熱電廠汽輪機(jī)的熱膨脹及其控制方法研究

摘 要：當(dāng)今時(shí)代背景下，能源緊張和可持續(xù)發(fā)展已成為亟需解決的問題，我國電能供應(yīng)的主要來源還以火力發(fā)電為主，發(fā)電廠的主要核心部分——汽輪機(jī)的重要性不言而喻。保證電力的可靠、高效、安全供應(yīng)，已成為發(fā)電人員，特別是運(yùn)行、檢修人員工作的重要職責(zé)所在。文章針對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行中常見的汽輪機(jī)熱膨脹問題從不同角度進(jìn)行了原因分析，并探究了其控制的方法，為相關(guān)人員提供解決此類問題提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：熱電廠；汽輪機(jī)；熱膨脹；控制

引言

汽輪機(jī)是熱電廠發(fā)電過程中能量轉(zhuǎn)換的重要部分，其能否正常運(yùn)行，關(guān)鍵是看能否啟動(dòng)好汽輪機(jī)，然而在啟動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)很容易因熱膨脹而致使啟動(dòng)失敗，從而不能或延遲正常發(fā)電。汽輪機(jī)在啟動(dòng)、負(fù)荷變化和停機(jī)過程中，各級(jí)前后的溫度和蒸汽壓力將發(fā)生變化，其通流部分、汽缸和轉(zhuǎn)子的金屬溫度相應(yīng)變化。熱脹冷縮是一切物體的共性，在零件金屬被加熱時(shí)，產(chǎn)生膨脹；被冷卻時(shí)，零件收縮。當(dāng)零件內(nèi)溫度不均，且不對(duì)稱時(shí)，零件將產(chǎn)生變形；如果膨脹或收縮受阻，零件內(nèi)部將產(chǎn)生熱應(yīng)力。所以汽輪機(jī)這樣運(yùn)行復(fù)雜的動(dòng)力機(jī)械在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)熱膨脹，不僅給發(fā)電帶來困擾，更有甚者會(huì)出現(xiàn)安全事故，因此有必要分析出可能產(chǎn)生熱膨脹的各種原因，以找出解決問題的方法。

1 汽輪機(jī)的熱膨脹

1.1 汽輪機(jī)的熱膨脹分析

汽輪機(jī)是一種安裝過程在室溫下進(jìn)行，工作過程則在高溫條件下進(jìn)行的動(dòng)力機(jī)械。在啟動(dòng)時(shí)會(huì)因溫度快速升高而膨脹；備用和停機(jī)時(shí)，因溫度所降低而收縮。汽輪機(jī)及其主要的部件，必須能自由收縮和膨脹。例如公司汽輪機(jī)在室溫條件下啟動(dòng)，至額定負(fù)荷，其膨脹量可達(dá)到36mm（計(jì)算值）。

1.2 機(jī)組膨脹不合適則會(huì)發(fā)生振動(dòng)的危險(xiǎn)工況

影響振動(dòng)的原因一般有以下兩點(diǎn)：

（1）由于機(jī)組在運(yùn)行中中心不正而引起振動(dòng)。（2）由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而引起振動(dòng)。

在機(jī)組啟動(dòng)初期，機(jī)組的膨脹是造成振動(dòng)增大的主要原因之一。動(dòng)靜摩擦、轉(zhuǎn)子熱彎曲和膨脹不暢等都將使振動(dòng)加大。前者發(fā)生故障一般在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，而后者發(fā)生故障則一般在靜止部件。

在膨脹不暢發(fā)生以后，振動(dòng)先是呈一段上升的階段。當(dāng)上升到一定的程度后，機(jī)組的膨脹和溫度逐漸呈穩(wěn)定狀態(tài)，但已經(jīng)形成的膨脹不暢無法消除，此時(shí)振動(dòng)穩(wěn)定在較大值處。之后階段的振動(dòng)變化趨勢(shì)可能有兩種，如圖1所示：（1）是振動(dòng)始終維持在較大值處，不能恢復(fù)到初始的狀態(tài)如圖（a）中所示；（2）是振動(dòng)值逐漸可以回落，直到恢復(fù)到初始狀態(tài)如圖（b）中所示。第1種是因?yàn)榕蛎浭茏璨课粵]有疏通，或有導(dǎo)致缸體變形其它的因素；第2種狀況因通過運(yùn)行可以使膨脹受阻得到逐漸的疏通。

