東汽X300P型汽輪機(jī)軸向間隙計(jì)算及脹差大原因分析

劉冠軍

(大唐華中電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450000)

0 引言

某廠#2機(jī)原為C300/235-16.7/0.343/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，廠家編號(hào)D300P-000025ASM。該機(jī)原設(shè)計(jì)熱耗率為7 892 kJ/(kW·h)，2013年A級(jí)檢修后的修正后熱耗率為8 141.89 kJ/(kW·h)，比設(shè)計(jì)值偏高249.89 kJ/(kW·h)。為解決運(yùn)行熱耗率高的問題，2015年9—11月利用檢修機(jī)會(huì)，進(jìn)行了汽輪機(jī)通流部分改造。同時(shí)，配套進(jìn)行了鍋爐受熱面的相關(guān)改造，將主、再熱蒸汽溫度由537 ℃提升至565 ℃。改造后型號(hào)為C320/271-16.67/0.343/565/565，廠家編號(hào)X300P-B00026AZM。

在升級(jí)改造后的運(yùn)行中，高中壓缸脹差在4.4～5.01 mm之間變化，與改造前相比偏大1.7～2.3 mm，并隨負(fù)荷的變動(dòng)而有較大變化，升降負(fù)荷速度受到一定的限制。

下面根據(jù)改造后汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝間隙及實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對(duì)高中壓缸通流部分各級(jí)正脹差方向的運(yùn)行間隙進(jìn)行計(jì)算，分析安全裕量小的部位及高中壓缸脹差大的原因，對(duì)改造時(shí)的注意事項(xiàng)提出建議。

1 改造后汽輪機(jī)高中壓缸通流部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

改造后的汽輪機(jī)高中壓缸通流部分仍采用合缸結(jié)構(gòu)，高壓缸通流部分采用整體內(nèi)缸，中壓缸通流部分設(shè)置2個(gè)隔板套，高中壓轉(zhuǎn)子為實(shí)心整鍛轉(zhuǎn)子，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

1.1 高中壓轉(zhuǎn)子

高中壓轉(zhuǎn)子為實(shí)心整鍛轉(zhuǎn)子，材料為30Cr1Mo1V[1]。

高壓部分包括調(diào)節(jié)級(jí)及11級(jí)壓力級(jí)，共12級(jí)葉輪(原轉(zhuǎn)子共9級(jí))，中壓部分共8級(jí)葉輪(原轉(zhuǎn)子共7級(jí))，推力盤位于#2軸承。

1.2 高中壓外缸

高中壓外缸材料為ZG15Cr1Mo1V[1]，高中壓外缸死點(diǎn)位于#2軸承座。外缸中部設(shè)有4個(gè)高壓進(jìn)汽口和4個(gè)中壓進(jìn)汽口，中壓進(jìn)汽部分設(shè)置隔熱罩。高壓外缸下半第5/8級(jí)后各有1個(gè)抽汽口，與高壓內(nèi)缸第5/8級(jí)后環(huán)形集汽腔室相通，分別向#0高壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱高加)及#1高加供汽。中壓外缸下半第3/5級(jí)后各有1個(gè)抽汽口，分別向#3高加、除氧器及給水泵小汽輪機(jī)供汽。

高中壓外缸中分面法蘭等高設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有螺栓自流冷卻/加熱系統(tǒng)，由內(nèi)缸定位環(huán)前引入蒸汽至螺栓孔，冷卻高溫區(qū)中分面螺栓，再由#1，#2隔板套之間的抽汽口排出。

1.3 高壓內(nèi)缸

高壓內(nèi)缸材料為ZG15Cr1Mo1[1]，內(nèi)缸外壁第2級(jí)隔板前位置設(shè)有定位環(huán)，與外缸相應(yīng)位置的凸緣配合，構(gòu)成內(nèi)缸軸向相對(duì)膨脹死點(diǎn)。內(nèi)缸外壁第6級(jí)處設(shè)置隔熱環(huán)，第5/8級(jí)后分別設(shè)置1個(gè)抽汽口，抽汽口內(nèi)外缸之間采用密封環(huán)結(jié)構(gòu)。

1.4 汽封

高中壓缸共有2組軸端汽封和1組過橋汽封，高壓缸后軸封采用9圈DAS汽封，中壓缸后軸封采用7圈DAS汽封。內(nèi)缸進(jìn)汽端裝有過橋汽封體，裝有5列汽封圈，其中第1列汽封圈加有防旋汽封；高壓隔板汽封、中壓隔板汽封及高中壓葉頂汽封采用DAS汽封。

2 高中壓缸通流間隙計(jì)算

2.1 高中壓缸通流間隙計(jì)算方法

高中壓轉(zhuǎn)子以推力瓦為基準(zhǔn)向機(jī)頭方向膨脹，轉(zhuǎn)子各級(jí)葉輪的移動(dòng)量為該部位與推力盤間各區(qū)段膨脹量之和。高中壓外缸以#2軸承箱處死點(diǎn)為基準(zhǔn)向機(jī)頭方向膨脹，并帶動(dòng)安裝在其中的高壓內(nèi)缸、隔板套、汽封套等部件向機(jī)頭方向移動(dòng)。各級(jí)隔板及汽封圈的移動(dòng)量是高壓外缸與高壓內(nèi)缸或中壓#1，#2隔板套的膨脹量之和。

