qū)別的，一般轉(zhuǎn)子比汽缸相對(duì)伸長(zhǎng)為正，相對(duì)縮短為負(fù)。

2 脹差的測(cè)量

脹差的測(cè)量其實(shí)就是位移的測(cè)量。對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，也就是測(cè)量轉(zhuǎn)子與汽缸的相對(duì)位移。目前現(xiàn)場(chǎng)普遍采用電渦流原理的趨近式位移傳感器探頭來(lái)測(cè)量脹差，典型的脹差測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型的脹差測(cè)量系統(tǒng)

趨近式探頭可探測(cè)探頭端面與被測(cè)面之間的距離。前置放大器通過(guò)TSI系統(tǒng)提供電源，在回路中產(chǎn)生一個(gè)高頻電流，電流經(jīng)過(guò)探頭線圈產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)面進(jìn)入探頭的測(cè)量范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在被測(cè)面上產(chǎn)生了與交變磁場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的渦流，前置放大器可以探測(cè)到信號(hào)的變化并對(duì)此信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理和調(diào)節(jié)，送回到TSI系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

按照上述原理，TSI系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量前置放大器的輸出電壓，根據(jù)探頭的位移-電壓特性曲線來(lái)計(jì)算探頭與被測(cè)面的相對(duì)位移。

3 故障經(jīng)過(guò)

2011-06-07T23:37，1號(hào)機(jī)組負(fù)荷430 MW，機(jī)組CCS、AGC控制方式。2011-06-08T01:00-01:50，1號(hào)機(jī)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(yùn)行人員將1號(hào)機(jī)主汽溫、再熱器溫維持在545 ℃運(yùn)行，觀察1號(hào)機(jī)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(dá)到報(bào)警值。

4 故障查找

從運(yùn)行工況和熱工測(cè)量系統(tǒng)兩方面對(duì)1號(hào)機(jī)組高壓缸脹差增大進(jìn)行分析檢查。

4.1 運(yùn)行工況分析

4.1.1 疏水系統(tǒng)

從運(yùn)行角度出發(fā)，懷疑高壓缸的內(nèi)缸和外缸存在積水，致使內(nèi)缸和外缸的膨脹率有較大變化；或是機(jī)組保溫有脫落，致使缸體溫度不均勻，導(dǎo)致1號(hào)機(jī)高壓缸脹差緩慢上漲。

因此，運(yùn)行人員連續(xù)數(shù)次對(duì)高、中壓缸本體進(jìn)行疏水，但效果不明顯。并對(duì)機(jī)組保溫情況進(jìn)行檢查，也未發(fā)現(xiàn)保溫脫落。同時(shí)，對(duì)高壓缸的鐵皮保溫部位測(cè)溫，也未發(fā)現(xiàn)有溫差大的地方。

查閱疏水前后高壓缸水室、內(nèi)缸和外缸的壁溫DCS曲線，沒(méi)有明顯變化。因此，排除了疏水問(wèn)題。

4.1.2 物理檢查

當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的受熱狀態(tài)首先發(fā)生變化，汽缸的受熱狀態(tài)變化要滯后于轉(zhuǎn)子的受熱狀態(tài)變化，因此機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)變化的脹差會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)汽輪機(jī)的再熱蒸汽溫度升高時(shí)，由于死點(diǎn)的存在將使轉(zhuǎn)子向發(fā)電機(jī)方向膨脹。因此汽缸的膨脹速度大大慢于轉(zhuǎn)子的膨脹速度。

由于脹差測(cè)量探頭屬于反裝探頭，距離越近，間隙電壓越小，顯示的數(shù)值就越大。根據(jù)1號(hào)機(jī)高壓缸脹差不斷變大來(lái)看，如果測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題，則是汽缸和轉(zhuǎn)子的距離變小了。根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)情況，很有可能是缸被卡住，即滑銷系統(tǒng)卡澀。因此機(jī)務(wù)專業(yè)人員在機(jī)頭加裝了千分表，持續(xù)觀察高壓缸的變化情況，每小時(shí)記錄1次數(shù)值。同時(shí)調(diào)閱機(jī)組位于前箱內(nèi)的1X和1Y振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，查看1號(hào)和2號(hào)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(shù)隨著負(fù)荷規(guī)律的變化，沒(méi)有出現(xiàn)異常。

