CN107956518B - 一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，包括以下步骤：S1将低压转子分为i段；计算低压转子各段的膨胀量；计算第一低压转子绝对膨胀量L；S2测算出第二低压转子绝对膨胀量L1；测算汽轮机基础的收缩膨胀量ΔL1；测算绝对膨胀测量装置的测量值漂移量ΔL2；测算绝对膨胀测量装置的零位偏离量ΔL3；计算第三低压转子绝对膨胀量L'；S3将L'与L比较。本发明步骤简单、易于实施，可快速对低压转子绝对膨胀量进行测量并核算；通过两种方法测得的数值相互验证，能确保测得的低压转子绝对膨胀值正确，避免测量值过高或过低给机组造成的影响，可减少了运行人员对机组的干预，避免了机组降功率和打闸停机风险，提高了设备的可靠性和机组的发电效益。

Description

一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法

技术领域

本发明涉及核电站汽轮机检修技术领域，具体而言，涉及一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法。

背景技术

低压转子绝对膨胀值的变化特点主要有以下三点：1.随海水温度变化而敏感变化；2.夏、冬季工况之间差值超过4.5mm，夏季工况膨胀值减小，冬季工况则相反；3.大修前后膨胀值差别大。现有低压转子绝对膨胀量的测量方法都比较复杂，且无法核算测量值是否准确无误，因此，无法对机组状态进行准确监控，严重情况下可能产生动静碰磨、振动的风险。而测量的低压转子绝对膨胀值虚高超过报警值时，为了保证机组安全运行，运行人员需时刻关注膨胀值变化情况，必要时对机组进行干预，干预手段包括降低低压缸进汽温度，降低机组发电功率，甚至打闸停机。这些干预措施严重影响机组的可靠性和发电效益。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，操作简单、易于实施，能确保测得的低压转子绝对膨胀值正确，大大提高了汽轮机的可靠性和发电效益。

本发明采用的技术方案是：提供一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，包括以下步骤：

S1设定汽轮机组的基准温度，将低压转子分为i段，通过温度探头测量每一段低压转子前端和尾端的温度；

按照下式计算低压转子各段的膨胀量：

其中，l_i为第i段低压转子的长度，t_i为第i段低压转子前端的温度，t'_i为第i段低压转子尾端的温度，α_i为第i段低压转子金属的线性热膨胀系数；t₀为基准温度；

按照下式计算第一低压转子绝对膨胀量：

其中，p为泊松效应对低压转子膨胀量的影响；

S2在低压转子的终端布置绝对膨胀测量装置，并通过绝对膨胀测量装置测算出第二低压转子绝对膨胀量L1；

测算汽轮机基础的收缩膨胀量ΔL1；

测算绝对膨胀测量装置的测量值漂移量ΔL2；

测算绝对膨胀测量装置的零位偏离量ΔL3；

按照下式计算第三低压转子绝对膨胀量：

L′＝L1+ΔL1+ΔL2+ΔL3；

S3将L′与L比较，若数值相差在允许的范围内表明所述第一低压转子绝对膨胀量L和所述第三低压转子绝对膨胀量L'的测算结果正确；反之则表明所述第一低压转子绝对膨胀量L或所述第三低压转子绝对膨胀量L'的测算出现错误。

在本发明所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法中，所述绝对膨胀测量装置包括绝对膨胀探头和前置器，所述绝对膨胀探头包括主探头和次探头，所述主探头用于测量低压转子轴向膨胀量，所述次探头用于补偿由于低压转子径向膨胀及径向振动对所述主探头的影响。

