提高汽缸壽命保證汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的措施

胡 楊，張 龍，吳 磊

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司熱電廠，遼寧沈陽(yáng) 111003）

0 引言

汽輪機(jī)在運(yùn)行期間可以將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以此為相關(guān)設(shè)備提供運(yùn)行動(dòng)力，因此被廣泛應(yīng)用到電站中，能夠全面促進(jìn)熱電廠的經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展。某熱電廠現(xiàn)有8 臺(tái)汽輪機(jī)，均帶動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，此外汽輪機(jī)將抽汽或背壓排汽輸送至熱力管網(wǎng)以及冬季采暖，在實(shí)際生產(chǎn)期間可以按照環(huán)境與需求不同選擇對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方式。在熱電廠中，汽輪機(jī)具備重要作用，運(yùn)行質(zhì)量會(huì)極大影響生產(chǎn)效益，因此必須維護(hù)汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 汽缸與汽輪機(jī)

在汽輪機(jī)運(yùn)行期間汽缸具備重要作用，能夠有效隔離汽輪機(jī)通流與大氣，確保蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)做功，還能夠支持汽輪機(jī)汽封套、噴嘴室和隔板等靜止部位的運(yùn)行，還能夠承受徑向溫度以及汽缸軸向不均勻分布所導(dǎo)致的熱應(yīng)力。所以必須深入分析和討論延長(zhǎng)汽缸壽命的有效措施。

2 汽缸裂紋變形原因

從大量實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚩闯?，?dǎo)致汽缸出現(xiàn)裂紋和變形的原因主要是由于應(yīng)力變化所致，在運(yùn)行過(guò)程中汽缸應(yīng)力變化的原因如下。

（1）蒸汽參數(shù)變化大于預(yù)設(shè)值。汽缸反復(fù)多次承受冷熱交替運(yùn)行方式，法蘭內(nèi)壁與外壁之間存在溫度差，應(yīng)力大于薄弱點(diǎn)強(qiáng)度，容易發(fā)生疲勞裂紋現(xiàn)象。在負(fù)荷減低時(shí)，蒸汽參數(shù)存在較大變化，此時(shí)汽缸內(nèi)會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而引發(fā)負(fù)脹差，持續(xù)減小軸向間隙，動(dòng)靜部件摩擦過(guò)大而產(chǎn)生損壞影響。

（2）過(guò)快啟動(dòng)暖機(jī)，負(fù)荷變化控制不當(dāng)。暖機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；熱態(tài)啟動(dòng)操作不合理，會(huì)加大汽缸上溫度與下溫度差值。汽輪機(jī)長(zhǎng)期處于空負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，蒸汽節(jié)流，減少蒸汽流量進(jìn)入量，引發(fā)鼓風(fēng)摩擦。

（3）長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)引發(fā)應(yīng)力大于疲勞極限值。汽缸材料存在缺陷問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致汽缸內(nèi)部應(yīng)力比較大，運(yùn)行方式不合理會(huì)加大應(yīng)力，葉片斷裂所產(chǎn)生的強(qiáng)力會(huì)對(duì)汽缸產(chǎn)生沖擊力。

3 冷態(tài)啟動(dòng)與停機(jī)時(shí)的應(yīng)力變化

3.1 冷態(tài)啟動(dòng)應(yīng)力變化

在啟動(dòng)冷態(tài)時(shí)，內(nèi)壁溫度會(huì)顯著高于外壁溫度，此時(shí)內(nèi)壁遭受熱壓應(yīng)力。盡管受到工作蒸汽會(huì)引發(fā)拉應(yīng)力，但是熱壓應(yīng)力會(huì)顯著大于拉應(yīng)力，在熱壓力最大時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壁出現(xiàn)塑性變形問(wèn)題，在溫度均勻之后會(huì)殘留拉應(yīng)力，此時(shí)外壁表面會(huì)承受拉伸應(yīng)力。通過(guò)公式（1）可以計(jì)算汽缸壁表面熱應(yīng)力。在計(jì)算汽缸壁外熱應(yīng)力時(shí)可以應(yīng)用公式（2）。

式中 μ——泊桑比

a——線脹系數(shù)

E——彈性模數(shù)

Δt——汽缸外壁與內(nèi)壁的溫度差

3.2 停機(jī)時(shí)的應(yīng)力變化

在停機(jī)狀態(tài)下，汽缸受到冷卻內(nèi)壁溫度比外壁溫度低，此時(shí)內(nèi)壁會(huì)受到熱拉應(yīng)力和靜拉應(yīng)力影響，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力強(qiáng)度顯著加大，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。當(dāng)汽缸內(nèi)壁快速冷卻時(shí)，產(chǎn)生的拉應(yīng)力比外壁拉應(yīng)力大。

