300MW汽輪機(jī)脹差變化的原因分析與控制

王滄海

摘 要：脹差是影響汽輪機(jī)啟動(dòng)速度以及機(jī)組安全行駛的核心參數(shù)，對(duì)于火電機(jī)組較為典型的變工況下脹差的變化具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。該文從脹差產(chǎn)生的原因以及計(jì)算公式進(jìn)行分析，闡述了脹差的產(chǎn)生機(jī)理，并詳細(xì)介紹300MW汽輪機(jī)在運(yùn)行中、裝置結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)初參數(shù)等方面影響脹差的因素，探究了減小脹差的方法并變工中脹差的控制要點(diǎn)，避免因?yàn)槊洸钸^大帶來的安全隱患。

關(guān)鍵詞：滑銷系統(tǒng) 汽輪機(jī) 冷態(tài)啟動(dòng) 汽缸 脹差

中圖分類號(hào)：TK249.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（c）-0045-02

我國(guó)的汽輪機(jī)參數(shù)逐漸增大，研發(fā)方向也朝著大容量發(fā)展，帶來的直接結(jié)果就是轉(zhuǎn)子軸系與汽缸外形體積的變大，每當(dāng)發(fā)生啟停時(shí)，都會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生，造成機(jī)器設(shè)備的受熱膨脹，從而發(fā)生脹差。當(dāng)轉(zhuǎn)子的膨脹大于汽缸膨脹程度，就會(huì)生成正脹差；相反，轉(zhuǎn)子的膨脹程度較小，則產(chǎn)生負(fù)脹差。脹差的程度應(yīng)有所控制，高于標(biāo)準(zhǔn)脹差，則會(huì)引起間級(jí)的間隙變小，逐漸消失，進(jìn)而使汽輪機(jī)內(nèi)部發(fā)生靜摩擦，甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)子變形彎曲的狀況。所以，對(duì)于汽輪機(jī)中脹差的控制措施是十分必要的，關(guān)系到行駛中的安全。

1 脹差產(chǎn)生原因

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

汽輪機(jī)的整體都是由金屬構(gòu)成，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致發(fā)生膨脹，而膨脹的大小與構(gòu)件比例有直接關(guān)系，實(shí)際結(jié)果需要根據(jù)膨脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如果汽輪機(jī)處于對(duì)流換熱狀態(tài)，則受熱膨脹的比例與換流熱系數(shù)、流體流速有關(guān)。高壓汽輪在正常使用中，需要經(jīng)歷從靜止到運(yùn)行產(chǎn)生熱能的一系列過程，其中溫度差較大，進(jìn)而汽輪機(jī)的汽缸相關(guān)參數(shù)都會(huì)受到膨脹的影響。機(jī)組啟動(dòng)的初期，高壓缸質(zhì)量較重，但轉(zhuǎn)子的重量不明顯，而處于運(yùn)轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子受熱的接觸面是汽缸的5倍，受熱效果更加明顯。在運(yùn)行過程中，在同樣的時(shí)間內(nèi)，質(zhì)子因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，溫度上升程度也較高，而汽缸的溫度相比較下上升不明顯，極其容易產(chǎn)生溫差，即脹差。

1.2 脹差的計(jì)算公式

軸向相對(duì)值由轉(zhuǎn)子與軸承座之間的推力軸承確定，而推力軸承的具體位置則是轉(zhuǎn)子與汽缸軸向膨脹差值的相對(duì)平衡點(diǎn)。如果將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶高壓缸至進(jìn)汽口的距離設(shè)為l，則可以認(rèn)為兩者之間的平均升高溫度為t，這些數(shù)值的產(chǎn)生都是相對(duì)而言的，那么該橫截面上生成的相對(duì)膨脹值為l2=b×tl[1]。

1.3 脹差的允許范圍

脹差的大小對(duì)汽輪機(jī)的正常行駛會(huì)產(chǎn)生較大的副作用，帶來的安全隱患也較為嚴(yán)重。不單單使汽輪機(jī)的可使用年限減少，還會(huì)造成機(jī)組的大面積損壞。所以，一般它都會(huì)有較為標(biāo)準(zhǔn)的脹差報(bào)警值、與手動(dòng)停機(jī)值，不同參數(shù)的汽輪機(jī)的脹差報(bào)警值也完全不同，在日常使用中需要加以控制。

