300 MW汽輪機(jī)脹差影響因素與控制

劉芳軍,李衍平

(華電國際萊城發(fā)電廠,山東 萊蕪 271100)

300 MW汽輪機(jī)脹差影響因素與控制

劉芳軍,李衍平

(華電國際萊城發(fā)電廠,山東 萊蕪 271100)

脹差是影響汽輪機(jī)啟動速度和機(jī)組安全運(yùn)行的重要參數(shù),介紹了脹差產(chǎn)生的原因以及計(jì)算公式,分析了300 MW汽輪機(jī)在運(yùn)行、裝置結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)初參數(shù)等方面影響脹差的因素,提出了減少脹差的方法及變工況過程中脹差控制的要點(diǎn)。

汽輪機(jī);脹差;冷態(tài)啟動;汽缸;滑銷系統(tǒng)

1 前言

隨著高參數(shù)、大容量汽輪發(fā)電機(jī)組的陸續(xù)投產(chǎn),轉(zhuǎn)子軸系和汽缸的變大,在機(jī)組啟停時(shí)都會受到很大的熱應(yīng)力、發(fā)生很大的熱變形,從而產(chǎn)生脹差。如果轉(zhuǎn)子比汽缸膨脹的大,就產(chǎn)生正脹差;如果轉(zhuǎn)子小于汽缸的膨脹,就會產(chǎn)生負(fù)脹差。脹差的大小反應(yīng)了汽輪機(jī)內(nèi)部級間軸向間隙的變化。如果脹差超限,級間的軸向間隙消失,汽輪機(jī)就會發(fā)生動靜摩擦,引起機(jī)組振動,發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲的惡性事故。因此,研究和控制汽輪機(jī)啟停時(shí)脹差的變化對汽輪機(jī)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

2 脹差產(chǎn)生的原因

2.1 產(chǎn)生機(jī)理

金屬構(gòu)件在受熱后體積會發(fā)生膨脹,膨脹方向會隨著長、寬、高三個(gè)方向按比例增大。具體由膨脹系數(shù)決定。另外在對流換熱中,對流換熱系數(shù)和流體流速也會對膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響[1]。高壓汽輪機(jī)從冷態(tài)到正常運(yùn)行,金屬溫度變化十分大,因此汽缸的軸向、水平和垂直方向的尺寸都會發(fā)生很大改變。

在機(jī)組啟動時(shí),高壓汽輪機(jī)的高壓缸質(zhì)量很高,而轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較輕,一般情況下,轉(zhuǎn)子的質(zhì)量只有汽缸質(zhì)量的1/3到1/4,但是在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子接觸蒸汽的面積是汽缸接觸蒸汽的面積的 5倍。由質(zhì)面比的定義可知,在汽輪機(jī)啟動過程中,轉(zhuǎn)子將較快的被加熱,平均溫度也升高較快,但是汽缸的平均溫度卻升高很慢,這樣在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓缸之間就會產(chǎn)生溫差,即脹差[2]。汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)圖如圖1所示。

2.2 脹差的計(jì)算公式

軸向相對值是由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承座之間的推力軸承確定的,汽缸貓爪下面的橫、縱銷確定了汽缸與軸承的相對位置變化范圍,推力軸承的位置就是轉(zhuǎn)子和汽缸軸向膨脹差值的相對平衡點(diǎn)。假如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對高中壓缸進(jìn)汽中心截面推力瓦的距離為l,并且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子從推力瓦面距離次位置一段的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的平均溫升為Δt,那么汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對該截面上產(chǎn)生的的相對膨脹值為Δlz與此同時(shí),高中壓缸相對該截面上產(chǎn)生的相應(yīng)膨脹值為所以可以計(jì)算出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓缸的膨脹差值為：

圖1 汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)圖

在計(jì)算過程中我們將汽缸和轉(zhuǎn)子看成是由多段組成的,因此每段的膨脹差值可以通過其在常溫下的長度和平均溫差求出,末端的膨脹差值為固定點(diǎn)到該處中間各段平膨脹差值的代數(shù)和。

2.3 脹差的允許范圍

脹差對汽輪機(jī)的安全運(yùn)行影響很大,帶來的危害性也很大。不僅對使汽輪機(jī)主機(jī)壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)甚至造成機(jī)組損壞事故。為此一般汽輪機(jī)都有規(guī)定的脹差報(bào)警值、手動停機(jī)值。如表1所示：