通過(guò)上述分析能夠看出，在啟動(dòng)汽缸冷態(tài)會(huì)受到壓應(yīng)力，在停機(jī)狀態(tài)下會(huì)受到拉應(yīng)力。當(dāng)金屬材料多次反復(fù)遭受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力交互作用，極易超過(guò)疲勞強(qiáng)度，此時(shí)就會(huì)提升疲勞斷裂發(fā)生率。從有限壽命疲勞極限與循環(huán)次數(shù)關(guān)系（圖1）可以看出，循環(huán)次數(shù)小于循環(huán)基數(shù)時(shí)，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，會(huì)影響降低疲勞極限。即循環(huán)次數(shù)的增加，會(huì)使材料發(fā)生斷裂問(wèn)題。

4 汽缸變形裂紋危害性分析

4.1 主汽溫度過(guò)高所致變形問(wèn)題

汽輪機(jī)主汽溫度比較高時(shí)，極易導(dǎo)致汽缸變形，還會(huì)持續(xù)惡化金屬的性能，導(dǎo)致金屬出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，縮短各部件使用壽命。汽輪機(jī)運(yùn)行期間如果出現(xiàn)汽溫驟降，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形現(xiàn)象。金屬部件在遭受冷卻影響之后會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，特別是轉(zhuǎn)子收縮程度，顯著加大汽缸脹差負(fù)值，導(dǎo)致動(dòng)靜部分出現(xiàn)嚴(yán)重摩擦，還會(huì)加大葉片負(fù)荷，導(dǎo)致其出現(xiàn)水蝕問(wèn)題。汽缸壓力比較高時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)葉片會(huì)出現(xiàn)大負(fù)荷情況，相應(yīng)增加各部件內(nèi)應(yīng)力，還會(huì)加大法蘭螺栓和汽缸法蘭之間的承受應(yīng)力，縮短汽缸運(yùn)行壽命，對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行造成極大影響。

圖1 有限壽命疲勞極限與循環(huán)次數(shù)關(guān)系

4.2 汽輪機(jī)啟動(dòng)，停機(jī)和負(fù)荷變化所致危害

汽輪機(jī)啟動(dòng)，停機(jī)和負(fù)荷變化狀態(tài)下，不同金屬部件均處于不穩(wěn)定傳熱狀態(tài)，此時(shí)若沒(méi)有進(jìn)行合理控制，將會(huì)導(dǎo)致汽缸橫截面產(chǎn)生溫度差，由此引發(fā)熱變形和熱應(yīng)力問(wèn)題。在汽缸下部設(shè)置疏水管道或回?zé)嵴羝艿?，散熱面積比較大。同條件下上缸溫度會(huì)顯著高于下缸溫度，此時(shí)上汽缸會(huì)向上供起，產(chǎn)生拱背現(xiàn)象。若汽缸與轉(zhuǎn)子之間存在較大撓曲度，將會(huì)導(dǎo)致下缸底部通流部分動(dòng)靜部件的徑向間隙消失，動(dòng)靜部件間的摩擦擴(kuò)大了汽封徑向間隙，降低汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)靜部件之間的摩擦也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生大軸彎曲問(wèn)題。

4.3 法蘭內(nèi)部溫度過(guò)高所致危害

在汽缸法蘭內(nèi)壁溫度比外部溫度高時(shí)，內(nèi)部金屬會(huì)出現(xiàn)較多伸長(zhǎng)情況，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致法蘭水平面出現(xiàn)熱彎曲。汽缸中部橫截面會(huì)變?yōu)榱E圓，相應(yīng)出現(xiàn)內(nèi)張口，導(dǎo)致水平側(cè)動(dòng)靜部件徑向間隙縮??；前后橫截面會(huì)從變?yōu)闄M橢圓，此時(shí)法蘭結(jié)合面會(huì)產(chǎn)生外張口，導(dǎo)致垂直側(cè)動(dòng)靜部件徑向間隙縮小。在停機(jī)冷卻期間，汽輪機(jī)會(huì)產(chǎn)生反變形，此時(shí)汽缸中段橫截面會(huì)轉(zhuǎn)為橫橢圓，導(dǎo)致前后橫截面變?yōu)榱E圓。以上問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜部件出現(xiàn)嚴(yán)重摩擦問(wèn)題。

5 提升汽缸壽命，維護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的有效措施

5.1 進(jìn)汽參數(shù)控制措施

汽輪機(jī)操作人員必須按照生產(chǎn)廠家和材料對(duì)進(jìn)汽參數(shù)進(jìn)行控制，確保汽壓符合廠家技術(shù)要求中規(guī)定的壓力、溫度，禁止汽輪機(jī)長(zhǎng)期處于高汽壓和汽溫條件下運(yùn)行。汽輪機(jī)啟動(dòng)與停機(jī)時(shí)必須嚴(yán)格控制內(nèi)壁與外壁溫度差，避免出現(xiàn)溫度驟然升高或降低。負(fù)荷變化趨于穩(wěn)定降低汽缸與轉(zhuǎn)子之間的溫度差，確保不同部件能夠均勻加熱，將振動(dòng)、脹差與熱變形控制在合理范圍內(nèi)，防止對(duì)汽缸造成損壞影響，進(jìn)而對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性造成影響。