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

汽輪機(jī)在冷態(tài)狀態(tài)下開啟，表現(xiàn)為正脹差。而從沖轉(zhuǎn)到達(dá)定速階段，汽缸與轉(zhuǎn)子的溫度都會(huì)因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)而生熱，而后者表現(xiàn)出的加熱速度更為明顯，其正脹差是呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì)，如果該機(jī)組使用的是中壓缸，那么脹差的產(chǎn)生在缸內(nèi)。缸的脹差變動(dòng)不但會(huì)受到摩擦產(chǎn)生的熱量影響，同時(shí)與離心力也有直接關(guān)系。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到3000r時(shí)，啟動(dòng)過程到最后結(jié)束，兩者的正脹差值會(huì)到達(dá)最大峰值[2]。

在冷態(tài)沖轉(zhuǎn)中，主汽的壓力值一般控制在4.2Pa左右，溫度將會(huì)在420℃范圍內(nèi)，使用高壓缸啟動(dòng)的方案，主要環(huán)節(jié)包括：汽輪掛閘之后，第一步需要啟動(dòng)1、2號(hào)中聯(lián)門，輸入閥限100%后，中壓主汽門打開，DEH采用TV控制，調(diào)到300r/min的速度，1～6號(hào)門全部打開，在大機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)600r/min時(shí)進(jìn)行摩擦檢查，結(jié)束后在采取2400r/min中使用中速暖機(jī)。如果熱氣溫再次到達(dá)260℃，并計(jì)算中速暖機(jī)時(shí)間，在3h之后，將會(huì)升速到2900r/min采取TV/GV切換，然后申述到3000r/min。

2.2 汽缸結(jié)構(gòu)對(duì)脹差產(chǎn)生的影響

大多數(shù)的汽缸都處于水平法蘭階段，水平法蘭在升速階段時(shí)的溫度會(huì)低于汽缸，減小汽缸的膨脹程度，致使脹差的升高。尤其是汽缸的保溫措施會(huì)不大完善，其中的抽汽管道多，導(dǎo)致汽缸溫度的分布不大合理或是較低，進(jìn)而造成汽缸的膨脹不完全，讓汽輪的脹差再次變大。汽缸疏水出現(xiàn)問題，會(huì)有一定的幾率造成下缸的疏水冷卻、讓溫度降低，進(jìn)而形成上缸變形、向上拱起，致使相對(duì)脹差產(chǎn)生較大的變化。大容量的機(jī)組除外，它受到離心力的影響程度更大。

2.3 汽輪機(jī)初參數(shù)對(duì)脹差的影響

汽輪機(jī)發(fā)生沖轉(zhuǎn)前，會(huì)向軸封供汽，此時(shí)的軸封溫度高于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子部分部位因受熱發(fā)生膨脹，會(huì)出現(xiàn)正脹差的降低或升高。當(dāng)出現(xiàn)真空的降低時(shí)，為了保障機(jī)組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，需要適當(dāng)?shù)靥嵘M(jìn)汽量，影響到摩擦鼓風(fēng)的力度，進(jìn)而高壓轉(zhuǎn)子受熱，正脹差值也會(huì)隨之增大，相反抵押轉(zhuǎn)子減小。

當(dāng)滑參數(shù)停機(jī)時(shí)，脹差會(huì)與負(fù)荷的數(shù)值呈現(xiàn)正比例關(guān)系，一旦負(fù)荷縮減，汽源的溫度需要再次達(dá)到350℃左右，此時(shí)的負(fù)荷數(shù)值最低，這時(shí)發(fā)生停機(jī)解列，對(duì)于機(jī)組的檢修時(shí)長(zhǎng)而言也是有利的。另外，可以發(fā)現(xiàn)負(fù)荷的數(shù)值不斷在下降的同時(shí)，汽源的溫度隨之發(fā)生變化，進(jìn)而帶來脹差的降低。即使偶爾出現(xiàn)汽源溫度再次升高的反復(fù)現(xiàn)象，但是總體而言與汽缸的膨脹程度無直接關(guān)系。因此可以得出，有效地控制汽源的溫度變化快慢就能直接調(diào)整脹差大小。

