淺議高壓抽汽背壓式汽輪機的熱變形

摘 ? 要：高壓抽汽背壓式汽輪機的熱變形，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變形對汽輪機運行的影響。

關(guān)鍵詞：汽輪機的熱膨脹;汽輪機的熱變形;溫差;轉(zhuǎn)子的熱彎曲

汽輪機是以具有一定溫度和壓力的蒸汽為工質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽賹⒄羝膭幽苻D(zhuǎn)為機械能的動力機械，具有功率大、轉(zhuǎn)速高、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、經(jīng)濟和使用壽命長等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是中小型高壓抽背式汽輪機（50～100 MW）廣泛用于有生產(chǎn)需求的自備電廠，具有投資小、收益高、高效經(jīng)濟等特點。十九大之后，我國經(jīng)濟發(fā)展由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量增長，燃燒介質(zhì)一般以煤為燃料的中小型自備熱電廠，大多以抽汽背壓式汽輪機作原動機，發(fā)電量占總發(fā)電量的80%左右。隨著環(huán)保要求的提高，小型機組（50 MW以下）逐漸被淘汰。然而，由于機組在運行、維護、檢修、改造的過程中存在一些隱患，時常發(fā)生汽輪機熱變形、轉(zhuǎn)子的熱彎曲事故，給企業(yè)和社會造成損失[1-2]。

1 ? ?具體案例分析

2012年12月5日，鹽城某自備電廠1#機組C級檢修結(jié)束再次啟動后，1#機于12月6日10時35分開始沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)速率為200 r/min，10時40分機組沖轉(zhuǎn)至500 r/min，初步檢查無異常。11時05分升速至1 200 r/min，中速暖機，經(jīng)汽機人員與電氣人員檢查無異常。11時15分開啟高壓缸倒暖11#、12#電動門，高壓缸進行暖缸。11時26分，汽機班長吳某令副操周某開高壓缸法蘭加熱進汽手動門及中高壓缸法蘭加熱器疏水一二次門，操作完后報告了班長。11時45分，高壓缸脹差由11時的0.8 mm上升至1.5 mm，班長吳某開啟高壓缸法蘭加熱電動門，投入高壓缸法蘭加熱。11時51分，發(fā)現(xiàn)中壓缸下部金屬溫度高于上部金屬溫度55 ℃，班長令主操王某就地檢查高中壓缸及本體疏水門，無異常，經(jīng)分析，認(rèn)為溫度測點有問題，立即聯(lián)系熱工處理，12時35分，測點處理完畢，此時中壓缸法蘭加熱裝置恢復(fù)正常。12時46分，投中壓缸法蘭加熱裝置。13時13分，主操李某在盤上發(fā)現(xiàn)1#機2瓦水平振動及大軸偏心率增大，報告班長。13時25分班長就地測量，2#瓦振動達12絲，就地聲音明顯異常，立即緊急停機。15時38分，1#機轉(zhuǎn)速到0，停軸加風(fēng)機，切換油泵后投盤車，此時轉(zhuǎn)子偏心率超出500 μm，汽機悶缸，連盤。15時55～59分，轉(zhuǎn)子偏心率降至75 μm左右，又逐漸增大到280 μm并趨向穩(wěn)定，連盤。后經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)討論決定：鑒于32 h的連盤后，轉(zhuǎn)子偏心率沒有變小，改電動盤車為手動盤車（0.5 h手盤180 ℃進行轉(zhuǎn)子調(diào)直）。8日11時30分～13時，3次手盤待轉(zhuǎn)子偏心率下降后，改投電動盤車，轉(zhuǎn)子偏心率升高至260 μm，9日15時45分，高壓缸上部溫度達135 ℃，停盤車后開始做揭缸檢查工作，發(fā)現(xiàn)軸瓦磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子熱彎曲變形。

