大型汽輪機(jī)脹差變化的分析與對(duì)策

程永峰

(華電國際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100)

0 引言

轉(zhuǎn)子軸系和汽缸在機(jī)組啟停時(shí)都會(huì)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)子膨脹大于汽缸，就產(chǎn)生正脹差；如果轉(zhuǎn)子膨脹小于汽缸，就產(chǎn)生負(fù)脹差。脹差的大小反應(yīng)了汽輪機(jī)內(nèi)部級(jí)間、隔板汽封等軸向間隙的變化。如果脹差超限，級(jí)間的軸向間隙消失，汽輪機(jī)就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦、葉片損壞、機(jī)組振動(dòng)、轉(zhuǎn)子彎曲等惡性事故。因此，研究和控制汽輪機(jī)啟停時(shí)脹差的變化對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義，制定控制脹差變化的措施尤其迫切。

1 脹差產(chǎn)生的原因

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

金屬構(gòu)件在受熱后體積會(huì)發(fā)生膨脹，即沿長、寬、高3個(gè)方向增大，具體的膨脹值與金屬的膨脹系數(shù)有關(guān)。在對(duì)流換熱中，對(duì)流換熱系數(shù)和流體流速會(huì)對(duì)金屬的受熱情況產(chǎn)生影響。高壓汽輪機(jī)從冷態(tài)到正常運(yùn)行，金屬溫度的變化非常大，因此汽缸的軸向、水平和垂直方向的尺寸都會(huì)發(fā)生很大改變。

在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，汽缸的質(zhì)量很大，而轉(zhuǎn)子的質(zhì)量相對(duì)較小，一般只有汽缸的1/3～1/4，但是在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子接觸蒸汽的面積卻是汽缸的5倍。由質(zhì)面比的定義可知，在汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子被蒸汽以較快的速度加熱，平均溫度升高較快，膨脹值也較大；但是汽缸的底部疏水很多，平均溫度升高較慢，這樣在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓缸之間就會(huì)產(chǎn)生溫差，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹差值，即脹差。汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 脹差的計(jì)算公式

汽輪機(jī)的軸向膨脹相對(duì)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(duì)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(duì)平衡點(diǎn)。假如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)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)子從推力瓦面距離此截面位置一段的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的平均溫升為那么汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)該截面上產(chǎn)生的膨脹值高中壓缸相對(duì)該截面上產(chǎn)生的膨脹值因此可以計(jì)算出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓缸的膨脹差值：

在計(jì)算過程中可將汽缸和轉(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。

1.3 脹差的允許范圍

脹差對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行影響很大，帶來的危害性也很大。它不僅會(huì)縮短汽輪機(jī)主機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(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(dòng)停機(jī)值，如表1所示。

2 影響脹差的因素

2.1 機(jī)組運(yùn)行工況對(duì)脹差的影響

2.1.1 冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)脹差的變化

圖1 汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)

汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)汽缸、轉(zhuǎn)子逐漸被加熱，溫度逐漸升高，汽輪機(jī)脹差總體表現(xiàn)為正脹差。從沖轉(zhuǎn)到定速階段，因?yàn)檗D(zhuǎn)子溫升快，汽輪機(jī)的正脹差呈上升趨勢，對(duì)于采取中壓缸啟動(dòng)的機(jī)組，該階段脹差變化主要發(fā)生在中壓缸。低壓缸的脹差變化不僅受到摩擦鼓風(fēng)熱量的影響，還受到離心力的影響。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min，啟動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)子和汽缸正脹差值達(dá)到最高值。

表1 300 MW汽輪機(jī)的脹差允許范圍

冷態(tài)沖轉(zhuǎn)時(shí)，主汽壓力一般選取4.2 MPa，主汽溫選擇420 ℃，采用高壓缸啟動(dòng)方式的過程為：汽輪機(jī)掛閘后，首先開啟1，2號(hào)中聯(lián)門，輸入閥限100 %后，中壓主汽門打開，在DEH(汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))沖轉(zhuǎn)畫面上選擇TV控制，輸入300 r/min的升速率，1～6號(hào)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2 400 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，一般為3 h。暖機(jī)結(jié)束后，升速到2 900 r/min進(jìn)行TV/GV切換，然后升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