3 降低脹差的措施

（1）當(dāng)機(jī)組為冷態(tài)狀態(tài)下開始運(yùn)行，則產(chǎn)生正脹差，與之對(duì)應(yīng)的解決措施就是：利用汽缸法蘭作為加熱設(shè)備，讓溫度升高的同時(shí)，讓兩者的膨脹相結(jié)合，縮短沖轉(zhuǎn)前的汽封供汽時(shí)間，將原本的汽源替換為較低溫度的能源，進(jìn)而對(duì)升溫速度以及升溫程度進(jìn)行控制，對(duì)負(fù)荷速度也進(jìn)行調(diào)整，讓加熱程度更為均勻，將原本升溫的時(shí)間加長(zhǎng)。在這一過程中可以使用高壓脹差來進(jìn)行控制。發(fā)現(xiàn)低壓脹差加大，可以適當(dāng)?shù)靥岣咂椎臏囟萚3]。

（2）當(dāng)汽機(jī)在熱狀態(tài)下運(yùn)行，為了促進(jìn)脹差在合理范圍區(qū)間內(nèi)升降，可以采用以下措施：機(jī)組運(yùn)行前，脹差多數(shù)情況下為負(fù)值。最開始時(shí)，轉(zhuǎn)子與汽缸的溫度都會(huì)較高，蒸汽的溫度較低則可以引進(jìn)，起到有效的降溫作用，進(jìn)而控制脹差的影響。因此，在啟動(dòng)前，需要重點(diǎn)關(guān)注負(fù)脹差的數(shù)值，將其控制在適宜區(qū)間內(nèi)。當(dāng)機(jī)組正式運(yùn)行后，就需要關(guān)注脹差的正負(fù)變化。

（3）在機(jī)組的正常運(yùn)行當(dāng)中，可以按照以下步驟來防止脹差的持續(xù)增大：沖轉(zhuǎn)需要將汽溫的溫度保持在金屬汽缸之上，并將溫度的范圍控制在50℃～100℃。出現(xiàn)汽壓較大的情況，汽源的溫度則需要上升，防止轉(zhuǎn)子發(fā)生過度收縮，通常情況下軸封使用的供汽都為高溫汽源，就是為了避免出現(xiàn)這類情況。

（4）真空維持的時(shí)間需要加長(zhǎng)，并且注意加熱的速度需要提升，防止因?yàn)榈退俚耐Ａ舳鴮?dǎo)致機(jī)組溫度的下降，將脹差進(jìn)一步加大。

4 結(jié)語

隨著汽輪機(jī)的使用需求不同、汽缸機(jī)構(gòu)上的不同、以及輪機(jī)參數(shù)上的不同，致使應(yīng)對(duì)脹差變化的方式也不能一概而論。脹差對(duì)于汽輪機(jī)的影響程度巨大，無論是在日常使用還是維修養(yǎng)護(hù)中，都需要采用科學(xué)的方法進(jìn)行控制，才能盡量的延長(zhǎng)汽輪機(jī)的使用壽命，避免其工作效率因?yàn)殄e(cuò)誤的使用而降低。同時(shí)，建議設(shè)置脹差在線檢測(cè)系統(tǒng)，將脹差的調(diào)整原理與高科技技術(shù)相結(jié)合，及時(shí)地監(jiān)控脹差變化情況，及時(shí)地做出反應(yīng)。對(duì)于脹差的控制方式，也應(yīng)從脹差的計(jì)算公式著手理解，才能在實(shí)際應(yīng)用中做到靈活、從容地面對(duì)脹差帶來的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉敏.50MW汽輪機(jī)組起動(dòng)過程中脹差正向增大原因分析[J].通用機(jī)械，2017（10）：50-52.

[2] 張小剛.火電廠超臨界機(jī)組汽輪機(jī)脹差控制分析[J].中國(guó)高新區(qū)，2017（11X）：99.

[3] 張振宇，戚夢(mèng)瑤.600MW機(jī)組超臨界汽輪機(jī)低壓缸脹差大的原因分析及處理[J].浙江電力，2017，36（3）：59-61.

[4] 李鵬剛.1000MW機(jī)組脹差變化原因分析及控制措施[J].現(xiàn)代制造，2017（15）：20-21.