2 ? ?現(xiàn)狀

公司現(xiàn)有兩臺25 MW的國標(biāo)武漢單缸汽輪機和一臺18 MW的非國標(biāo)武漢單缸汽輪機，都是高壓抽汽背壓式機組，是集團的能源供熱供電中心。抽汽背壓式汽輪機是從汽輪機的中間級抽取部分蒸汽，即一抽，供需要較高壓力等級3.6 MP的熱用戶堿廠和5#線，共計160 T/H左右，汽輪機二抽主要供本廠自用汽和熱水站用汽，共計50～100 T/H，同時保持一定背壓的排汽，供需要較低壓力等級的熱用戶一、二公司和堿廠，共計430 T/H左右，全年發(fā)電量達498 000 MW，產(chǎn)汽量4 890 000 T/H，因此，確保機組全年維持安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保、經(jīng)濟運行。

3 ? ?汽輪機的熱變形

汽輪機在啟停和帶負(fù)荷過程中，由于加熱和冷卻速度不同及操作不當(dāng)所形成的溫差，除了使汽缸和轉(zhuǎn)子等產(chǎn)生熱膨脹外，還會使汽輪機產(chǎn)生熱彎曲和熱變形，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永久性彎曲，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

3.1 ?熱變形的規(guī)律

從熱變形原理可知，當(dāng)金屬部件溫度均勻上升，沿長度方向的熱膨脹也是均勻的，如圖1（a）所示。如果金屬部件受熱不均勻，兩側(cè)溫度上升不一致，當(dāng)上側(cè)溫度高于下側(cè)時，金屬件上側(cè)的膨脹量⊿L2，從而使這個金屬件向上彎曲，產(chǎn)生了熱變形，如圖1（b）所示。熱變形的規(guī)律：溫度高的一側(cè)向外凸出，溫度低的一側(cè)向內(nèi)凹進，俗稱“熱凸冷凹”。運行中必須避免熱變形的發(fā)生。

3.2 ?汽輪機的幾種熱變形

汽輪機的結(jié)構(gòu)非常不規(guī)則，在啟停過程中各個部分的加熱或冷卻速度也不相同，使得汽缸和轉(zhuǎn)子內(nèi)溫度的分布情況很不一致，易發(fā)生十分復(fù)雜的熱變形損壞設(shè)備。

3.2.1 ?汽輪機上下缸溫差引起的幾種熱變形

汽輪機在啟停過程中，上下汽缸存在著溫差，一般上缸溫度高于下缸溫度。上下缸溫差產(chǎn)生的主要原因有：

（1）上下汽缸的散熱和重量不同。下缸比上缸的重量大。此外，下缸還帶有一二抽汽、排汽、疏水等管道，因此，在同樣保溫、加熱或冷卻條件下，下缸溫度就比上缸溫度低，形成上下缸溫差。

（2）啟動時，蒸汽在汽缸內(nèi)凝結(jié)形成的疏水都經(jīng)抽排汽逆止門前疏水門排出，疏水在汽缸內(nèi)形成的水膜降低了汽缸受熱條件，較高溫度的蒸汽上升過程中加熱上缸，故上缸溫度比下缸高，最終形成了上下缸溫差。

（3）下缸的保溫材料因自身重量，容易脫落導(dǎo)致下缸保溫不佳，使其保溫效果較上缸差，從而形成了上下缸溫差。

（4）下缸處于運行平臺之下，受到下面溫度較低空氣的影響，使下缸加速冷卻，形成上下缸溫差。

（5）停機后，轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下，汽缸內(nèi)殘存的蒸汽和進入的空氣，在汽缸內(nèi)形成對流流動，熱汽（氣）流凝聚在上汽缸，冷汽（氣）流和凝結(jié)的疏水在下汽缸，使上下缸的受熱和冷卻程度不一樣，形成了上下缸溫差。