2 汽缸與轉(zhuǎn)子的絕對(duì)膨脹

2.1 絕對(duì)膨脹產(chǎn)生的原因及其計(jì)算方法

汽缸以及轉(zhuǎn)子的熱膨脹，不僅與金屬材料的線膨脹系數(shù)和汽長(zhǎng)度尺寸有關(guān)，還取決于各段金屬溫度的變化值及通流部分的熱力過程，一般常用下列方法進(jìn)行近似計(jì)算。

首先根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)沿軸向分成若干區(qū)段，用下式計(jì)算各區(qū)段沿軸線的絕對(duì)膨脹值；

式中△li-零部件第i段的絕對(duì)膨脹；βi（t）-按第i段平均溫度查得材料的線膨脹系數(shù)，毫米/毫米·℃；tavi-第i段平均溫度，℃；t0-冷態(tài)溫度，通常t0=20℃；△yi-第i段軸向長(zhǎng)度，毫米。

求出汽缸和轉(zhuǎn)子的絕對(duì)膨脹值后，整個(gè)汽缸或轉(zhuǎn)子的絕對(duì)膨脹值等于各區(qū)段膨脹之和。

2.2 控制絕對(duì)膨脹的措施

因汽輪機(jī)的軸向長(zhǎng)度比徑向?qū)挾却蠛芏啵云缀娃D(zhuǎn)子的絕對(duì)膨脹值也非常大。因此機(jī)組在運(yùn)行中一定要對(duì)汽輪機(jī)絕對(duì)膨脹進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。又因汽輪機(jī)軸向溫度分布狀況呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，所以可以找出汽缸上各個(gè)位置的熱膨脹值和與之相對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度的關(guān)系。在機(jī)組運(yùn)行過程中，只需把監(jiān)視點(diǎn)的溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；即可保證汽缸的膨脹量在機(jī)組啟動(dòng)、正常運(yùn)行和停機(jī)時(shí)符合相應(yīng)的要求。

3 汽缸與轉(zhuǎn)子的相對(duì)膨脹差

3.1 相對(duì)脹差產(chǎn)生的原因

汽輪機(jī)啟停過程中，由于汽缸和轉(zhuǎn)子的材料結(jié)構(gòu)尺寸及受熱條件不同，即使在相同的蒸汽參數(shù)下兩者之間也存在明顯的溫差?，F(xiàn)以啟動(dòng)加熱過程為例分析汽缸和轉(zhuǎn)子沿軸向某區(qū)段的溫差大小。

經(jīng)過熱平衡計(jì)算，轉(zhuǎn)子和汽缸在某一區(qū)段的溫差可用下式計(jì)算：

式中tr、tc-分別為該區(qū)段內(nèi)轉(zhuǎn)子和汽缸的平均溫度，℃；mr、mc-分別為該區(qū)段內(nèi)轉(zhuǎn)子和汽缸的質(zhì)量，kg；αr、αc-分別為該區(qū)段內(nèi)蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子汽缸的放熱系數(shù)，kJ/（m2·K·min）；Ar·Ac-分別為該區(qū)段內(nèi)轉(zhuǎn)子汽缸的受熱面積，m2；C-分別為該區(qū)段內(nèi)轉(zhuǎn)子、汽缸的平均比熱，kJ/kg·℃；bs-該區(qū)段內(nèi)蒸汽的溫升速度，℃/min。

由于上述特點(diǎn)，在啟動(dòng)和升負(fù)荷過程中，加熱了機(jī)組的汽缸和轉(zhuǎn)子，相對(duì)應(yīng)段轉(zhuǎn)子的金屬溫升速度比汽缸的金屬溫升速度快，平均溫度高于汽缸對(duì)應(yīng)段的平均溫度，因此相應(yīng)的膨脹量較大，轉(zhuǎn)子的相對(duì)脹差為正值；在停機(jī)和降低負(fù)荷過程中，各級(jí)的蒸汽溫度下降，冷卻了汽缸和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的金屬溫度降低也較快，使轉(zhuǎn)子的相對(duì)脹差減小，甚至出現(xiàn)負(fù)脹差。