5.2 控制進(jìn)汽與排汽溫度

采用全周進(jìn)氣方式啟動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)，必須控制排汽溫度，高于80 ℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)開(kāi)啟后汽缸噴霧降溫，嚴(yán)禁后汽缸超過(guò)120 ℃運(yùn)行。在啟動(dòng)熱態(tài)時(shí)應(yīng)當(dāng)確保進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽溫度比上缸溫度高，差值在65 ℃，防止內(nèi)壁產(chǎn)生比較大的熱拉應(yīng)力。隨著升速持續(xù)進(jìn)行下，傳動(dòng)轉(zhuǎn)子會(huì)受到熱壓應(yīng)力影響，提升機(jī)組疲勞度，導(dǎo)致運(yùn)行壽命遭受影響。在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力交互作用下，汽缸極易產(chǎn)生裂紋問(wèn)題，還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致動(dòng)靜摩擦問(wèn)題出現(xiàn)。為了達(dá)到汽缸溫度所對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)啟動(dòng)參數(shù)值，防止部件在高狀態(tài)下出現(xiàn)急速冷卻問(wèn)題，此時(shí)就合理匹配金屬溫度和蒸汽溫度，還能夠降低熱態(tài)啟動(dòng)。在生產(chǎn)運(yùn)行期間還應(yīng)當(dāng)確保高低壓加熱器溫度差隨著汽缸機(jī)啟動(dòng)而減少，在啟動(dòng)期間確保汽缸排水效果，禁止出現(xiàn)積水問(wèn)題。對(duì)于下汽缸則需要應(yīng)用保溫結(jié)構(gòu)性能良好的材料。

5.3 汽缸內(nèi)外壁溫度差控制

如果汽缸內(nèi)壁溫度變化幅度比較大，則汽缸內(nèi)壁與外壁之間的溫度差也會(huì)越大，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力。汽缸內(nèi)壁溫度變化率情況會(huì)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化造成影響，也會(huì)進(jìn)一步影響汽輪機(jī)啟動(dòng)速度和停機(jī)速度。在生產(chǎn)運(yùn)行期間，汽缸壁與法蘭過(guò)渡位置極易產(chǎn)生最大溫度差，因此在啟動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)，必須對(duì)蒸汽溫度變化情況進(jìn)行嚴(yán)格控制。

5.4 負(fù)荷變化控制

在汽輪機(jī)運(yùn)行期間，需要對(duì)負(fù)荷變化情況進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免改變運(yùn)行狀態(tài)，并且導(dǎo)致汽缸出現(xiàn)冷熱交替影響。確?；N(xiāo)清潔度，以免出現(xiàn)卡澀問(wèn)題，影響汽缸運(yùn)行穩(wěn)定性。在運(yùn)行期間還應(yīng)當(dāng)對(duì)汽缸膨脹情況進(jìn)行監(jiān)視和檢查，注重檢測(cè)機(jī)組振動(dòng)情況，及時(shí)處理異常振動(dòng)和異常響動(dòng)情況。通過(guò)有效措施確保汽缸周邊受熱均勻，當(dāng)使用旁路門(mén)啟動(dòng)方式時(shí)，必須確保負(fù)荷效果的穩(wěn)定性，并且按照實(shí)際情況合理應(yīng)用變化工況方式。由于在運(yùn)行過(guò)程中，法蘭的厚度與寬度顯著高于汽缸，則法蘭內(nèi)外壁溫度差也會(huì)高于汽缸溫度差，此時(shí)就必須合理控制法蘭內(nèi)外壁溫度差。此外，還應(yīng)當(dāng)確保汽缸保溫效果，通過(guò)應(yīng)用擋風(fēng)板和保溫層加設(shè)方式，防止冷風(fēng)直接吹向汽輪機(jī)，造成一側(cè)過(guò)度冷卻問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

此次研究主要是圍繞提高汽缸壽命保證汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行展開(kāi)討論，通過(guò)熱電廠的實(shí)踐應(yīng)用能夠看出，此次所提出的技術(shù)措施能夠確保汽輪機(jī)組需求，滿足各項(xiàng)生產(chǎn)工序需求。在實(shí)際生產(chǎn)期間，存在多種因素影響汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性，所以必須深入分析和研究汽缸變形損壞問(wèn)題，并且注重實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行期間容易產(chǎn)生的故障問(wèn)題，以此維護(hù)汽輪機(jī)的運(yùn)行效果。在現(xiàn)代化技術(shù)快速發(fā)展過(guò)程中，可以應(yīng)用微機(jī)技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制，注重技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新，以此提升汽輪機(jī)運(yùn)行效率。