（6）長時間的空負(fù)荷或低負(fù)荷運行，對只有上部高調(diào)門開啟的汽輪機，上下缸受熱不均，會使上下缸溫差逐漸增大。

實踐證明，上下汽缸過大的溫差就會造成汽缸向上彎曲的“拱背”熱變形，如圖2所示，但在啟動時，由于下缸加熱及調(diào)整不當(dāng)，使上下缸受熱不均勻，很有可能導(dǎo)致下汽缸溫度高于上汽缸溫度，此時汽缸可產(chǎn)生向下彎曲變形。

上下缸的最大溫差一般出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級處。通過試驗計算可知，汽輪機上下缸溫差每增加20 ℃，調(diào)節(jié)級下部徑向間隙減少0.2 mm左右。一般汽輪機隔板汽封徑向間隙比較小，正常為0.4 mm，一般不超過0.7 mm，因此，上下汽缸溫差規(guī)定不得高于35 ℃，嚴(yán)禁超過50 ℃。如果超過50 ℃，徑向間隙很可能就消失，導(dǎo)致動靜部分摩擦加大，使轉(zhuǎn)子永久彎曲變形，損壞設(shè)備甚至事故擴大化。

3.2.2 ?法蘭內(nèi)外壁溫差和汽缸內(nèi)外壁溫差引起的熱變形

由于金屬機械強度及受熱不勻等原因，汽輪機法蘭壁厚度正常都大于汽缸壁厚度，故啟動時在法蘭內(nèi)外壁會出現(xiàn)溫差，從而導(dǎo)致法蘭橫向和垂直方向的變形，引起熱變形。

（1）法蘭在水平方向的變形。

（2）法蘭在垂直方向的熱變形。

4 ? ?轉(zhuǎn)子的熱彎曲

轉(zhuǎn)子彎曲通常有兩種情況：一種是彈性彎曲，即轉(zhuǎn)子徑向受熱不均，引起轉(zhuǎn)子彎曲，溫差消失后轉(zhuǎn)子即恢復(fù)原狀;另一種是塑性彎曲，即永久性彎曲，不可恢復(fù)，通常是因為轉(zhuǎn)子徑向溫差較大時，引起較大的彎曲，溫差消失后，轉(zhuǎn)子彎曲不能消失。轉(zhuǎn)子彈性彎曲往往會引起塑性彎曲，導(dǎo)致永久性彎曲，因此，運行中應(yīng)使轉(zhuǎn)子均勻加熱或冷卻，以減小熱彎曲，避免產(chǎn)生塑性彎曲。

引起轉(zhuǎn)子彎曲的原因主要有：

（1）機組升速啟動過程中操作不當(dāng)，如轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動就向軸封送汽或抽氣管道出口電動門、逆止門、快關(guān)閥不嚴(yán)等。

（2）熱態(tài)啟動前，轉(zhuǎn)子晃動度超過極限值。

（3）停機后轉(zhuǎn)子靜止，汽缸中有蒸汽漏入或冷卻水使轉(zhuǎn)子受熱不均。

（4）停機后轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)，上下缸溫差超限使轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生溫差。

（5）上下缸法蘭內(nèi)外存在較大的溫差，在汽缸變形較大的情況下沖動轉(zhuǎn)子，使動靜部分局部發(fā)生摩擦過熱引起轉(zhuǎn)子彎曲。

（6）機組停轉(zhuǎn)后，未及時投入連盤或連盤過程中盤車電機跳閘未及時發(fā)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)子熱彎曲的數(shù)值可在一定的假設(shè)條件下，根據(jù)上下汽缸的溫差值，用公式作似計算，但得不到準(zhǔn)確的結(jié)果，故運行中通常用直接測量的辦法來求得轉(zhuǎn)子的熱彎曲值?？梢栽诟邏恨D(zhuǎn)子前軸封處或在前軸承箱中安裝千分表，通過測量轉(zhuǎn)子的晃度值來間接地得出轉(zhuǎn)子的熱彎曲最大值：