表1 300 MW汽輪機(jī)的脹差允許范圍

3 影響脹差的因素

3.1 機(jī)組運(yùn)行工況對脹差的影響

冷態(tài)啟動時(shí)脹差的變化。汽輪機(jī)冷態(tài)啟動時(shí),汽輪機(jī)脹差總體表現(xiàn)為正脹差[3]。從沖轉(zhuǎn)到定速階段,汽缸和轉(zhuǎn)子溫度要發(fā)生變化,因?yàn)檗D(zhuǎn)子加熱快,汽輪機(jī)的正脹差呈上升趨勢,對于采取中壓缸啟動的機(jī)組,這階段脹差變化主要發(fā)生在中壓缸。低壓缸的脹差變化不但受到摩擦鼓風(fēng)熱量的影響,而且還要受到離心力影響。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入3000轉(zhuǎn)時(shí),啟動過程結(jié)束時(shí)侯,轉(zhuǎn)子和汽缸正脹差值到達(dá)最高值。

冷態(tài)沖轉(zhuǎn)時(shí),主汽壓力一般選取4.2MPa,主汽溫選擇420℃,采用高壓缸啟動方式,其過程為：汽輪機(jī)掛閘后,首先開啟1、2號中聯(lián)門,輸入閥限100%后,中壓主汽門打開,在DEH沖轉(zhuǎn)畫面上選擇TV控制,輸入300 r/min的升速率,1～6號高壓調(diào)門全開,在大機(jī)轉(zhuǎn)速600 r/ min時(shí)進(jìn)行摩擦檢查,摩擦檢查結(jié)束后,繼續(xù)沖轉(zhuǎn)至2400 r/min時(shí)進(jìn)行中速暖機(jī)。當(dāng)再熱汽溫達(dá)到260℃時(shí),計(jì)算中速暖機(jī)時(shí)間,中速暖機(jī)一般3個(gè)小時(shí),暖機(jī)結(jié)束后,升速到2900 r/min進(jìn)行TV/GV切換,然后升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速3000 r/min。整個(gè)沖轉(zhuǎn)升速過程參數(shù)變化如圖2所示。

圖2 沖轉(zhuǎn)升速過程脹差變化情況

圖3 升負(fù)荷時(shí)脹差變化情況

1)熱態(tài)啟動時(shí)脹差的變化。熱態(tài)啟動時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、高中壓缸和低壓缸的金屬溫度尚沒有冷卻下來,溫度比較高。若沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度低于汽缸溫度,則蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后對轉(zhuǎn)子和汽缸起冷卻作用,則會出現(xiàn)負(fù)脹差。尤其對極熱態(tài)啟動,幾乎不可避免地會出現(xiàn)負(fù)脹差[4]。

2)甩負(fù)荷或正常停機(jī)時(shí)脹差的變化。當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷或正常停機(jī)時(shí),隨著機(jī)組負(fù)荷的降低,流過汽輪機(jī)通流部分和轉(zhuǎn)子的蒸汽溫度低于金屬溫度。轉(zhuǎn)子質(zhì)量比較小,與蒸汽接觸面積相對大,所以轉(zhuǎn)子比汽缸冷卻快,即轉(zhuǎn)子比汽缸收縮的多因而出現(xiàn)負(fù)脹差。

現(xiàn)在停機(jī)普遍采用滑參數(shù)停機(jī),隨著負(fù)荷的降低逐漸的降低,主再熱汽溫直到350℃、負(fù)荷最低時(shí)停機(jī)解列,這樣既縮短機(jī)組檢修工期,提高了經(jīng)濟(jì)效益?；瑓?shù)停機(jī)時(shí)脹差變化如圖4所示。

圖4 滑參數(shù)停機(jī)時(shí)脹差變化情況

從圖4可見,隨著負(fù)荷的下降,主、再熱汽溫的下降,脹差也是下降的。雖然汽溫會出現(xiàn)升高的反復(fù)現(xiàn)象,但對汽缸的膨脹下降沒有影響。只要控制好汽溫的變化速率就能控制好脹差的變化。