在本发明所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法中，所述步骤S2还包括：

按照下式计算汽轮机基础的收缩膨胀量：

ΔL₁＝α×10^-6m/k×ΔT，

其中，α为基础的线性热膨胀系数；ΔT为基础温度与基准温度相比的变化量。

在本发明所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法中，所述步骤S2还包括：

按照下式计算绝对膨胀测量装置的测量漂移量：

ΔL2＝(ΔU₁/K1-ΔU₂cosa/K2)/sina，

其中，K1为主探头的探头灵敏度；K2为次探头的探头灵敏度；ΔU₁为主探头当前温度相对基准温度时的电压变化量；ΔU₂为次探头当前温度相对基准温度时的电压变化量；a为主探头和次探头之间的斜坡角度。

在本发明所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法中，所述步骤S2还包括：

当低压转子、低压缸、汽轮机基础温度一致时，测量低压转子对轮到绝对膨胀探头支架的距离S1；当零位校验时，复测低压转子对轮到膨胀探头支架的距离S2；

按照下式计算绝对膨胀测量装置的零位偏离量：

ΔL3＝S1-S2。

在本发明所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法中，所述汽轮机组为单轴、三缸、四排汽凝汽式半速汽轮机组。

本发明提供的低压转子绝对膨胀量的核算方法步骤简单、易于实施，可快速对低压转子绝对膨胀量进行测量并核算，通过两种方法测得的数值相互验证，能确保测得的低压转子绝对膨胀值正确，避免测量值过高或过低给机组造成的影响，可减少了运行人员对机组的干预，避免了机组降功率和打闸停机风险，提高了设备的可靠性和机组的发电效益；可减少了GSS2级加热退出时间，避免了蒸汽湿度增加对低压缸末级叶片冲蚀的影响，提高了设备安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中低压转子调阀端的段数和尺寸分布示意图；

图2为本发明实施例中低压转子电机端的段数和尺寸分布示意图；

图3为本发明实施例中绝对膨胀测量装置在汽轮机中的布置结构示意图；

图4为本发明实施例中绝对膨胀探头的布置结构示意图；

图5为本发明实施例中单斜坡式胀差测量原理图；

图6为本发明实施例中TQ402探头前置器温度变化对电压的影响示意图；

图7为本发明实施例中TQ403探头前置器温度变化对电压的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明以阳江核电厂HN1000-6.43型汽轮机为例进行说明，该汽轮机为上海汽轮机厂引进西门子技术生产的单轴、三缸(1HP+2LP)、四排汽凝汽式半速核电汽轮机组。该汽轮发电机的基础是用混凝土浇筑的整体“板块”，该板块通过下部的76组弹性隔振器组件支撑。汽轮机由高压缸和2个低压缸组成。轴系的3根转子由1-6号轴承支撑在4个落地式轴承座内，其中高压转子后端的2号轴承是径向推力联合轴承，是整个轴系的膨胀死点，即高压转子往前膨胀，低压转子往后膨胀。机组轴系总长度达到52m，为了保证汽轮机动静部件不产生碰磨，设计了低压缸转子绝对膨胀监测装置，报警值和跳机值分别为16.1mm和18.1mm。该机型机组投运后，在冬季工况下，汽轮机低压转子绝对膨胀显示值最大为17.6mm，远远大于报警值，接近跳机值。此外，低压转子绝对膨胀值的变化特点主要有以下三点：1.随海水温度变化而敏感变化；2.夏、冬季工况之间差值超过4.5mm，夏季工况膨胀值减小，冬季工况则相反；3.大修前后膨胀值差别大。低压转子绝对膨胀值高，为了保证机组安全运行，运行人员需要对机组进行干预，包括降低低压缸进汽温度，降低机组发电功率，甚至打闸停机。这些干预措施严重影响设备的可靠性和机组的发电效益。