fmax=0.25fn

式中，fn—千分表所測得軸的晃度值的1/2，mm。

L—兩軸承間轉(zhuǎn)子的長度，mm。

l—千分表與軸承間的距離，mm。

5 ? ?對策

機組啟動過程中、運行時或停止后防止轉(zhuǎn)子彎曲的主要措施如下：

（1）汽輪機主蒸汽管道電動隔離門1、電動隔離門2有壓疏水門均開啟。

（2）減溫水手動隔離門、調(diào)整門關(guān)閉嚴(yán)密。

（3）1#、2#軸加水封筒加滿水后立即關(guān)閉加水門，觀察水位不超500 mm，否則打開軸加水封筒放水門，防止水從軸封加熱器倒至汽封。

（4）機組沖轉(zhuǎn)過程中應(yīng)密切監(jiān)視機組各軸承振動，軸承3個方向（水平、垂直、軸向）振動不得超過0.03 mm，特別監(jiān)視垂直振動值和異音，否則應(yīng)立即降速，待振動消除后在該轉(zhuǎn)速下暖機10～20 min，再緩慢升速。如發(fā)生強烈振動達0.08 mm保護未動作，應(yīng)立即打閘停機檢查，投入盤車連盤，查明原因消除故障后再沖轉(zhuǎn)。

（5）轉(zhuǎn)速達2 800 r/min后，應(yīng)關(guān)小電動主汽門后及自動主汽門疏水門，防止疏水量太大影響本體疏水暢通。

（6）沖轉(zhuǎn)前應(yīng)對主蒸汽管道、抽汽管道、排汽管道暖管，條件允許可采取正暖和反暖，節(jié)約時間且充分暖管。

（7）當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)定時，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視主蒸汽溫度的變化，10 min內(nèi)主蒸汽溫度上升或下降50 ℃，應(yīng)立即緊急停機。

（8）開機過程中應(yīng)加強疏水膨脹箱、低位水箱、軸封加熱器水位的監(jiān)視，防止水或冷汽倒入汽缸。

（9）停機后及時關(guān)閉電動主汽門、抽排汽電動門，立即打開向空排汽電動門同時關(guān)閉排汽電動隔離門，關(guān)閉門桿漏汽至（高壓、低壓）除氧器手動門。

（10）關(guān)閉至除氧器的抽汽電動門、疏水門、軸封供汽母管前疏水門。

（11）開啟汽缸本體、導(dǎo)汽管、主蒸汽管、抽汽管道及排汽管道各疏水門，防止水或冷汽倒入汽缸。

（12）停機轉(zhuǎn)速到0后連盤，密切監(jiān)視上下缸溫度及溫差變化。

6 ? ?結(jié)語

高壓沖擊抽背式汽輪機，當(dāng)轉(zhuǎn)子彎曲較大時，也正是汽缸拱起較大的時候，這時汽輪機動靜部分之間的徑向間隙可能逐漸消失，此時如果轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致其彎曲部位與隔板汽封摩擦加大，這不僅使汽封發(fā)生磨損，而且使轉(zhuǎn)子彎曲部分局部溫度逐漸升高，進一步加大轉(zhuǎn)子的彎曲，使得摩擦加劇，機組振動逐漸增大超限，最終發(fā)生轉(zhuǎn)子產(chǎn)生永久變形事故。因此，汽輪機在啟動前連續(xù)盤車過程中，必須測得轉(zhuǎn)子彎曲情況，其彎曲值必須在正常范圍內(nèi)方可啟動。一般規(guī)定轉(zhuǎn)子的晃度不允許超過0.05 mm（但隨著取得測晃度位置的不同，其允許值將有所變化），否則禁止啟動，不準(zhǔn)啟動的這段時間稱為“死期”。所以汽輪機應(yīng)避免“死期”，沖轉(zhuǎn)前及時投入汽輪機相關(guān)保護裝置（排汽壓力低不投），嚴(yán)禁解除相關(guān)保護，保證機組安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保、經(jīng)濟、長期運行。

[參考文獻]

[1]孫成龍.淺議高壓抽背式汽輪機的熱膨脹[J].現(xiàn)代鹽化工，2016（1）：30-32.

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