汽轮机高压内缸变形问题的探讨

1、汽轮机高压内缸变形问题的探讨 摘 要：通过汽缸变形的机理以及实际的运行方式、运行记录数据等资料，对杨树浦发电厂125 MW机组在投运1年后发现2号机内缸变形进行了深入的探讨，得出内缸变形的原因是汽轮机在启动和增负荷阶段，因温度变化率超过设计值，引起内缸热应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形。该结论为今后机组安全运行提供了技术依据。 关键词：高压内缸 塑性变形 热变形 快冷系统 1999年910月，杨树浦发电厂改建工程2号机组在计划大修期间，发现高压内缸法兰接合面部分呈内张口变形，同时高压内缸与中压内缸之间的汽封部分磨损。在大修停机时，为缩短汽缸冷却至开缸温度时间，按汽轮机制造厂快速冷却的要求，

2、在实施滑参数停机后，进行汽轮机强迫冷却试验工作。由于运行过程完全由控制系统自动进行，停机过程采用滑参数方式，加上投快速冷却系统，使内缸的变形原因分析复杂化。因此，电厂从汽缸变形的机理，辅以启停过程中的原始数据以及再次投运后启动和带负荷运行试验，客观、全面地对汽缸变形的可能原因逐一进行分析，从而得出2号机内缸变形是由于汽轮机启动和增负荷过程中实际温度变化率超过制造厂自动控制设定值，造成内缸内外壁温差过大而发生塑性变形的结论。1 汽缸塑性变形的原因分析1.1 汽缸变形的可能原因 （1）常见原因是汽轮机在变动工况，例如启动和停机过程中温度变化率过大，使汽缸内外壁和法兰内外壁温差过大，不仅产生热翘曲，

3、而且产生较大的热应力。当热应力超过材料的屈服极限时，则产生塑性变形，在温差消失后，法兰接合面会出现张口，并可能造成漏汽，这种变形有一定规律，可按变形现象形成的机理来进行分析。 （2）汽缸也会因制造缺陷在运行一段时间后产生变形。主要原因是铸造后的大件，因厚度不同，浇口位置等影响，在凝结冷却过程中因冷却速度不同，留有残余应力，若未很好消除，则在运行中随着温度的变化，内应力会消失，造成汽缸发生变形。1.2 2号机高压内缸变形原因 （1）汽缸壁内外温差引起的热变形2号汽轮机高压段为双层缸，在内外缸之间夹层中流过的是高压段的排汽返流至中压段，内缸外壁没有隔热屏屏蔽，内缸外壁受到低温汽冷却，故内缸内外壁间

4、的温差较大。当汽缸壁厚在内壁温度高于外壁温度时，内壁热膨胀量较外壁大，内壁热膨胀受外壁的约束，使内壁受压应力，而外壁受拉应力。当汽轮机启动及加负荷过快，内壁温升率很大时，则会引起内外壁温差很大，内壁所受压应力也很大，若超过材料的屈服限，则将产生塑性变形。在汽缸内外壁温差趋于零后，例如停机完全冷却后，这种内壁因受压而产生的永久变形已使内壁圆周变短，外壁基本不变，故汽缸法兰接合面处主要呈现内张口变形。汽轮机的降温过程过快，同样会造成汽缸外张口变形。 （2）汽缸法兰内外壁温差引起的热变形2号汽轮机汽缸法兰厚度是缸壁的34倍，故法兰温度低，因此法兰沿轴向法兰内外壁均存在较大温差，在水平面内产生热变形。

5、当法兰内壁温度高于外壁温度时，内侧热膨胀量大，外侧热膨胀量小，则沿汽缸轴向方向各横截面产生弯曲变形，两端向外弯曲，中间向内弯曲，因汽缸垂直方向刚度小，在这种变形力的作用下，汽缸两端的水平部分被拉大，呈一横椭圆形（水平轴大于垂直轴），使通流部分上下间隙变小，水平间隙变大，法兰接合面呈外张口；中间部分成为一竖椭圆形（垂直轴大于水平轴），法兰呈内张口。2 汽缸变形测量和启动数据的分析2.1 内缸变形量测量结果1999年9月1719日，对变形内缸进行了不紧螺栓、紧1/3螺栓、紧全部螺栓和热紧全部螺栓后汽缸中分面间隙测量，不紧螺栓的测量结果见图1。测量结果为汽缸已发生内张口变形，变形最大部分在高压汽封端

