淺議高壓抽汽背壓式汽輪機的熱膨脹

孫成龍

（江蘇井神鹽化股份公司熱電分公司，江蘇 淮安 223200）

?

淺議高壓抽汽背壓式汽輪機的熱膨脹

孫成龍

（江蘇井神鹽化股份公司熱電分公司，江蘇 淮安 223200）

摘 要：高壓抽汽背壓式汽輪機的熱膨脹。本文將結(jié)合汽輪機各種運行工況，分析溫差的產(chǎn)生，以及由此引起的熱膨脹對汽輪機運行的影響。

關(guān)鍵詞：汽輪機的熱膨脹;汽缸的熱膨脹;轉(zhuǎn)子的熱膨脹;脹差

汽輪機是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械能的動力機械。它具有功率大、轉(zhuǎn)速高、效率較高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和使用壽命長的優(yōu)點，因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。抽汽背壓式汽輪機是從汽輪機的中間級抽取部分蒸汽，供需要較高壓力等級的熱用戶（堿廠），同時保持一定背壓的排汽，供需要較低壓力等級的熱用戶（制鹽硝企業(yè)）使用的汽輪機。在以煤為燃料的中小型自備熱電廠，大多采用抽汽背壓式汽輪機做原動機，其發(fā)電量占總發(fā)電量的80%左右。這種既供熱又發(fā)電的熱電合供汽輪機，在熱能的綜合利用方面具有較高的經(jīng)濟性。

1 現(xiàn)狀

1.1 公司現(xiàn)有兩臺武漢汽輪機，型號為CB25-8.83/3.82/0.6型抽汽背壓式汽輪機，型式為：高壓沖擊抽背式，額定進(jìn)汽量240t/h,額定功率為25MW，汽輪機工作轉(zhuǎn)速3000r/min,具有一級調(diào)整抽汽，一級回?zé)岢槠?/p>

1.2 汽輪機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向：自汽輪機向發(fā)電機方向看為順時針。

1.3 主蒸汽規(guī)范

主蒸汽前蒸汽壓力正?！?.83MP最高　9.32MP最低　8.34MP正?！?35℃最高　540℃最低　520℃主蒸汽前蒸汽溫度

1.4 抽、排汽規(guī)范

調(diào)整抽汽壓力正?！?.82MP最高　4.10MP最低　3.50MP正常　0.60MP最高　0.80MP最低　0.40MP排汽壓力

1.5 2#機相對膨脹至-1.0mm或+2.5mm聲光、訊號、報警；3#機相對膨脹至-1.0mm或+3.0mm聲光、訊號、報警。

1.6 2#機脹差保護(hù)：當(dāng)脹差≤-1.5或≥+3.0mm時，接通磁力斷路油門，使自動主汽門、調(diào)速汽門關(guān)閉停機。

3#機脹差保護(hù)：當(dāng)脹差≤-1.5或≥+3.5mm時，接通磁力斷路油門，使自動主汽門、調(diào)速汽門關(guān)閉停機。

1.7 汽輪機本體結(jié)構(gòu)

汽輪機本體由一級雙列速度級和八級壓力級組成，在汽輪機前段的軸承座內(nèi)，裝有主油泵、危急遮斷器裝置、軸向位移傳感器、轉(zhuǎn)速測量機構(gòu)、推力支持軸承、調(diào)節(jié)系統(tǒng)保安部套以及其他調(diào)節(jié)系統(tǒng)部套。前軸承座和前汽缸用“貓爪”相連，在縱向有定位的膨脹滑銷，以保證汽輪機中心在膨脹時不至變動。

前汽缸上端的蒸汽室內(nèi)的調(diào)節(jié)汽閥為凸輪式，通過調(diào)節(jié)閥操縱座及凸輪配汽機構(gòu)與高壓油動機相連，調(diào)節(jié)汽閥共有四只汽門分別控制四組噴嘴。中間蒸汽室內(nèi)的調(diào)節(jié)汽閥為提板式，通過調(diào)節(jié)汽閥及連杠與中壓油動機相連，調(diào)節(jié)汽閥共有八只汽門分別控制五組噴嘴。

機組轉(zhuǎn)子盤車裝置裝于后軸承蓋上，由電動機傳動，通過齒輪減速達(dá)到需要的盤車速度，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于盤車轉(zhuǎn)速時，盤車設(shè)備能自動退出工作位置。盤車轉(zhuǎn)速為(5～6)r/ min。