为了解决低压转子绝对膨胀值测量高故障的问题，本发明实施例提供一种低压转子绝对膨胀量的核算方法，包括以下步骤：

S1设定汽轮机组的基准温度，将低压转子分为i段，通过温度探头测量每一段低压转子前端和尾端的温度。

由于低压转子膨胀量测量的是低压转子相对于某一基准温度时的膨胀量，因此，在测量之前需要设定一基准温度值，本实施例中，选取基准温度为20℃。图1为低压转子调阀端的段数和尺寸分布示意图，尺寸单位为mm；图2为压转子电机端的段数和尺寸分布示意图，尺寸单位为mm，如图1和图2所示，本实施例将一根低压转子分成19段，分别为进汽区域，1-3级，3-7级，8级，9级，10级，排气扩散段，轴封段，轴封裸露段和轴承轴颈段。在其他实施例中，低压转子还可以是其他的段数，低压转子分的段数越多，各段膨胀量的实际测算难度会加大，相应的，测量的低压转子整体的膨胀量将更精确；将低压转子分为19段既保证了膨胀量测量的准确度，同时也便于工作人员对分段的低压转子进行测量。本实施例中的汽轮机包括两根低压转子，设定两根低压转子本体尺寸相同，运行工况一致，因此两根低压转子各段的温度一致，即两根低压转子的膨胀量一致。

当低压转子温度恒定时，低压转子各段的膨胀量可由下式确定：

Δl_i＝l_i·(t_i-t₀)·α_i (1)

其中，l_i为第i段低压转子的长度；t_i为第i段低压转子的温度；α_i为第i段低压转子金属的线性热膨胀系数；t₀为低压转子的起始温度，在本实施例中，起始温度取20℃。

实际情况中，因热传导特性存在，低压转子本体上各段温度只可能连续变化，不会局部跳变，因此按照低压转子各段温度呈线性变化进行简化计算。

由于本实施例中的低压转子温度按照线性变化，因此需要通过温度探头测量每一段低压转子前端和尾端的温度，并可通过下式计算低压转子各段的膨胀量：

其中，l_i为第i段低压转子的长度；t_i为第i段低压转子的前端温度，t'_i为第i段低压转子的尾端温度；α_i为第i段低压转子金属的线性热膨胀系数；t₀为基准温度，为20℃。

在实际运行中，由于存在泊松效应，还需要剔除泊松效应对低压转子的影响。泊松效应也称回转效应，即转子高速旋转时，受离心力的作用，使转子发生径向和轴向变形，大轴在离心力的作用下变粗变短，膨胀测量值变小；当转速降低时，离心力的作用减小，大轴的径长又回到原来的状态，变细变长，膨胀测量值变大。

本实施例中的汽轮机低压转子以2号径向推力联合轴承为膨胀死点，因此，低压转子各段膨胀量累加值即为低压转子整体的绝对膨胀量L，可按照下式即可计算第一低压转子绝对膨胀量：

其中，Δl_i采用(2)式计算；p为泊松效应对低压转子膨胀量的影响，在实际运行中，泊松效应对低压转子膨胀量影响为4mm左右，本实施例选取4mm进行计算，即

通过步骤S1测得的第一低压转子绝对膨胀量L为低压转子膨胀量的理论值，存在出现误差的可能，为确保上述方法测得的低压转子绝对膨胀量数值准确无误，本实施例还包括步骤：

S2在低压转子的终端布置绝对膨胀测量装置1，并通过绝对膨胀测量装置1测算出第二低压转子绝对膨胀量L1；

绝对膨胀测量装置1包括绝对膨胀探头和前置器。如图3所示，由于低压转子的起始端为膨胀死点，因此，绝对膨胀测量装置1布置在低压转子的终端处，以测量低压转子相对于轴承座的位移；本实施例中，低压转子的起始端为汽轮机2号轴承箱推力瓦位置，低压转子的终端为汽轮机的4号轴承箱位置。由于轴承座与基础固定在一起，因此该测点所测量的是低压转子相对于轴向死点的绝对膨胀量。

如图4和图5所示，该方法中的低压转子膨胀测量采用单斜坡式胀差测量，选取斜坡角度a为5°。绝对膨胀探头包括主探头4和次探头5，主探头4用来测量转子轴向膨胀量；次探头5用来补偿由于转子径向膨胀、转子径向振动对主探头4的影响。