3.2 汽缸結(jié)構(gòu)對脹差的影響

1)大多數(shù)汽缸都設(shè)有水平法蘭,水平法蘭在升速過程中溫度比汽缸要低,它阻礙汽缸的膨脹,引起脹差增大。

2)運(yùn)行中滑銷系統(tǒng)的滑動面之間存在阻力,會引起脹差增大。

3)由于汽缸保溫措施不完善、抽汽管道多,可能引起汽缸溫度分布不合理且偏低[5],從而影響汽缸的膨脹不完全,使汽輪機(jī)脹差增大,汽缸疏水不暢也可能導(dǎo)致下缸疏水冷卻、溫度降低,使得汽缸膨脹受影響,從而引起上缸變形、向上拱起,致使相對脹差發(fā)生變化。

4)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí),受離心力作用,使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向的變形[6]。即轉(zhuǎn)子在離心力的作用下變短、變粗,即泊松效應(yīng)。對于大容量機(jī)組,因轉(zhuǎn)子很長,離心力會對脹差產(chǎn)生影響。

3.3 汽輪機(jī)初參數(shù)和真空對脹差的的響

1)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前,向軸封供汽時(shí),由于冷態(tài)啟動時(shí)軸封供汽溫度高于轉(zhuǎn)子溫度,轉(zhuǎn)子局部受熱而伸長,會出現(xiàn)正脹差,還可能出現(xiàn)軸封摩擦的現(xiàn)象。

2)真空的變化會引起脹差值的改變。當(dāng)真空降低時(shí),為了保持機(jī)組轉(zhuǎn)速不變,必須增加進(jìn)汽量,摩擦鼓風(fēng)損失增大,因而使高壓轉(zhuǎn)子受熱加大,其正脹差值隨之增大,低壓轉(zhuǎn)子鼓風(fēng)摩擦造成的正脹差有所減少。當(dāng)真空提高時(shí),則相反,使高壓轉(zhuǎn)子脹差減小。

4 減小脹差的措施

1)在機(jī)組冷態(tài)啟動時(shí),主要是控制機(jī)組的正脹差,在運(yùn)行時(shí)可以通過合理使用汽缸法蘭螺栓加熱裝置,使汽缸與轉(zhuǎn)子的膨脹相適應(yīng),縮短沖轉(zhuǎn)前汽封供汽時(shí)間,并采用較低溫度的汽源,控制好溫升率和升速率,控制好加負(fù)荷速度,使機(jī)組均勻加熱,延長中速暖機(jī)時(shí)間,暖機(jī)時(shí)要采用有利于高壓脹差降低的方法。如果是低壓脹差大,可適當(dāng)提高排汽缸溫度。

2)汽機(jī)熱態(tài)啟動時(shí),為了減少脹差變化應(yīng)采取的措施是：熱態(tài)啟動前,脹差往往是負(fù)值[7]。啟動時(shí)轉(zhuǎn)子和汽缸溫度高,若沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度偏低,蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后對轉(zhuǎn)子和汽缸起冷卻作用,使脹差負(fù)值還要增大,所以,在啟動的前一階段,主要是控制負(fù)脹差過大,而在后一階段應(yīng)注意脹差向正的方向變化。

3)機(jī)組正常啟動過程中,應(yīng)采取以下措施來控制脹差過大,沖轉(zhuǎn)前應(yīng)保持汽溫高于汽缸金屬溫度50～100度,如果汽壓較高,汽溫還應(yīng)適當(dāng)再提高[8],以防轉(zhuǎn)子過度收縮,軸封供汽采用高溫汽源,以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的過度收縮。

4)真空維持高一些,升速要快一些,避免在低速時(shí)多停留而導(dǎo)致機(jī)組冷卻,從而使負(fù)脹差增大。

5)采用合適的法蘭和螺栓加熱系統(tǒng),使法蘭溫度也能隨著蒸汽溫度而上升,可使脹差減少。在汽輪機(jī)啟停過程中使用汽缸法蘭和螺栓加熱裝置,小型機(jī)組主要采用汽缸法蘭和螺栓的溫度隨著蒸汽參數(shù)的變化來提高或降低,盡量減小汽缸外部和內(nèi)部、法蘭里外、汽缸和法蘭、螺栓與法蘭的溫差,使得汽缸在膨脹時(shí)迅速,并且收縮時(shí)也迅速,把脹差控制在正常范圍內(nèi)[9]。