高中壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)為30Cr1Mo1V，高中壓缸材質(zhì)為15Cr1Mo1V[1]，查《火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)》[2]得到這2種材料的線性膨脹系數(shù)，其與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

將#2軸承座死點(diǎn)處的坐標(biāo)定為0，位于死點(diǎn)機(jī)頭側(cè)方向的坐標(biāo)為正，位于死點(diǎn)機(jī)尾側(cè)方向的坐標(biāo)為負(fù)。運(yùn)行狀態(tài)下，高中壓缸通流部分各動(dòng)靜間隙的計(jì)算方法如下。

表1 15Cr1Mo1V及30Cr1Mo1V材料的線膨脹系數(shù)Tab.1 Linear expansion coefficients of 15Cr1Mo1V and 30Cr1Mo1V

2.1.1 運(yùn)行狀態(tài)高中壓轉(zhuǎn)子各級(jí)坐標(biāo)

推力盤

中壓8級(jí)

中壓7～1級(jí)

高壓1～12級(jí)、高壓缸后軸封1～9列

2.1.2 運(yùn)行狀態(tài)高中壓隔板、高壓缸后軸封坐標(biāo)

#2隔板套定位環(huán)至死點(diǎn)距離

中壓8～6級(jí)隔板

中壓4，5級(jí)隔板

#1隔板套定位環(huán)至死點(diǎn)距離

中壓3，2級(jí)隔板

中壓1級(jí)隔板

內(nèi)缸定位環(huán)至死點(diǎn)距離

高壓1，2級(jí)隔板

高壓3～12級(jí)隔板

#1汽封套定位環(huán)至死點(diǎn)距離

1列汽封圈

2，3列汽封圈

4～6列汽封圈

#2汽封套固定端至死點(diǎn)距離

第7列汽封圈

第8，9列汽封圈

2.1.3 正脹差方向各級(jí)軸向間隙

2.2 高中壓正脹差方向軸向間隙算例

轉(zhuǎn)動(dòng)部件機(jī)頭側(cè)間隙為正脹差方向間隙，機(jī)尾側(cè)間隙為負(fù)脹差方向間隙。當(dāng)高中壓缸脹差為正時(shí)，則轉(zhuǎn)動(dòng)部件機(jī)頭側(cè)間隙減小、機(jī)尾側(cè)間隙增大；如高中壓缸脹差為負(fù)，則相反。

高中壓缸通流部分同級(jí)及相鄰兩級(jí)間存在多個(gè)軸向間隙，高壓部分正脹差方向間隙有I，G，G1點(diǎn)，負(fù)脹差方向間隙有H，A，B，C，E，F(xiàn)點(diǎn)；中壓部分正脹差方向間隙有A，B，C，H點(diǎn)，負(fù)脹差方向間隙有I，G1，G2點(diǎn)[1]。為確定最易碰磨的部位，從汽輪機(jī)高壓缸通流部分實(shí)際安裝數(shù)據(jù)中，選取正脹差方向軸向間隙最小的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

以電負(fù)荷189.9 MW、供熱流量325.2 t/h工況的實(shí)測(cè)各監(jiān)視段參數(shù)、缸溫等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)高中壓缸通流部分各部位正脹差方向安裝間隙最小點(diǎn)的運(yùn)行間隙進(jìn)行計(jì)算。該工況實(shí)測(cè)高中壓缸脹差為4.8 mm，高中壓缸通流部分各部位正脹差方向安裝間隙最小點(diǎn)的運(yùn)行間隙計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 高中壓缸通流部分各部位正脹差方向安裝間隙最小點(diǎn)的運(yùn)行間隙計(jì)算結(jié)果[3]Tab.2 Calculation results of the running clearance at the minimum installation clearance point in positive expansion difference of various sections of HP/IP cylinders flow passage[3] mm

續(xù)表 mm

從高中壓缸通流部分各部位正脹差方向運(yùn)行間隙的計(jì)算結(jié)果可以看出：安全裕量較小的部位有高壓1級(jí)轉(zhuǎn)子與隔板汽封G1點(diǎn)、高壓2級(jí)轉(zhuǎn)子與隔板汽封G1點(diǎn)、高壓5級(jí)葉輪與高壓6級(jí)隔板G點(diǎn)、高壓缸后軸封1～9列轉(zhuǎn)子城墻齒與汽封高齒G1點(diǎn)等處，當(dāng)高中壓缸脹差為4.85 mm時(shí)，正脹差方向最小運(yùn)行間隙在高壓5級(jí)葉輪與高壓6級(jí)隔板G點(diǎn)處，為2.64 mm。

