汽轮机上下缸及内外缸金属壁温差大，可能导致汽缸变形，形成“拱背”，引起汽轮机动静间隙减小，导致汽轮机动静部分摩擦，诱发汽轮机振动和大轴弯曲等故障。因此汽轮机的上下缸金属壁温差是机组运行中的重要监视和控制参数。
1 设备概况
某电厂2 号汽轮机为上海汽轮机厂生产的NZK300-16.67/538/538型亚临界参数、一次中间再热、反动凝汽式汽轮机。高中压缸采用合缸结构，双层汽缸，高中压通流部分反向布置。
2号汽轮机缸体温度测点有3对：高压缸排汽区上下缸温度测点，中压缸抽汽口上下缸温度测点，中压缸排汽口上下缸温度测点，这些测点测量的均为外缸内壁金属壁温，汽缸上下缸金属壁温测点见图 1。根据上海汽轮机厂300 MW汽轮机运行说明书，汽轮机高、中压缸内外缸的上下缸内壁金属壁温差不得超过56 ℃（42 ℃时报警，56 ℃时停机[]）。
图 1 汽缸上下缸金属壁温测点布置图
2 存在的问题
2号汽轮机组在2014年4月大修启动后，运行期间出现中压缸抽汽口上下缸金属壁温差大（抽汽口上缸金属壁温高达500 ℃，上缸金属壁温明显高于下缸金属壁温），且温差呈逐渐增大趋势。2014年4月底上下缸金属壁温差达到50 ℃，5月9日达到57 ℃，温差范围为45~57 ℃。
3 原因排查与分析
3.1 中压缸缸体温度测点校验
针对中压缸抽汽口金属壁温差大的问题，对中压缸缸体的温度测点进行校验，由于本次2号机组大修后对热工仪表进行了标准校验，因此排除因热工仪表不准而导致金属壁温差大的可能。对中压缸抽汽口上缸金属壁温、中压缸静叶持环温度的位置以及热电偶温度补偿进行重新校核，未发现异常，因此排除因热工温度测量及测点的问题造成金属壁温差大的可能。
3.2 中压汽缸下缸积水检查
由于中压缸抽汽口下缸金属壁温低于上缸金属壁温，因此开启抽汽管道疏水、中压缸缸体疏水，就地检查3号高压加热器水位，以查看中压缸抽汽口下缸是否积水。
（1） 开启相关疏水，中压缸抽汽口下缸温度没有回升。
（2） 中压缸抽汽口对应3号高压加热器，曾对3号高压加热器水位进行了检查和标定，因此排除因3号高压加热器水位升高导致汽轮机进水而引起中压缸抽汽口下缸金属壁温降低的可能。
（3） 中压缸抽汽口金属壁温差大是由于抽汽口上缸金属壁温显著偏高所致，而不是由抽汽口下缸金属壁温偏低造成；同工况下2号机组中压缸抽汽口下缸金属壁温高于1号机组中压缸抽汽口下缸金属壁温。
鉴于以上原因，可排除中压缸抽汽口下缸积水导致金属壁温差大的可能。
3.3 汽缸保温层检查
汽缸保温效果会影响中压缸上下缸金属壁温，主要表现为：汽轮机下缸由于布置较多抽汽管、疏水管，基本形成一个竖井状，使得缸壁的散热面积增大，同时形成热对流，冷空气不断进入汽缸下部，吸热上升，增加了下缸的散热损失；在汽缸下部贴壁处，由于重力的作用，导致保温层与汽缸之间的间隙增大，保温层的保温效果急剧下降。
检查2号机组汽缸本体保温，使用便携式测温仪器就地测量2号机组汽缸保温层外表面温度，并与1号机组测量结果进行对比，未发现异常。因此排除由于保温问题导致2号机组中压缸抽汽口下缸金属壁温偏低的可能。
3.4 原因确定
对2014年1月至6月1号、2号机组同工况下的部分运行数据进行对比，具体见表 1。
表 1 1号、2号机组中压缸运行数据对比
表 1 1号、2号机组中压缸运行数据对比
（1） 表 1数据显示，2号机组中压缸抽汽口上缸金属壁温高于静叶持环温度。正常情况下，汽轮机金属温度分布是径向由内至外递减、轴向沿通流方向递减，静叶持环温度应为所有中压缸金属温度测点中的最高值。
（2） 同工况下，2号机组抽汽口上缸金属壁温、静叶持环、抽汽口下缸金属壁温均高于1号机组相应温度，且2号机组上缸金属壁温显著偏高（比1号机组高75 ℃），该现象只有在高温蒸汽对其加热的情况下才可能发生，因此判断中压外缸与1号静叶持环形成的腔室内有高温蒸汽漏入。
（3） 根据西安热工研究院有限公司2014年2号机组大修后的热力性能试验报告[]：在5阀全开（5VWO）工况下，抽汽参数与设计值对比，3段抽汽温度较设计值偏高约38.4 ℃，初步分析原因为中压缸进汽插管存在泄漏，再热蒸汽由中压缸进汽插管泄漏至中压缸夹层，后泄漏至3段抽汽口，导致抽汽温度偏高。