5 脹差在線檢測系統(tǒng)應(yīng)用

現(xiàn)代大型電站大都采用DCS系統(tǒng)對汽輪機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行提供控制,DCS系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)[10]、操作站、工程師站、高級計(jì)算機(jī)站、管理網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)服務(wù)器、現(xiàn)場控制站和I/O現(xiàn)場控制站組成。而脹差在線檢測系統(tǒng)是DCS系統(tǒng)或廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)系統(tǒng) (SIS)中的一個(gè)主要功能模塊,對汽輪機(jī)高壓缸、中壓缸和低壓缸的脹差實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、保存和全面監(jiān)控,并對傳輸?shù)拿洸顢?shù)據(jù)進(jìn)行分析決策。

300 MW機(jī)組正常運(yùn)行中,脹差傳感器固定在缸體上,而傳感器的被測金屬表面鑄造在轉(zhuǎn)子上,因此,汽缸和轉(zhuǎn)子受熱膨脹的相對差值稱為“脹差”(一般將轉(zhuǎn)子的膨脹量大于汽缸的膨脹量產(chǎn)生的差值做為 “正脹差”,反之為 “負(fù)脹差”)。根據(jù) “輸出電壓與被測金屬表面距離成正比”的關(guān)系,該差值被渦流傳感器測得,并利用轉(zhuǎn)子上被測表面加工的8°斜坡將傳感器的測量范圍進(jìn)行放大,其換算關(guān)系為：

δ=L×sin8°

式中δ：傳感器與被測斜坡表面的垂直距離; L：脹差。

如果傳感器的正常線性測量范圍為4.00 mm (即δ=4.00 mm),則對應(yīng)被測脹差范圍L為：

L=δ/sin8°=4.00/sin8°=28.74

由上式可知：脹差傳感器利用被測表面8°的斜坡將其4.00 mm的正常線性測量范圍擴(kuò)展為28.74mm的線性測量范圍,從而滿足了對0～20 mm的實(shí)際脹差范圍的測量。傳感器將其與被測斜坡表面的垂直距離轉(zhuǎn)換成直流電壓信號送至前置放大器進(jìn)行整形放大后,輸出0～24V DC電壓信號至3300/46斜坡式脹差監(jiān)測器,分別將A、B傳感器輸入的信號進(jìn)行疊加運(yùn)算后進(jìn)行脹差顯示,并輸出開關(guān)量信號送至保護(hù)回路進(jìn)行報(bào)警和跳閘保護(hù)。同時(shí)輸出0～10 V DC、1～5V DC或4～20 mA模擬量信號至記錄儀,然后傳輸?shù)矫洸钤诰€檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。

6 結(jié)束語

對汽輪機(jī)暖機(jī)、升負(fù)荷和滑參數(shù)停機(jī)過程中脹差的變化分析,可以看出：隨著汽輪機(jī)機(jī)的運(yùn)行工況不同、汽輪機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)不同、以及汽輪機(jī)的初參數(shù)和真空不同,其脹差的控制方式是完全不一樣的。在300 MW汽輪機(jī)啟停過程和正常運(yùn)行過程中,合理的控制主、再熱汽溫的變化速率,控制好暖機(jī)的初參數(shù)和時(shí)間,控制好軸封供汽參數(shù)和法蘭螺栓加熱裝置的投切時(shí)機(jī)等,合理保證暖機(jī)的效果,就能將脹差控制在安全范圍內(nèi),保證整個(gè)軸系的安全運(yùn)行,避免引起惡性的安全事故。脹差在線檢測系統(tǒng)有助于及時(shí)及時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式和相關(guān)參數(shù),有效地控制汽輪機(jī)的脹差在合理范圍內(nèi)。

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Analysis on the Influencing Factor and Control Method of Expansion-difference of 300 MW Turbine

LIU Fangjun,LI Yanping
(China Huadian Laicheng Power Plant,Laiwu,Shandong 271100)

Expansion-difference is the important factor of the turbine start-up speed and safe operation for unit.The research of the expansion-difference in varying operating conditions of unit has practical significance.The article introduced the reason of differential expansion and computational formula,through the analysis of the factors in operation,equipment structure and parametric variation of 300MW turbine.offered the methods of reducing the differential expansion and differential expansion control key points in variable operating conditions of turbine.

Turbine;Expansion-difference;cold starting;steam cylinder;sliding key system

TK262

B

1006-7345(2014)03-0050-04

2013-12-31

劉芳軍 (1972),男,工程師,華電國際萊城發(fā)電廠,從事火力發(fā)電廠鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)集控運(yùn)行管理方面工作 (email)Lcdc009@163.com。