4.2 熱工測(cè)量系統(tǒng)

高壓缸脹差測(cè)量回路由探頭、前置器和TSI卡件組成。探頭(帶1 m延長(zhǎng)線)和延長(zhǎng)線(8 m)中間的LEMO接頭安裝在汽機(jī)前箱內(nèi)，延長(zhǎng)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(huán)境溫度為40 ℃左右，符合要求;前置器工作電壓為24.35 V，穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)。

(2) 從前置器測(cè)量電壓值為6.67 V，從TSI柜測(cè)量電壓值為6.7 V，畫面顯示8.89 mm，兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系正確，DCS組態(tài)正確，電壓轉(zhuǎn)換沒(méi)問(wèn)題。

(3) 互換1號(hào)和2號(hào)機(jī)組高壓缸脹差前置器。1號(hào)機(jī)高壓缸脹差降低1.2 mm，2號(hào)高壓缸脹差升高0.8 mm，是固定差值，變化趨勢(shì)仍然相同。這說(shuō)明前置器無(wú)問(wèn)題。

(4) 互換1號(hào)和2號(hào)機(jī)組高壓缸脹差TSI卡件，高壓缸脹差數(shù)值無(wú)變化。更換新卡件，高壓缸脹差數(shù)值也無(wú)變化。這說(shuō)明TSI卡件工作正常。

(5) 對(duì)前置器至TSI處電纜用500 V搖表測(cè)絕緣，線間及線對(duì)地絕緣良好。更換新電纜試驗(yàn)，測(cè)量值無(wú)變化。這說(shuō)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(cè)量探頭阻值為1.6 Ω。探頭對(duì)屏蔽絕緣良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的開(kāi)路和短路現(xiàn)象，探頭狀況良好。

4.2.2 內(nèi)部回路檢查

2011-06-11T18:20，停機(jī)檢查處理高壓缸脹差超標(biāo)。停機(jī)前1號(hào)機(jī)高壓缸脹差已達(dá)10.20 mm，而跳閘值為10.28 mm。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至700 r/min時(shí)，打開(kāi)前箱人孔門，觀察高壓缸脹差探頭，并用鋼板尺測(cè)量高壓缸脹差探頭與測(cè)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(dāng)實(shí)際距離為13 mm時(shí)，而顯示值應(yīng)為2 mm(機(jī)務(wù)專業(yè)有3 mm的死區(qū))，初步斷定探頭存在問(wèn)題。拆開(kāi)前箱內(nèi)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(dāng)?shù)奈恢?，此時(shí)畫面顯示1.78 mm。由此判定探頭出現(xiàn)問(wèn)題，更換新探頭后測(cè)量正常。

圖1 高壓缸脹差探頭安裝原理

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1號(hào)機(jī)高壓缸脹差不斷增大的原因是探頭故障，這是近幾年來(lái)發(fā)生在發(fā)電系統(tǒng)中不常見(jiàn)的熱工案例。

(1) 當(dāng)機(jī)組高壓缸脹差變大時(shí)，特別是到達(dá)跳機(jī)值時(shí)，肯定會(huì)有一系列參數(shù)異常，比如振動(dòng)、油溫、軸承溫度等，若這些參數(shù)沒(méi)有明顯變化，就應(yīng)考慮測(cè)量回路出現(xiàn)問(wèn)題。

(2) 大多數(shù)機(jī)組的高壓缸脹差探頭安裝于前箱內(nèi)，所以僅從外部回路來(lái)檢查熱工測(cè)量系統(tǒng)不一定能查出問(wèn)題，這增加了檢查難度。從本起事故看，當(dāng)間隙電壓不斷下降衰減時(shí)，很有可能是探頭的磁場(chǎng)發(fā)生了變化。該渦流同被測(cè)面與探頭的間隙有關(guān)，當(dāng)此間隙減小時(shí)，被測(cè)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(duì)應(yīng)的電壓可能會(huì)下降。否則很可能是磁感線圈出現(xiàn)問(wèn)題。

高壓缸脹差探頭長(zhǎng)期處于充滿潤(rùn)滑油的環(huán)境中，化學(xué)腐蝕對(duì)其測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。隨著機(jī)組檢修次數(shù)的增多，探頭的拆裝次數(shù)也因此增加，這必將縮短探頭的壽命。

2011-07-22)