2.1.2 熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)脹差的變化

熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、高中壓缸和低壓缸的金屬溫度尚未冷卻下來，此時(shí)溫度比較高。如果沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度低于汽缸溫度，則蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子和汽缸起到冷卻作用，使汽輪機(jī)出現(xiàn)負(fù)脹差。尤其對(duì)極熱態(tài)啟動(dòng)，幾乎不可避免地會(huì)出現(xiàn)負(fù)脹差。

2.1.3 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。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量比較小，與蒸汽接觸面積相對(duì)較大，所以轉(zhuǎn)子比汽缸冷卻得快，即轉(zhuǎn)子比汽缸收縮得多，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)方式，主再熱蒸汽溫度隨著負(fù)荷的降低逐漸降低，直至主再熱汽溫達(dá)到350 ℃、負(fù)荷最低時(shí)停機(jī)解列。這樣既縮短了機(jī)組檢修工期，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。

在采用滑參數(shù)停機(jī)時(shí)，隨著負(fù)荷的下降，主再熱汽溫逐漸下降，脹差也下降。雖然汽溫會(huì)出現(xiàn)升高的反復(fù)現(xiàn)象，但對(duì)汽缸的膨脹下降沒有影響。因此，只要控制好汽溫的變化速率就能控制好脹差的變化。

2.2 汽缸結(jié)構(gòu)對(duì)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，阻礙了汽缸的膨脹，引起脹差增大。

(2)運(yùn)行中滑銷系統(tǒng)的滑動(dòng)面之間存在阻力，會(huì)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，從而造成汽缸膨脹不完全，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(duì)脹差發(fā)生變化。

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

2.3 汽輪機(jī)初參數(shù)和真空對(duì)脹差的影響

(1)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，向軸封供汽時(shí)，由于冷態(tài)啟動(dòng)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，不僅會(huì)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(huì)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，導(dǎo)致摩擦鼓風(fēng)損失增大，進(jìn)而使高壓轉(zhuǎn)子受熱加大，其正脹差值也隨之增大，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，會(huì)使高壓轉(zhuǎn)子脹差減小。

3 減小脹差的措施

(1)在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，主要是控制機(jī)組的正脹差?？梢酝ㄟ^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以及加負(fù)荷速率，使機(jī)組均勻受熱。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)汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為減少脹差變化應(yīng)采取的措施是：熱態(tài)啟動(dòng)前，脹差一般是負(fù)值，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子和汽缸溫度高，若沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度偏低，則蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后對(duì)轉(zhuǎn)子和汽缸起到冷卻作用，會(huì)增大負(fù)脹差。所以，在啟動(dòng)的前一階段，應(yīng)主要控制負(fù)脹差，防止其過大；在后一階段則應(yīng)注意脹差向正的方向變化。

(3)機(jī)組正常啟動(dòng)過程中，應(yīng)采取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 ℃,如果汽壓較高，則應(yīng)適當(dāng)再提高汽溫，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)真空維持更高，升速更快，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上升，從而使脹差減少。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蒸汽參數(shù)的變化來提高或降低，來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，使得汽缸在膨脹或收縮時(shí)都能迅速把脹差控制在正常范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

對(duì)汽輪機(jī)暖機(jī)、升負(fù)荷和滑參數(shù)停機(jī)過程中脹差的變化進(jìn)行分析，可以看出：汽輪機(jī)的運(yùn)行工況、汽輪機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)以及汽輪機(jī)的初參數(shù)和真空不同，導(dǎo)致其脹差的控制方式也不完全一樣。在300 MW汽輪機(jī)啟停過程中，合理地控制主、再熱汽溫的變化速率，控制好暖機(jī)的初參數(shù)和時(shí)間以及軸封供汽參數(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)，保證汽機(jī)的安全運(yùn)行，避免引起惡性的安全事故。

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