3 脹差大原因分析

3.1 改造后進(jìn)汽參數(shù)升高，轉(zhuǎn)子膨脹量增加

汽輪機(jī)通流部分改造時(shí)，配套進(jìn)行了鍋爐受熱面的相關(guān)改造，將主、再熱蒸汽溫度由537 ℃提升至565 ℃。由于進(jìn)汽溫度提高，高中壓缸通流部分各級(jí)的溫度也隨之升高(改造前后額定工況各監(jiān)視段溫度的對(duì)比見表3)，各級(jí)溫度升高使轉(zhuǎn)子的膨脹量較改造前增大。

3.2 改造后外缸溫度降低

通流部分改造后，改進(jìn)高壓進(jìn)汽插管結(jié)構(gòu)、改進(jìn)○段及一段抽汽密封結(jié)構(gòu)、中壓進(jìn)汽部分安裝隔熱罩。以上改進(jìn)措施有效減少了缸內(nèi)高溫蒸汽的泄漏，提高了通流效率。由于高溫蒸汽泄漏量減少，外缸溫度降低、內(nèi)外缸溫差增大、外缸與轉(zhuǎn)子溫差增大，進(jìn)而引起脹差增大。

表3 改造前后高中壓缸通流部分各監(jiān)視段溫度對(duì)比Tab.3 Temperature comparison between each monitoring section of HP/IP cylinders flow passage before and after transformation ℃

3.3 外缸螺栓自流冷卻/加熱系統(tǒng)，降低了高中壓外缸中分面法蘭溫度

高中壓外缸中分面法蘭采用等高設(shè)計(jì)，并設(shè)置螺栓自流冷卻/加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)從高壓內(nèi)缸定位環(huán)之前的區(qū)域引入蒸汽至螺栓孔，運(yùn)行時(shí)冷卻高溫區(qū)中分面螺栓，再由#1，#2隔板套之間的抽汽口排出。由于溫度相對(duì)較低的高壓缸排汽蒸汽冷卻了高中壓外缸中部溫度最高部位中分面法蘭，使改造后中分面法蘭溫度降低較多，是影響高中壓外缸膨脹量的一個(gè)重要因素。與未改造的#1汽輪機(jī)相同工況高中壓外缸法蘭溫度相比，偏低26.6～76.2 ℃；#1，#2汽輪機(jī)汽缸金屬溫度對(duì)比見表4。

表4 #1，#2汽輪機(jī)汽缸金屬溫度對(duì)比Tab.4 Cylinder metal temperature comparison between No.1 and No.2 turbine ℃

4 結(jié)論及建議

(1)由高中壓缸通流部分軸向間隙運(yùn)行值的計(jì)算結(jié)果可知：高壓第1/2級(jí)G1點(diǎn)、高壓第5級(jí)葉輪與高壓第6級(jí)隔板G點(diǎn)、高壓后軸封1～9列G1點(diǎn)等處的安全裕量較小。

(2)通過采取改進(jìn)高壓進(jìn)汽插管密封結(jié)構(gòu)、中壓進(jìn)汽部分安裝隔熱罩、設(shè)置外缸螺栓自流冷卻/加熱系統(tǒng)等技術(shù)措施，減小了高溫蒸汽泄漏，提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但也降低了高中壓外缸的金屬溫度，使外缸膨脹量減??；同時(shí)，進(jìn)汽參數(shù)提高，使轉(zhuǎn)子膨脹量增加，造成改造后高中壓缸正脹差增加很多。

(3)改造時(shí)采用了多級(jí)數(shù)小焓降技術(shù)，高壓缸通流部分共增加了4級(jí)，并增加了○段抽汽室；在汽輪機(jī)基礎(chǔ)不能變動(dòng)的情況下，勢(shì)必會(huì)造成汽輪機(jī)動(dòng)靜部件的安裝間隙較改造前有所減小。間隙減小與脹差增大兩個(gè)因素疊加，使汽輪機(jī)適應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)的能力變差。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，兼顧經(jīng)濟(jì)性與負(fù)荷適應(yīng)能力，通流間隙應(yīng)留有更大的安全裕量。

(4)從改造后#2機(jī)組幾次停機(jī)的情況看：轉(zhuǎn)速到零后高中壓缸正脹差增加了1.20～1.80 mm；停機(jī)時(shí)進(jìn)汽參數(shù)越高，正脹差增加值越大，即泊松效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量越大。制造廠在確定脹差跳機(jī)值時(shí)(設(shè)計(jì)為+7.00 mm)，考慮的泊松效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量偏小(高壓后軸封第9列處為0.761 mm)。如按照實(shí)際的轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量，當(dāng)高中壓缸正脹差達(dá)到7.00 mm跳機(jī)時(shí)，高壓缸后軸封1～9列G1點(diǎn)、高壓第5級(jí)葉輪與高壓第6級(jí)隔板G點(diǎn)等處出現(xiàn)碰磨的可能性很大。因此，應(yīng)對(duì)高中壓缸正脹差報(bào)警值和跳機(jī)值進(jìn)行完善，予以適當(dāng)降低。