综上所述，认为导致2号机组中压缸抽汽口金属壁温差大的原因为中压缸内存在高温蒸汽异常泄漏。高温汽源的可能部位在中压导汽管入口至中压第1级隔板入口范围内，即中压缸导汽管进汽插管密封环泄漏的可能性较大。
4 处理措施
彻底解决中压缸抽汽口上下缸金属壁温差大的问题，需要机组再次揭缸处理，但处理工期长，且2号机组刚刚结束大修。结合目前2号机组的实际运行情况，只需采取有效措施控制中压缸抽汽口上下缸金属壁温差，确保机组的安全稳定运行，待下次机组大修再作处理即可。
4.1 解列加热器
4.1.1 250 MW以下负荷时解列3号高压加热器
4.1.1.1 措施
机组在250 MW以下负荷运行时，逐步关闭2号机组3号高压加热器进汽电动阀，直至解列3号高压加热器汽侧，可提高中压缸抽汽口下缸金属壁温，以降低中压缸上下缸金属壁温差。
4.1.1.2 原理
将3段抽汽解列后，中压缸夹层的3段抽汽流量减少，抽汽口下缸的抽吸能力减弱，此时由中压缸再热蒸汽进汽短管流入中压缸夹层的蒸汽均匀混合，从而提高中压缸抽汽口下缸缸温，减小中压缸抽汽口上下缸金属壁温差[]。
4.1.1.3 效果
2号机组在150 MW负荷工况下，3号高压加热器解列前、后中压缸抽汽口金属壁温对比见表 2。由表 2可知，3号高压加热器解列后，2号机组中压缸抽汽口下缸金属壁温升高51.68 ℃，上下缸金属壁温差由54.12 ℃降至2.94 ℃，效果明显。
表 2 高压加热器解列前、后中压缸抽汽口
上下缸金属壁温对比
表 2 高压加热器解列前、后中压缸抽汽口
上下缸金属壁温对比
4.1.2 250 MW以上负荷时解列5号、6号低压加热器
4.1.2.1 措施
机组在250 MW以上负荷工况下运行时，采取解列2号机组5号、6号低压加热器汽侧的运行方式可以降低中压缸抽汽口上缸金属壁温，从而减小中压缸抽汽口上下缸金属壁温差。
4.1.2.2 原理
机组运行中解列5号、6号低压加热器汽侧后，可使3号高压加热器的入口给水温度降低约15 ℃，3段抽汽的蒸汽流量增大，此时由中压缸再热蒸汽进汽短管流入中压缸夹层的蒸汽与3段抽汽会一同进入3号高压加热器，从而降低中压缸抽汽口上缸金属壁温，减小中压缸抽汽口上下缸金属壁温差。
4.1.2.3 效果
5号、6号低压加热器解列后中压缸抽汽口金属壁温对比见表 3。由表 3可知，中压缸抽汽口上缸金属壁温由491.73 ℃降至460.90 ℃，上下缸金属壁温差由51.68 ℃降至27.91 ℃，达到了设计要求。
表 3 低压加热器解列前、后中压缸抽汽口
上下缸金属壁温对比
表 3 低压加热器解列前、后中压缸抽汽口
上下缸金属壁温对比
4.1.3 存在的问题
上述2种方案虽然能够在运行中控制2号机组中压缸抽汽口上下缸金属壁温差，但是存在如下问题：
（1） 中压缸抽汽口温度高达500 ℃，远超过设计温度（设计值为442 ℃），长时间运行会导致汽缸变形[, ]，而以上2种方案并没有解决该问题；
（2） 机组运行中解列高压加热器或者低压加热器，会导致机组给水温度降低，从而降低机组的经济性，且无法从根本上解决中压缸抽汽口上下缸金属壁温差增大的问题。
4.2 增加再热冷段至中压缸的混温汽源
4.2.1 方案
经过仔细查阅中压缸设备结构图纸，发现中压缸上部预留有快冷装置接口，该接口和中压缸夹层相通[]。经过和上海汽轮机厂沟通，决定利用再热冷段蒸汽供至中压缸上部夹层，机组运行中再热冷段蒸汽温度只有327 ℃，该段蒸汽通入中压缸夹层后与中压缸导汽管密封环泄漏进入的高温蒸汽混合，可达到降温的目的，从而解决中压缸抽汽口上缸金属壁温过高，上下缸金属壁温差增大的问题。
4.2.2 实施
，利用2号机组小修机会，在2号机组再热冷段蒸汽供辅汽电动阀后的管道上增加1路直径48 mm，壁厚6 mm，材质为12Cr1MoV的供汽管道，管路上增加电动调节阀，该调节阀在DCS上可以实现控制。这样既可以控制进入中压缸夹层的蒸汽流量，又便于及时调节供汽压力，防止3段抽汽压力超压。同时为了防止由于汽轮机跳闸后汽缸进汽或汽轮机超速，对供汽电动阀和供汽调阀增加了联锁保护逻辑，汽轮机跳闸或超速时，再热冷段蒸汽供中压缸夹层蒸汽电动阀和电动调阀联锁关闭，确保了机组安全运行。
