汽轮机上下缸温差大问题分析及处理

朱 涛

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院, 安徽 合肥 230011)

0 引言

当汽轮机启动与停机时，汽缸的上半部温度与下半部温度不同，温差会产生热应力，造成汽轮机汽缸的变形。变形较小时影响汽缸结合面密封性，导致漏汽；变形严重时则会导致汽轮机动、静部分间隙变小，产生动静碰磨，缸体变形还会影响轴承中心位置，引起机组剧烈振动。由于上下缸温差大会对汽轮机产生严重危害，一般规定启动前上下缸温差需要小于50 ℃，否则禁止启动[1]。机组运行过程中上下缸温差大于50 ℃应立即打闸停机。当启动过程中因为上下缸温差大打闸停机，特别是热态或极热态启动过程中，通常需要缸温下降至冷态水平，上下缸温差才会小于50 ℃，因此延误时间较长，对电厂产生较大的经济损失。

某400 MW燃气-蒸汽联合循环机组由一台AE94.3A型燃气轮机；一台三压、再热、卧式无补燃自然循环汽包炉，额定蒸发量为388.2 t/h；一台反动式、轴向排汽、抽汽凝汽式蒸汽轮机组成。2号汽轮机首次带负荷过程中，汽轮机中压缸上下缸温差随着负荷的上升，温差逐步增大，由10 ℃升至45 ℃，严重威胁机组的安全运行。

1 汽缸温差对缸体扰度的影响

根据热弹性广义胡克定律得到汽缸热应力的估算式：

(1)

式中，r为泊桑系数，一般取0.25～0.30；α1为材料的线膨胀系数，单位1/℃；E为材料的弹性模量，单位MPa；θav为部件的平均温度，单位℃；θ为部件的任一温度[2]，单位℃。

通过汽缸体挠度计算，汽缸的热应力越大，汽缸的扰度就越大。从式(1)可以看出,汽缸的热应力和汽缸上下缸温差成正比,因此控制汽缸温差就可以控制汽缸扰度。

2 汽轮机结构介绍

汽轮机中压外缸采用优质碳素铸钢件(ZG230- 450)，缸体自水平中分面分为上下两部分，缸体与低压排汽缸为垂直法兰面螺栓连接，中压与低压为顺流布置。来自锅炉的再热主蒸汽及低压补汽分别进入汽缸两侧的再热主调门阀组及低压补汽阀组，再进入汽轮机中低压通流。该机组为中低压合缸，因此中压缸无排汽口，中压排汽与低压补汽在缸内混合后进入低压通流，最后轴向排入凝汽器，如图1所示。

图1 中压缸剖面图

中压外缸为左右对称设计，左右两侧均有再热进汽接口及低压补汽接口，可满足不同电厂的镜像布置要求。如图2所示，再热汽门装于汽缸的左侧，右侧则安装中压进汽法兰盖，在法兰盖上设有疏水接口及温度测点。低压补汽阀组安装于汽缸的右侧，左侧则安装轴封蒸汽进汽法兰，该蒸汽来自高压缸的内侧汽封漏汽。

图2 中压外缸结构图

3 温差大原因分析及采取措施

3.1 温差测点准确性的影响

中压外缸金属温度共三组六支测点，温度测点位于外缸，测量的是外缸内壁的温度，分别为中压外缸上半前金属温度、中压外缸下半前金属温度、中压外缸上半中部金属温度、中压外缸下半中部金属温度、中压外缸上半尾部金属温度、中压外缸下半尾部金属温度。若现场温度测点安装位置与DCS画面位置不符则会影响相应位置温差计算的准确性，通过查看图纸确定现场安装位置与远传画面位置相符。

若温度测点插入深度不够，则测量出的温度会低于实际温度，现场对中压外缸温度测点插入深度进行检查，检查结果满足安装要求。同时对热电偶测温元件进行重新校验，均未发现问题，复装后中压缸上下缸温差未发生明显变化。

3.2 保温对缸温的影响

根据导热基本定律：

(2)

式中，φ为单位时间内传导的热量，单位W；k为材料的热导率(导热系数)，单位W/(m·K)；A为散热面积，单位m2；δ为保温材料厚度，单位m；tw1、tw2分别为保温材料内外温度，单位℃。