因为L1＝ΔG/sina；ΔG＝ΔG1-ΔG’；ΔG’＝ΔG2cosa；

所以L1＝(ΔG1-ΔG2cosa)/sina；

即：第二低压转子绝对膨胀量＝(主探头测量值-次探头测量值×cosa)/sina。

由于在汽轮机的实际运行中，绝对膨胀测量装置会受到外界因素的影响从而影响其测量的准确性，因此，还需要根据一些影响到低压转子膨胀量的因素对低压转子绝对膨胀量进行修正。

热胀冷缩即其中的一个重要影响因素。热胀冷缩是物体的一种基本性质，物体在一般状态下，受热以后会膨胀，在受冷状态会收缩。假设物体的线性热膨胀系数为α×10^-6m/k，温升ΔT，则物体的受热膨胀量ΔL＝α×10^-6m/k×ΔT。由于存在热胀冷缩的现象，夏冬季汽轮机厂房温度不同，导致汽轮机基础温度不同，由于低压转子和膨胀探头都安装在基础上，低压转子和基础受温度变化而变化时，低压转子膨胀量也会跟随变化，因此基础收缩膨胀将直接影响低压转子的绝对膨胀量。

本实施例中的低压转子绝对膨胀测量装置包括绝对膨胀探头和前置器，绝对膨胀探头为电涡膨胀流探头。在测量时，前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变。这样，通过前置器电子线路的处理，将头部体线圈与金属导体的距离的变化转化成电压或电流的变化，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化。但由于前置器元件会随温度飘移，因此，温度对前置器的影响同样会导致到测量低压转子绝对膨胀量误差的产生。

此外，经研究和分析发现，低压转子膨胀探头在零位校验时，如果低压转子、低压缸、汽轮机基础的温度不一致，也会导致探头零位偏离转子真实零位，从而导致低压转子绝对膨胀量测量误差。

因此，步骤S2还包括：

测算汽轮机基础的收缩膨胀量ΔL1；

测算绝对膨胀测量装置的测量漂移量ΔL2；

测算绝对膨胀测量装置的零位偏离量ΔL3；

按照下式计算第三低压转子绝对膨胀量：

L′＝L1+ΔL1+ΔL2+ΔL3。

其中，当前温度下汽轮机基础的收缩膨胀量可按照下式测算：

ΔL₁＝α×10^-6m/k×ΔT，

其中，α为基础的线性热膨胀系数；ΔT为基础当前温度与20℃基准温度相比的变化量。

本实施例中的主探头4和次探头5分别为TQ402和TQ403探头，温度对TQ402和TQ403探头精度的影响分别如图6和图7所示。探头电压随环境温度变化而变化，假设主探头4和次探头5的探头灵敏度为K1和K2，主探头4和次探头5当前温度与基准温度时相比的电压变化量分别为ΔU₁和ΔU₂，则可按照下式测算当前温度下绝对膨胀探头的测量值飘移量；

ΔL2＝(ΔU₁/K1-ΔU₂cosa/K2)/sina，

其中，a为采用单斜坡式胀差测量低压转子绝对膨胀量时选取的主探头4和次探头5之间的斜坡角度。

为进行膨胀探头零位修正时，在大修中期，当低压转子、低压缸、汽轮机基础温度一致时，测量2号低压转子对轮到膨胀探头支架距离S1；零位校验时，复测2号低压转子对轮到膨胀探头支架距离S2，则绝对膨胀探头零位偏离转子真实零位量可由下式计算：