3.2 影響轉(zhuǎn)子相對(duì)脹差的因素

所有影響氣缸和轉(zhuǎn)子加熱和冷卻過程的因素，均會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的相對(duì)脹差產(chǎn)生影響。

（1）通流部分各級(jí)蒸汽溫度的變化速度；（2）軸封供汽溫度；（3）汽缸法蘭內(nèi)、外壁溫差；（4）汽缸夾層的蒸汽溫度；（5）摩擦鼓風(fēng)損失；（7）轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)效應(yīng)。

汽缸和轉(zhuǎn)子之間的膨脹差，是上述各因素綜合影響的結(jié)果，其中任意一個(gè)因素變化，都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子相對(duì)脹差產(chǎn)生影響。

3.3 相對(duì)脹差的控制方法

在運(yùn)行過程中，可以通過控制蒸汽及再熱蒸汽的溫升速度，加上控制升負(fù)荷速度，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子脹差的控制。同時(shí)避免汽缸排氣溫度過高，軸封供氣溫度偏低，而出現(xiàn)過大的負(fù)脹差。但軸封供氣溫度和氣缸排氣溫度只影響轉(zhuǎn)子和氣缸的局部膨脹量。

4 汽輪機(jī)啟動(dòng)階段脹差控制要點(diǎn)

汽輪機(jī)的冷態(tài)啟動(dòng)指的是其在室溫靜止?fàn)顟B(tài)，慢慢被加熱到高溫高壓的狀態(tài)時(shí)，在汽輪機(jī)組內(nèi)部動(dòng)靜間隙非常小的情況下進(jìn)行自由的膨脹。所以要想正常完成機(jī)組的啟停，在認(rèn)識(shí)到金屬膨脹的危險(xiǎn)性和重要性的基礎(chǔ)上，必須按照標(biāo)注嚴(yán)格控制金屬的溫升速率，保證大軸、汽缸和各部金屬可以自由膨脹。

4.1 啟動(dòng)時(shí)主參數(shù)的選擇

采用一種新蒸汽來啟動(dòng)機(jī)組，這種方法既不會(huì)使機(jī)組各部分金屬產(chǎn)生較大應(yīng)力，又能使其各部分均勻的加熱。

通常情況下，汽壓參數(shù)可以選擇的范圍較大，具體用多少需要綜合機(jī)爐兩方面系統(tǒng)能力來考慮。首先汽壓和汽溫應(yīng)保證能互相匹配，控制機(jī)組運(yùn)行如能得到合適的汽溫（與汽缸相比），便可得到與之匹配的汽壓。公司汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，給定了機(jī)組啟動(dòng)曲線，理論上通過此曲線選擇不同參數(shù)即可啟動(dòng)機(jī)組，但通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)汽輪機(jī)組時(shí)，進(jìn)入機(jī)組的新蒸汽溫度必須高于汽缸的溫度，且達(dá)到56℃的過熱度，并在這中間需考慮到蒸汽節(jié)流之后的溫度下降量，才可正常啟動(dòng)機(jī)組。

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：（1）在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，逐漸的加熱汽缸，可以有效避免機(jī)組啟動(dòng)時(shí)新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后帶來負(fù)脹差的弊端。啟動(dòng)時(shí)應(yīng)避免使汽缸冷卻，如出現(xiàn)冷卻現(xiàn)象，原因是新蒸汽的溫度選擇偏低，此時(shí)應(yīng)迅速提高蒸汽溫度，從而使金屬膨脹；否則此時(shí)機(jī)組極易出現(xiàn)故障，使機(jī)組無法正常啟動(dòng)。

（2）機(jī)組啟動(dòng)后，應(yīng)該聯(lián)系鍋爐巡檢人員，便于監(jiān)控制鍋爐燃燒狀態(tài)，保證初參數(shù)呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。初參數(shù)忽高忽低將直接影響到機(jī)組的溫升、轉(zhuǎn)速，甚至導(dǎo)致軸瓦振動(dòng)加劇。在啟動(dòng)時(shí)，間隙最小位置在軸封處，汽溫對(duì)它的影響最為敏感，且隨主汽溫變化而變化，此時(shí)機(jī)組的脹差會(huì)隨之發(fā)生改變。汽輪機(jī)大軸在加速過程時(shí)，受力很大，工況非常不穩(wěn)定，因此在機(jī)組啟動(dòng)過程中必須控制汽壓、汽溫保持穩(wěn)定否則容易發(fā)生狀況導(dǎo)致機(jī)組無法正常啟動(dòng)。

