300MW汽輪機脹差變化的原因分析與控制

李衍平

華電國際萊城發(fā)電廠 山東 萊蕪 271100

0 引言

隨著高參數(shù)、大容量汽輪發(fā)電機組的陸續(xù)投產(chǎn)，轉(zhuǎn)子軸系和汽缸的變大，在機組啟停時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)生負脹差。脹差的大小反應(yīng)了汽輪機內(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，汽輪機就會發(fā)生動靜摩擦，引起機組振動，發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲的惡性事故。因此，研究和控制汽輪機啟停時脹差的變化對汽輪機的安全運行具有非常重要的意義。

1 脹差產(chǎn)生的原因

1.1 產(chǎn)生機理

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］。高壓汽輪機從冷態(tài)到正常運行，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。

在機組啟動時，高壓汽輪機的高壓缸質(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，這樣在汽輪機轉(zhuǎn)子與高中壓缸之間就會產(chǎn)生溫差，即脹差［2］。汽輪機滑銷系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 脹差的計算公式

軸向相對值是由汽輪機轉(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。假如汽輪機轉(zhuǎn)子相對高中壓缸進汽中心截面推力瓦的距離為l，并且汽輪機轉(zhuǎn)子從推力瓦面距離高中壓缸進汽中心截面的汽輪機轉(zhuǎn)子的平均溫升為Δt，那么汽輪機轉(zhuǎn)子相對該截面上產(chǎn)生的的相對膨脹值為Δlz=β·Δtl，同時，高中壓缸相對該截面上產(chǎn)生的相應(yīng)膨脹值為Δlq=β·Δtlq，所以可以計算出汽輪機轉(zhuǎn)子與高中壓缸的膨脹差值為：

圖1 汽輪機滑銷系統(tǒng)圖

在計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到該處中間各段平膨脹差值的代數(shù)和。

1.3 脹差的允許范圍

脹差對汽輪機的安全運行影響很大，帶來的危害性也很大。不僅使汽輪機主機壽命縮短，嚴重時甚至造成機組損壞事故。為此一般汽輪機都有規(guī)定的脹差報警值、手動停機值。如表1所示：

表1 300MW汽輪機的脹差允許范圍

2 影響脹差的因素

2.1 機組運行工況對脹差的影響

2.1.1 冷態(tài)啟動時脹差的變化。汽輪機冷態(tài)啟動時，汽輪機脹差總體表現(xiàn)為正脹差［3］。從沖轉(zhuǎn)到定速階段，汽缸和轉(zhuǎn)子溫度發(fā)生變化，因為轉(zhuǎn)子加熱快，汽輪機的正脹差呈上升趨勢，對于采取中壓缸啟動的機組，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)汽輪機轉(zhuǎn)子進入3000轉(zhuǎn)時，啟動過程結(jié)束時侯，轉(zhuǎn)子和汽缸正脹差值到達最高值。

冷態(tài)沖轉(zhuǎn)時，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，DEH選擇TV控制，輸入300r/min的升速率，1-6號高壓調(diào)門全開，在大機轉(zhuǎn)速600r/min時進行摩擦檢查，摩擦檢查結(jié)束后，繼續(xù)沖轉(zhuǎn)至2400r/min時進行中速暖機。當(dāng)再熱汽溫達到260℃時，計算中速暖機時間，中速暖機一般3個小時，暖機結(jié)束后，升速到2900r/min進行TV/GV切換，然后升速至目標轉(zhuǎn)速3000r/min。整個沖轉(zhuǎn)升速過程參數(shù)變化如圖2所示。

2.1.2 熱態(tài)啟動時脹差的變化。熱態(tài)啟動時汽輪機轉(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)時蒸汽溫度低于汽缸溫度，則蒸汽進入汽輪機后對轉(zhuǎn)子和汽缸起冷卻作用，則會出現(xiàn)負脹差。尤其對極熱態(tài)啟動，幾乎不可避免地會出現(xiàn)負脹差［4］。

2.1.3 甩負荷或正常停機時脹差的變化。當(dāng)汽輪機甩負荷或正常停機時，隨著機組負荷的降低，流過汽輪機通流部分和轉(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)負脹差。如圖3。

圖2 沖轉(zhuǎn)升速過程脹差變化情況圖

圖3 升負荷時脹差變化情況圖

滑參數(shù)停機時，隨著負荷的降低逐漸的降低，主再熱汽溫直到350℃、負荷最低時停機解列，這樣既縮短機組檢修工期，提高了經(jīng)濟效益。

從圖4可見，隨著負荷的下降，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。

圖4 滑參數(shù)停機時脹差變化情況圖

2.2 汽缸結(jié)構(gòu)對脹差的影響

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。運行中滑銷系統(tǒng)的滑動面之間存在阻力，會引起脹差增大。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。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，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)。對于大容量機組，因轉(zhuǎn)子很長，離心力會對脹差產(chǎn)生影響。

2.3 汽輪機初參數(shù)對脹差的影響

汽輪機沖轉(zhuǎn)前，向軸封供汽時，由于冷態(tài)啟動時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。真空的變化會引起脹差值的改變。 當(dāng)真空降低時，為了保持機組轉(zhuǎn)速不變，必須增加進汽量，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，則相反，使高壓轉(zhuǎn)子脹差減小。

3 減小脹差的措施

1）在機組冷態(tài)啟動時，主要是控制機組的正脹差，在運行時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，控制好加負荷速度，使機組均勻加熱，延長中速暖機時間，暖機時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）汽機熱態(tài)啟動時，為了減少脹差變化應(yīng)采取的措施是：熱態(tài)啟動前，脹差往往是負值［7］。啟動時轉(zhuǎn)子和汽缸溫度高，若沖轉(zhuǎn)時蒸汽溫度偏低，蒸汽進入汽輪機后對轉(zhuǎn)子和汽缸起冷卻作用，使脹差負值還要增大，所以，在啟動的前一階段，主要是控制負脹差過大，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，避免在低速時多停留而導(dǎo)致機組冷卻，從而使負脹差增大。

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。在汽輪機啟停過程中使用汽缸法蘭和螺栓加熱裝置，小型機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，使得汽缸在膨脹時迅速，并且收縮時也迅速，把脹差控制在正常范圍內(nèi)［9］。

4 結(jié)論

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

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