在汽輪機后軸承座下半部裝有縱向和橫向鍵以保證其膨脹，它們的交點為汽輪機之死點，后汽缸與后軸承座用“貓爪”相連接。

2 汽缸和轉(zhuǎn)子的熱膨脹

2.1 汽缸的熱膨脹

根據(jù)物體熱脹冷縮的性質(zhì)，汽缸在被加熱時，將在長、寬、高幾個方面產(chǎn)生膨脹（或收縮）現(xiàn)象，其膨脹量除了與幾何尺寸和金屬材料的線脹系數(shù)有關(guān)外，還與汽缸各段金屬溫度有關(guān)。由于汽缸軸向長度最大，因而當(dāng)溫度變化時其變化量也大。汽缸以死點為基準(zhǔn)，在滑銷系統(tǒng)引導(dǎo)下的軸向熱膨脹數(shù)值可用下式近似計算：

式中 ⊿Lcy _____汽缸的軸向熱膨脹值，毫米；

αcy_____汽缸金屬材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；

⊿cy _____汽缸的平均溫升，℃；

Lcy _____汽缸軸向長度，毫米。

由于高壓汽輪機法蘭的寬度和厚度比汽缸壁厚度大的多，因而法蘭就象鐵箍一樣緊束住汽缸，故汽缸的熱膨脹值主要取決于法蘭各段的平均溫升，即式中（1-1）中的⊿t cy可用法蘭平均溫升代替。

2.2 轉(zhuǎn)子的熱膨脹

與汽缸熱膨脹原理相同，轉(zhuǎn)子的熱膨脹值⊿Lro可用下式近似求得：

式中 ⊿tro_____轉(zhuǎn)子的平均溫升，℃；

αro_____轉(zhuǎn)子金屬材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；

Lro_____轉(zhuǎn)子長度，毫米。

3 轉(zhuǎn)子與汽缸的相對膨脹

3.1 轉(zhuǎn)子與汽缸相對膨脹的產(chǎn)生

汽輪機的轉(zhuǎn)子和汽缸，其軸向長度較橫向尺寸大，故軸向熱膨脹是主要的。轉(zhuǎn)子和汽缸不僅金屬材料和線膨脹系數(shù)不同，而且汽輪機的轉(zhuǎn)子質(zhì)量比汽缸小，轉(zhuǎn)子與蒸汽接觸的表面積卻是汽缸的與蒸汽接觸表面積的5倍左右，因此啟動過程中，轉(zhuǎn)子的溫升比汽缸快，軸向膨脹值比汽缸大，從而兩者軸向膨脹數(shù)值產(chǎn)生差異。

轉(zhuǎn)子與汽缸沿軸向膨脹之差值，稱為轉(zhuǎn)子與汽缸的相對膨脹差，簡稱脹差。習(xí)慣上規(guī)定：當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向膨脹值大于汽缸的軸向膨脹值時，脹差為正；反之，脹差為負(fù)。實際上，轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差值沿軸向各段是不同的。若將汽輪機沿軸向分成很多段，每段的膨脹差值可由該段的長度及其平均溫升差求出，置于低壓缸后的脹差指示器讀數(shù)就是各段脹差值的代數(shù)和，即

脹差指示器讀數(shù)=a(L1⊿t1+L2⊿t2+L3⊿t3+……+Ln⊿tn)

式中 L1、L2、L3、……Ln___分別為各段的長度，毫米；

⊿t1、⊿t2、⊿t3、……⊿tn___分別為上述各段轉(zhuǎn)子和汽缸平均溫升差，℃。

通常，汽輪機在啟動及加負(fù)荷過程中，轉(zhuǎn)子溫度升高比汽缸快，因而轉(zhuǎn)子膨脹值大于汽缸膨脹值，脹差為正；相反，在停機或減負(fù)荷過程中，汽缸收縮比轉(zhuǎn)子慢，脹差為負(fù)。由此可以得到脹差的變化規(guī)律是“熱正冷負(fù)”。

3.2 脹差變化對運行的影響

脹差的大小，直接表明汽輪機內(nèi)部動靜部分軸向間隙變化的情況。從圖1-2中科院看到：當(dāng)脹差值為零時，轉(zhuǎn)子和汽缸的膨脹值相等，末級軸向間隙a、b保持正常；若脹差為正值，表明轉(zhuǎn)子膨脹較汽缸大，即轉(zhuǎn)子以推力軸承為固定點，相對于汽缸往后伸長，使噴嘴出口軸向間隙b增大，入口軸向間隙a減??；若脹差為負(fù)值，則表明轉(zhuǎn)子收縮比汽缸快，噴嘴出口軸向間隙b變小，入口軸向間隙a變大。顯然，任何一側(cè)軸向間隙消失，都會引起動、靜部分發(fā)生摩擦，造成設(shè)備損壞事故。因此，在汽輪機運行中，尤其在啟動、停機過程中，應(yīng)注意監(jiān)視脹差值的變化，并將其控制在允許范圍內(nèi)。此外，為了減少汽輪機內(nèi)部漏氣損失，提高相對內(nèi)效率，通常噴嘴出口至動葉入口的軸向間隙b要比動葉出口至噴嘴入口的軸向間隙a小，因此脹差負(fù)值比正值更危險，故一般規(guī)定，汽輪機負(fù)脹差的允許值要比正脹差允許值小得多。