4.2 低速暖機(jī)

用全周進(jìn)汽的方式?jīng)_轉(zhuǎn)來啟動(dòng)汽輪機(jī)組，可使汽缸均勻受熱膨脹均勻。在啟動(dòng)瞬間為克服轉(zhuǎn)子所受的較大的阻力，沖轉(zhuǎn)時(shí)可以加大一點(diǎn)加速度，之后再按原來的規(guī)律控制加速度。大軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來時(shí)，汽輪機(jī)處于一種動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，因此時(shí)大量的新蒸汽涌入汽輪機(jī)使其被加熱、膨脹作功，又因轉(zhuǎn)子受熱面積大于汽缸受熱面積（約3/4），轉(zhuǎn)子膨脹值大于汽缸膨脹值，所以高中壓缸的脹差有正值增大趨勢(shì)。反之，在熱態(tài)啟動(dòng)中，進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)的汽溫低、蒸汽少時(shí)，會(huì)使汽輪機(jī)呈負(fù)脹差，為解決此類問題，此時(shí)須增大進(jìn)汽量，來提高汽溫。

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到每分鐘600轉(zhuǎn)時(shí)，汽輪機(jī)進(jìn)汽必須停止下來，以便全面執(zhí)行機(jī)組的檢查。究其原因有：

（1）轉(zhuǎn)速高于每分鐘600轉(zhuǎn)時(shí)，難以控制轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速低于每分鐘600轉(zhuǎn)時(shí)，較難形成軸承的油膜。（2）汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)在氣缸和轉(zhuǎn)子留有殘余應(yīng)力，停機(jī)一段時(shí)間相當(dāng)于進(jìn)行了一段時(shí)間的時(shí)效處理，可以消除一定的金屬殘余應(yīng)力。（3）整體的汽輪機(jī)金屬膨脹呈穩(wěn)定狀態(tài)，高中壓缸的正脹差可以消除一點(diǎn)兒。（4）對(duì)調(diào)速系統(tǒng)和動(dòng)靜部分的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全面檢查，為下一步機(jī)組的啟動(dòng)做好準(zhǔn)備工作。

應(yīng)該給機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行下留足夠的暖機(jī)時(shí)間，因之后機(jī)組要處于長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，需要將所有部件的金屬膨脹開，此時(shí)可以在適當(dāng)?shù)恼羝髁肯伦寵C(jī)組進(jìn)行一段時(shí)間的暖機(jī)。以便使金屬進(jìn)一步的膨脹，消除汽缸內(nèi)外缸壁的溫差。

4.3 升速階段

汽輪機(jī)啟動(dòng)的必要條件是升速的平穩(wěn)性，避免升速不穩(wěn)定，如升速高低變換，會(huì)導(dǎo)致大軸不穩(wěn)，使其和蒸汽吹動(dòng)葉片的振頻重合，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致啟機(jī)失敗。伴隨汽輪機(jī)進(jìn)汽量增大，加大了鍋爐的蒸發(fā)量，此時(shí)需增加鍋爐燃料來迎合初參數(shù)的變化，而使初參數(shù)呈上升的趨勢(shì)。在此機(jī)組啟動(dòng)的關(guān)鍵時(shí)刻，如忽略此情況，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)組脹差正值過大，造成機(jī)組啟動(dòng)失敗。此時(shí)應(yīng)控制汽壓和汽溫的穩(wěn)定性，才能使機(jī)組正常啟動(dòng)。

4.4 總結(jié)

總而言之，機(jī)組啟動(dòng)的關(guān)鍵在于控制金屬膨脹，而非控制汽輪機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程中，溫度一直在發(fā)生變化，控制好以上要點(diǎn)，注意其它細(xì)節(jié)，才能使汽輪機(jī)組的金屬部位合理的膨脹，高低壓缸的差脹便會(huì)被控制在合理的范圍，從而保證汽輪機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：郭立文（1986-），男，河南新鄉(xiāng)人，長(zhǎng)期從事火力發(fā)電廠運(yùn)行部相關(guān)工作。