4.2.3 效果
对2号机组增加再热冷段至中压缸的混温汽源后，汽轮机在不揭缸检修的情况下，中压缸上下缸金属壁温差可保持在报警值范围内，确保了机组的安全稳定运行，方案实施后2号机组不同负荷下中压缸运行参数见表 4。
表 4 增加混温汽源后2号机组不同负荷下中压缸运行参数
表 4 增加混温汽源后2号机组不同负荷下中压缸运行参数
通过对某电厂2号机组汽轮机中压缸抽汽口上下缸金属壁温差增大的原因进行排查和分析，在汽轮机不揭缸的情况下通过增加再热冷段至中压缸的混温汽源，利用外部蒸汽与中压缸上部夹层的蒸汽混合，降低了中压缸抽汽口上缸金属壁温，有效控制了中压缸抽汽口上下缸金属壁温差，保证了机组的安全稳定运行，对其他电厂解决类似问题具有借鉴作用。
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上下缸温差大的危害？
上、下缸存在温差将引起变形，通常是上缸温度高于下缸，因而上缸变形大于下缸变形，使汽缸向上拱起，俗称猫拱背。汽缸的这种变形使下缸底部径向间隙减小甚至消失，造成径向动、静摩擦，损坏设备。另外，还会出现隔板和叶轮偏离正常时所在的垂直平面的现象，使轴向间隙变化，甚至引起轴向动、静摩擦。
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汽缸上下温差热变形汽轮机启动与停机过程中，很容易使上下汽缸产生温差。通常上汽缸温度高于下汽缸温度。所以，上汽缸热膨胀大于下汽缸。汽轮机上下汽缸温差过大造成弯曲变形示意图上下汽缸温差为什么不允许超过50℃汽轮机上、下汽缸的温差沿轴向并不一样，其最大值通常出现在调节级附近。 通过试验得知，高压气轮机上、下汽缸温差每增加10℃，调节级下部径向间隙 约减少0.1mm左右。高压气轮机隔板汽封径向间隙都较小，一般0.4～0.7mm， 因此上、下汽缸温差常规定不得大于35～50℃。如果超过50℃，就有可能使径 向间隙消失，造成径向动静部分摩擦。汽轮机转子一般为整段转子，同时高压转子的轴封是直接在轴体上加工而成，一旦发生径向动静部分摩擦，会引发大轴弯曲，发生振动，如不及时处理可能会扩大成永久变形。汽缸上下缸温差造成的热变形常是造成今后大轴弯曲的初始原因。另外，过大温差的存在还会使隔板和叶轮偏离正常时所在的垂直平面的现象，使轴向间隙变化，甚至引起轴向动、静摩擦。汽轮机动静部分图片上下上下汽缸温差为什么不允许超过50℃汽缸温差为什么不允许超过50℃上下汽缸上下温差产生的原因：1.下汽缸本身重量大于上汽缸，在相同热量下，下汽缸温度就比较低。同时下汽缸布置有抽汽管道和疏水管道，散热面积大，散热快。2.汽缸内热汽向上运动，经过汽缸金属壁冷却后凝结水流到下汽缸，在下汽缸形成较厚的水膜，增加了蒸汽与壁面的传热热阻，受热条件恶化。如果疏水不良，就会使上下温差大的情况更为严重。3.当汽轮机调速汽门开启顺序不当或者在空负荷或低负荷运行时，由于部分进汽，也会促使上下温差增大。4.因停机后新蒸汽的阀门、抽气管道抽气阀门或汽缸注水阀门不严密，向汽缸漏入汽水，或者停机后仍有蒸汽自轴封漏入汽缸，也会增大温差。运行注意的问题汽轮机在启动过程中，上下汽缸存在一定温差，当蒸汽流量增加到一定数量时（相当于20%～30%的额定负荷），温差才有所减小。所以为了防止热变形，应该改善下汽缸的疏水条件，防止疏水在下汽缸内积存；同时下汽缸也要采用合理的保温，根据情况加厚保温层减少散热，有条件加装挡风板减少空气对流。机组启动和停机过程中，运行人员应正确及时使用各疏水门，减少蒸汽的凝结，严格控制温升速度，高低压加热器与汽轮机同时启动。​温差为什么不允许超过50℃上下上下汽缸温差为什么不允许超过50℃汽缸温差为什么不允许超过50℃上下汽缸温差为什么不允许超过50℃上下汽缸温差为什么不允许超过50℃
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轴封汽投用过早的话也可能造成上下缸温差过大，引起转子轴颈与轴封间隙变小，导致动静碰擦
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