轉(zhuǎn)子向前膨脹→

←轉(zhuǎn)子向后膨脹

1-葉片；2-噴嘴；3-推力軸承；

4-支持軸承；5-死點

4 對策

汽輪機在啟動、停機或增減負(fù)荷過程中，各部件金屬溫度都將發(fā)生變化。由于汽輪機各部件結(jié)構(gòu)和所處條件不同，蒸汽對各部件的傳熱情況也不一樣，因此汽輪機各部件沿厚度方向或不同部件之間將產(chǎn)生溫差、熱變形和熱應(yīng)力。當(dāng)熱變形和熱應(yīng)力超出允許范圍時，將使這些部件產(chǎn)生永久變形或造成更嚴(yán)重的損壞。通?？刹扇∫韵麓胧┛刂泼洸睿?/p>

（1）控制蒸汽升降溫度及升降負(fù)荷的速度，以保證汽缸和轉(zhuǎn)子的溫差在允許范圍內(nèi)。

（2）合理地使用汽缸和法蘭螺栓加熱裝置。啟動過程中，當(dāng)高、中壓缸脹差達(dá)到一定數(shù)值時投入法蘭加熱裝置，并注意調(diào)整加熱裝置的進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽量，以滿足加熱要求。為了有效地加熱法蘭，并避免法蘭過度加熱，應(yīng)控制加熱蒸汽溫度高于外壁溫度不超過100～120℃(一般以80℃為宜)。停機過程中，如果脹差負(fù)值過大，還可用低溫汽源投入法蘭加熱裝置以冷卻法蘭外壁，一般控制蒸汽溫度低于法蘭金屬溫度80℃左右。

（3）利用汽封供汽控制脹差。汽封供汽對脹差影響的程度，主要決定于供汽溫度，其次是供汽時間，供汽時間愈長對脹差影響愈大。冷態(tài)啟動時為了不使脹差正值過大，應(yīng)選擇溫度較低的汽源，并盡量縮短沖轉(zhuǎn)前向軸封送汽時間；熱態(tài)啟動時應(yīng)合理使用高溫汽源，防止向軸封供汽后脹差出現(xiàn)負(fù)值；停機過程中，如出現(xiàn)負(fù)脹差過大，可向汽封送入高溫汽源加熱轉(zhuǎn)子汽封段，控制轉(zhuǎn)子收縮。

5 小結(jié)

運行中的高壓沖擊抽背式汽輪機，汽缸的軸向溫度分布都有一定規(guī)律，因而可以用實測的方法求得調(diào)節(jié)級處汽缸（或法蘭）的金屬溫度與汽缸熱膨脹值的對應(yīng)關(guān)系，在汽輪機運行時，就可以把調(diào)節(jié)級處汽缸（或法蘭）的溫度作為監(jiān)視點，用以檢查汽缸的熱膨脹情況，即只要將調(diào)節(jié)級處汽缸（或法蘭）的溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，就能保證汽缸熱膨脹符合要求。此外，汽輪機在啟、停及正常運行中還應(yīng)保證汽缸兩側(cè)能均勻膨脹，否則汽缸中心線就會發(fā)生偏移。因此不僅應(yīng)注意監(jiān)視汽缸左右兩側(cè)的膨脹，還應(yīng)密切監(jiān)視上下缸溫差不超過50℃，將調(diào)節(jié)級汽室處左右兩側(cè)法蘭金屬溫度控制在合理范圍內(nèi)。運行中的汽輪機應(yīng)投入汽輪機保護(hù)裝置，禁止解除相關(guān)保護(hù)，特別是汽輪機的脹差保護(hù)，保證汽輪機安全、高效、長周期地運行。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙永民.汽輪機設(shè)備及運行〔M〕.北京：中國電力出版社，2001.

On the Thermal Expansion of the High Pressure Steam Extraction Back Pressure Turbine

Sunchenglong
(Jiangsu Jingshen Salt Company Limited Thermal Power Plang.HuaiAn 223200，China)

Abstract:Thermal expansion of the high pressure steam extraction back pressure turbine,steam turbine This will combine a variety of operating conditions,the temperature difference between the analysis of the impact generated,and the resulting thermal expansion of the turbine operation.

Key words:thermal expansion turbine;thermal expansion of the cylinder;thermal expansion of the rotor

作者簡介：孫成龍（1983—），男，江蘇連云港人，本科，助理工程師，研究方向：電廠熱能與動力工程。