ΔL3＝S1-S2。

最后，可按照下式计算第三低压转子绝对膨胀量L'：

L'＝L+ΔL1+ΔL2+ΔL3。

S3计算得出的第三低压转子绝对膨胀量L'数值与第一低压转子绝对膨胀量L在理论上应该相同，通过比较L'与L的数值即可对步骤1测得的第一低压转子绝对膨胀量L进行核算。若L'与L两者相同或相差细微，则表示第一低压转子绝对膨胀量L是准确的；若两者差距较大超出了允许的范围，则表明第一低压转子绝对膨胀量L或第三低压转子绝对膨胀量L'的测算出现错误，需要重新再计算，以此实现对低压转子绝对膨胀值的高规格核算和验证，整体方法步骤严谨细致，能避免测量值过高或过低，确保数值的正确性，减少膨胀量测量误差给机组造成的影响，从而减少了运行人员对机组的干预，避免了机组降功率和打闸停机风险，提高了设备的可靠性和机组的发电效益；可减少了GSS2级加热退出时间，避免了蒸汽湿度增加对低压缸末级叶片冲蚀的影响，提高了设备安全性。

值得说明的是，本发明中S1与S2步骤的测量先后关系不影响本发明技术方案的实施和技术效果的获得，在其他实施例中，S1与S2步骤先后顺序可以调换。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定汽轮机组的基准温度，将低压转子分为若干段，通过温度探头测量每一段低压转子前端和尾端的温度；

按照下式计算低压转子各段的膨胀量：

其中，l_i为第i段低压转子的长度，t_i为第i段低压转子前端的温度，t'_i为第i段低压转子尾端的温度，α_i为第i段低压转子金属的线性热膨胀系数；t₀为20℃；

按照下式计算第一低压转子绝对膨胀量：

其中，p为泊松效应对低压转子膨胀量的影响；

S2、在低压转子的终端布置绝对膨胀测量装置，并通过绝对膨胀测量装置测算出第二低压转子绝对膨胀量L1；

测算汽轮机基础的收缩膨胀量ΔL1；

测算绝对膨胀测量装置的测量值漂移量ΔL2；

测算绝对膨胀测量装置的零位偏离量ΔL3；

按照下式计算第三低压转子绝对膨胀量：

L′＝L1+ΔL1+ΔL2+ΔL3；

S3、将L'与L比较，若数值相差在允许的范围内表明所述第一低压转子绝对膨胀量L和所述第三低压转子绝对膨胀量L'的测算结果正确；反之则表明所述第一低压转子绝对膨胀量L或所述第三低压转子绝对膨胀量L'的测算出现错误。

2.如权利要求1所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，其特征在于，所述绝对膨胀测量装置包括绝对膨胀探头和前置器，所述绝对膨胀探头包括主探头和次探头，所述主探头用于测量低压转子轴向膨胀量，所述次探头用于补偿由于低压转子径向膨胀及径向振动对所述主探头的影响。

3.如权利要求1所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，其特征在于，步骤S2还包括：

按照下式计算汽轮机基础的收缩膨胀量：

ΔL1＝α×10^-6m/K×ΔT，

其中，α为基础的线性热膨胀系数；ΔT为基础温度与基准温度相比的变化量。

4.如权利要求2所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，其特征在于，步骤S2还包括：

按照下式计算绝对膨胀测量装置的测量值漂移量：

ΔL2＝(ΔU₁/K1-ΔU₂cosa/K2)/sina，

其中，K1为主探头的探头灵敏度；K2为次探头的探头灵敏度；ΔU₁为主探头当前温度相对基准温度时的电压变化量；ΔU₂为次探头当前温度相对基准温度时的电压变化量；a为主探头和次探头之间的斜坡角度。

5.如权利要求2所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，其特征在于，步骤S2还包括：

当低压转子、低压缸、汽轮机基础温度一致时，测量低压转子对轮到绝对膨胀探头支架的距离S₁；当零位校验时，复测低压转子对轮到绝对膨胀探头支架的距离S₂；

按照下式计算绝对膨胀测量装置的零位偏离量：

ΔL3＝S₁-S₂。

6.如权利要求1所述的核电汽轮机低压转子膨胀量核算方法，其特征在于，所述汽轮机组为单轴三缸四排汽凝汽式半速汽轮机组。