通过公式(2)可以得出汽轮机散热量与保温层厚度成反比，与保温材料导热系数(同时考虑保温层密实、完好程度)成正比，即在一定厚度内保温层越厚,保温材料导热系数越低，保温层完好、密实，则散热慢。单位时间内汽缸内部散热量少,内壁温度水平高[3]。

由于冲转前保温施工工期较短，现场检查发现中压缸下保温较薄，且部分区域保温与缸体之间存在空隙，现场对保温进行处理后重新带负荷，汽轮机负荷由60 MW升至80 MW，中压外缸上下缸温差最大升至45 ℃，降负荷后温差能稳定在10 ℃左右，因此排除保温对上下缸温差的影响。

3.3 本体疏水对缸温的影响

本体疏水阀后无温度测点，无法判断疏水是否通畅，就地将疏水管路保温拆除，测量疏水阀前后温度均大于200 ℃，证明疏水通畅，排除疏水不畅对上下缸温差的影响。

3.4 负荷对缸温的影响

调取历史趋势发现，限压模式下汽机由74 MW升至80 MW再降至70 MW过程中，高压主蒸汽调阀(简称高调阀)开度基本不变为19%，中压主蒸汽调阀(简称中调阀)由38%开至50%再关至31%，低压补汽阀由38%开至42%再关至28%，下缸温度变化较为明显，由287 ℃降至274 ℃再升至280 ℃。历史趋势见图3。

图3 汽轮机升降负荷过程中中压外缸温度变化趋势

结合图1及图2可以看出，中压缸为双层缸结构，夹层中蒸汽主要由中压缸端部汽封漏汽、低压补汽及高压缸汽封漏汽构成[4]，低压补汽阀开启过程中，夹层蒸汽330 ℃，低压补汽温度225 ℃，中压外缸夹层与低压补汽口及汽封漏汽为一连通腔室，且低压补汽与汽封漏汽入口在中分面以下部位，对下缸温度影响较为明显，由此基本判定中压缸上下缸温差大主要是因为升负荷过程中低压补汽阀开度增加，低压补汽阀开大后低温蒸汽在中压外缸下缸处聚集，引起中压外缸下缸温下降，最终导致中压外缸上下缸温差变大。

4 采取的措施

4.1 运行过程中采取的措施

在DEH组态中将低压补汽阀阀限设定在10%开度，汽轮机升负荷，高调阀和中调阀开至100%，机组带至满负荷，汽轮机中压缸上下缸温差保持在20 ℃左右，问题基本得以解决。

4.2 停机后采取的措施

对中压缸进汽结构进行分析后得出，造成中压缸上下缸温差大的主要原因为低温的低压补汽在中压缸下缸聚集，通过在原有低压补汽阀后进入汽缸处增加一段插管，该插管布置在中压外缸和内缸的夹层中，此时温度较低的低压补汽与温度较高的高压平衡活塞漏汽在中压下半缸的流向相斥，以改变低压主汽进入汽缸的流场，减少了低压补汽在中压下半缸的聚集，从而改变汽缸温度场，起到优化局部流场的作用。

通过流场计算理论分析表明，增设补汽插管后，与无插管时相比，下半缸温度有所升高，上半缸温度有所下降，上下部分温差较大的问题得到了很好的改善。

改造后机组再次启动带负荷过程中汽轮机中压缸上下缸温差得到一定改善，在高负荷时，补汽阀均能正常开启，中压缸上缸温度无明显变化，下缸温度由改造前最低253 ℃升至284 ℃，温差控制在45 ℃以内，问题基本得到解决。

5 结论

通过对中压缸结构、温度测点的准确性、保温材料的敷设、疏水管路及运行过程中数据的分析，找出造成上下缸温差大的原因为低温的低压补汽在中压缸下缸聚集，通过在运行中对低压补汽进行限制及停机后对低压补汽阀进行改造，在重新启动过程中低压补汽阀在机组带负荷过程中可以正常打开，且中压缸上下缸温差可以控制在45 ℃以内，确保了机组安全稳定运行，对同类型机组类似问题的处理具有一定的借鉴意义。