6、，未紧螺栓时测量上下缸椭圆度上下方向6.3mm，三弯方向3.95mm；热紧螺栓后，内缸中分面最大张口为0.05mm可塞进4050mm，在高压汽封端处椭圆度测量为4.77mm，三弯方向4.71mm。从测量的数据可知，从高压汽封向两端以轴向方向内张口变形量逐渐变小，这与汽缸在启动和加负荷时引起变形的机理相符。热紧全部螺栓后可消除内张口，这虽然可以保证正常工况时高压内缸中分面无间隙运行，不会吹坏汽缸平面，但由于已发生内张口变形，原制造厂要求的螺栓热紧力为克服内张口塑性变形量，使原有水平接合面的紧力余度相应减少，如果通过增加螺栓紧力来达到原紧力要求，则螺栓的使用寿命将减少。2.2 启动数据的分析2号机

7、大修后再次启动时，对机组的主蒸汽温度、高压内缸壁温度等重要参数进行了记录，汽轮机启动和带负荷过程完全按制造厂预置的程序实现自动启动。制造厂的设计思想是通过内缸壁2点100深度的温度测点来换算出汽轮机转子应力，而整个启动、停机和增减负荷过程的应力控制是以转子的计算应力进行设置，所以如果实际转子应力满足要求范围，则可推断高压内缸应力也应在受控状态，反之，汽轮机应力控制器将自动停止启动和减负荷，通过延长时间至应力满足要求，再允许进一步启动或增负荷。因此在投入应力控制器后不会发生的内缸变形。在对实际启动和带负荷数据记录分析后，发现虽然按制造厂设置的自动程序对机组进行整个工况的应力控制，但代表转子和内缸

8、应力的内缸壁温度变化率远大于制造厂提供的转子温度变化率曲线。冲转时内缸壁2点100温度分别为217.58和211.67，按曲线要求温度变化率应小于等于2.4/min，但实际记录发现，启动过程中有多个区域存在连续温度变化率超过允许值，在升负荷阶段，内缸1002点温度分别为299.88、298.88，查曲线允许温度变化率应小于等于2.4min，但实际记录也发现了连续温度变化率超过允许值。这说明设计的应力控制器对转子和内缸的应力控制并不能完全精确反映实际运行情况，控制设定值和实际运行值存在差异。所以对运行在内外壁有较高温差的高压内缸而言，仅通过控制转子计算应力来推断汽缸是否会发生变形的设计思路难圆其

9、说。 2.3 快冷系统的投运过程1999年9月17日2100，2号机开始滑参数停机；9月18日200打闸停机，高压内缸壁温度已降至299，950分投快冷通热压缩空气，1150结束通气冷却，内缸壁温度55，共耗时50h。快冷系统的工质流程为杂用气泵站快冷装置自动主汽门疏水管自动主汽门高压调门高压内缸通流部分高压内外缸夹层中压段二抽安全门出口。冷却方式采用顺流冷却。 快冷系统投运的控制指标： 差胀：大于3mm（设计允许值5mm9mm）；轴向位移：0.3mm0.3mm（设计允许值：0.6mm0.6mm）； 上下缸温差：2525）；转子晃动值：小于等于0.02mm（与原始值比较）； 汽缸降温速率：小于

10、0.2/min。快冷过程和发生的问题：因先冷却高压内缸，后冷却高压外缸（内外夹层），所以差胀向负差胀方向发展。在冷却过程中差胀达2.63mm，曾停止通气超过7h，待差胀下降至2.16 mm后再次通气冷却；在冷却过程中当高压内缸温度降至88，高压外缸进汽段端壁温约130，中压缸排汽端壁温仍有140，说明冷却过程按设计流程达不到各部套均匀降温的要求，从而增加了冷嘲热讽却至停盘车和油系统120的时间。 控制汽轮机各部件的温度是快冷能得以顺利实施的关键，因此温度变化率严格控制在小于等于0.2min是合理的，并且按部件的实际温度来控制温度变化率，使温度低的部件允许有较大的变化率，温度高的部件则采用较小的

11、温度变化率，从而来确保各部件的使用寿命。快速冷却是内缸内壁温度低于外壁温度形成内外壁温差的冷却过程，按汽缸变形的机理分析，如果由于快冷引起的汽缸塑性变形，汽缸中分面应呈外张口变形，这与实际变形情况不符。另外，快冷过程汽缸的降温速率远比制造厂滑参数停机允许的温度变化率低，所以可以排除快冷造成内缸变形的可能。3 结论 （1）汽轮机启动和加负荷过程是对汽轮机内缸进行升温的过程，此时内缸内壁温度比外壁温度高，形成温差。而汽轮机停机和强迫冷却过程是对内缸进行降温过程，在内缸内外壁形成相反温差，两种工况造成内缸变形的机理完全相反。内缸产生内张口塑性变形按机理分析是由启动和增加负荷时升温速率过快引起。 （2）按制造厂预置的程序自动启停，理论上通过控制内缸100深度的测点温度变化率来设置转子应力范围和控制汽缸的应力，但实际记录数据存在连续温度变化率超过允许值，所以，制造厂解释的通过转子应力控制能同时对