汽轮机高中压内缸内外壁温差大原因及处理

摘要：汽轮机在投产运行后即出现高中压内缸内外壁温差超标、高中压内缸产生内张口的现象，给机组的安全运行带来一定隐患。文章分析了引起缸壁温差大的原因，制定了处理方案，并在机组检修期内实施。

关键词：汽轮机；内缸温差大；夹层蒸汽

中图分类号：TK269 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）02-0059-03

1 问题的提出

1.1 高中压内缸内外壁温差大现象

某厂4台600MW超临界燃煤汽轮发电机组，汽轮机型号为N600-24.2/566/566，超临界、一次中间再热、冲动式、单轴、双背压、三缸四排汽、凝汽式。高中压采用合缸技术、双层缸结构，内缸材料为ZG15Cr1Mo1V。根据汽轮机对缸温的要求：汽轮机启停和运行时，应严格控制汽缸内外壁、法兰内外壁等温差在规定范围内，从而避免不应有的应力产生，一般要求：（1）高、中压内、外缸的法兰内外壁温差不大于80℃；（2）高、中压内外缸温差不大于50℃～80℃。

而实际运行中，该厂4台机组的高中压内缸内外壁温差均超过80℃，并随着负荷的升高而增大，在满负荷时温差在100℃左右，最大达到107℃。机组运行中，除启停机利用降低速度控制温差外，正常运行并没有有效手段来控制内外缸的温差。

1.2 内外缸温差大的危害

汽缸内外壁温差过大引起热应力过大。汽轮机汽缸法兰厚度是缸壁的3～4倍，故法兰比汽缸内外壁产生更大的温差，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），法兰接合面呈外张口；中间部分呈一竖椭圆形（垂直轴大于水平轴），法兰呈内张口。当内外壁温差超过材料发生塑性变形对应的温差时，缸体恢复到冷态时在汽缸结合面出现内张口。

事实上，该厂4台机组于2007年4月到2009年12月相继进行第一次检查性大修时，高中压内缸都出现内张口现象，最大位置在中间轴封体处，自由状态下超过了3mm，最大达3.4mm，全冷紧后也达2mm左右。在内缸变形处未发现蒸汽冲刷痕迹，说明在机组运行过程中内缸上下法兰面是严密闭合的。4台机组根据不同情况，热紧后不能消除间隙的返厂车削中分面处理。

2 原因分析

该汽轮机为高中压合缸，双层缸结构，高中压内外缸之间为一夹层，在夹层中部设计有定位环，定位环嵌在内缸环形凹槽中，作为内外缸的轴向定位，即为内缸的轴向膨胀死点，将高中压内外缸夹层分隔成两个空间。高压缸夹层腔室与高压排汽相通，中压缸夹层与三抽连通，定位环的高压侧有精密的密封面，理论上高中压夹层两个腔室完全隔离，但从运行中看，高中压夹层两个腔室并未隔离，而是有明显的蒸汽在串流。

图1 高排压力与内外壁温度间关系

从图1的曲线可以看出，高压内缸内壁金属温度基本不随高压排汽压力的变化（机组负荷上升，高排压力上升；反之，机组负荷下降，高排压力下降）而变化，而高压内缸外壁金属温度和高压缸排汽压力存在明显的相关性，当排汽压力下降时，内缸外壁温度随之升高，而当高压缸排汽压力提高时，内缸外壁金属温度明显下降，这说明有高压缸的排汽通过高中压缸内外缸夹层向中压缸的三抽流动，该泄漏的流量（冷却介质）与高压缸排汽压力有明显关系，高排压力大，泄漏蒸汽量就较大，反之则小。

冷却介质的存在使得机组在运行时，一方面随着机组负荷的提高（内缸内壁温度变化不大），高压缸排汽压力不断提高，以至于通过高中压夹层的冷却蒸汽量增加，高压内缸外壁冷却效果加强，使内缸外壁温度下降，温差不断上升，在最高负荷时达到最大值，此时高压内缸内外壁温差达到100℃，法兰处的内外壁金属温度则更高。另一方面运行中三抽温度一直达不到设计值，设计值471.5℃，实际只有450℃左右。这说明原本设计密封用的高中压内缸定位环在高中压缸夹层之间并没有形成真正有效的密封，从而使高压缸排汽从高压缸夹层向中压缸夹层串流，与三抽相混合，降低了三抽的实际温度。

由此，高中压内缸金属内外壁温差过大的主要原因是高中压缸夹层之间有蒸汽串流，因此减少高中压内外缸间的蒸汽串流应能有效降低温差，从而减小热应力。

3 改进措施

2013年2月份，该厂在#2机第二轮大修期间，为解决高中压缸夹层之间的冷却蒸汽串流，采取了一系列

措施。

3.1 减少高中压内外缸夹层隔热板间隙

高中压内缸两端隔热板原间隙为5mm（图2），若将阻汽片设计成与外缸内壁完全接触，则能彻底阻断高压缸排汽向夹层流动。但是考虑机组运行热膨胀的影响，圆环状间隙则会发生变化，因此选择环形不锈钢片镶嵌在隔热板上，并预留2mm间隙作为膨胀空间。

图2 原设计隔热板与高中压外缸内壁间的间隙

3.2 减少高中压内外缸定位槽处的泄漏

定位槽作为内外缸的轴向定位，不仅将夹层分隔成高压缸夹层和中压缸夹层两个空间，并在定位槽与定位环相接触的一面通过精加工紧密贴合，此外还设有汽封齿（图3）以共同起到阻断高压缸夹层汽漏到中压侧的密封作用。但在汽缸开缸后检查发现在密封面处和汽封齿搭接处上均有蒸汽冲刷的痕迹。这说明在机组热态的运行过程中，由于热膨胀及轴向推力的变化影响或汽缸局部变形的影响，冷态时接触紧密的精加工面并不能保持完全接触。

图3 定位槽及密封盘根图

为此，这次检修中在高中压内外缸肩胛处增设了密封盘根，以阻止蒸汽泄漏，如图3所示；同时对高中压内外缸定位凸肩一侧（发电机侧）的3个Φ6mm的注油孔进行封堵，保留另一侧为检修时注油使用，尽可能减少泄漏通道。

3.3 改造后的效果

该厂#2汽轮机高中压缸经返厂中分面车削、夹层隔热板增加汽封、中间定位槽加盘根消除漏汽通道后于2013年4月投入运行，观察其内外缸壁温差，取得了一定的效果。

从表1可以看出，该厂#2机组高压内缸内外壁温差下降了26℃左右，中压内缸下降了38℃左右，三抽温度也达到了设计值，说明改造对温差下降起到了比较大的作用。

4 结语

该厂#2汽轮机内缸的局部改造，采取高中压内缸隔热板加装阻汽片以及在高中压内外缸定位槽处加盘根等措施，实施后对高、中压内缸内外壁温差有了明显的改善，为同类型机组在研究相同问题上起到一定的借鉴

作用。

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作者简介：朱新平（1969—），男，浙江仙居人，浙江浙能兰溪发电有限责任公司工程师，研究方向：电厂汽机专业的设备管理。

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