核級汽輪機(jī)冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)軸向脹差估算及控制分析

孫長義，何 歐，劉安林

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院一所，四川夾江 614100）

有效監(jiān)視和控制汽輪機(jī)組脹差是汽輪機(jī)組啟停和正常運(yùn)行過程中一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。特別是結(jié)構(gòu)較為緊湊、工況變化劇烈的核動(dòng)力汽輪機(jī)組，只有將其脹差控制在合理范圍內(nèi)，才能使機(jī)組的軸向間隙保持在合理范圍，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)是核動(dòng)力裝置在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的突發(fā)機(jī)動(dòng)運(yùn)行，指的是汽輪機(jī)組由冷態(tài)停機(jī)狀態(tài)在較短時(shí)間內(nèi)（一般不超過45min）直接沖轉(zhuǎn)并達(dá)到額定負(fù)荷的狀態(tài)。由于冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)省去盤車和暖機(jī)環(huán)節(jié)，所以機(jī)組的軸向脹差增長比正常啟停時(shí)更為嚴(yán)重。針對機(jī)組的冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)過程，進(jìn)行脹差的有效估算，并據(jù)此提出合理的脹差控制手段，對核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 汽輪機(jī)的軸向熱脹特性

考慮脹差估算的需要，此處對汽輪機(jī)內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子的熱脹特性進(jìn)行簡要說明。

1.1 內(nèi)汽缸與轉(zhuǎn)子的熱脹特性

內(nèi)汽缸受熱熱脹的死點(diǎn)為正、倒車進(jìn)汽中心線與轉(zhuǎn)子軸線的交點(diǎn)，如圖1所示。

圖1中的B點(diǎn)即為汽輪機(jī)內(nèi)汽缸向機(jī)組后端熱脹死點(diǎn)。內(nèi)汽缸的整體熱脹特性是：在受熱情況下，內(nèi)汽缸一方面以B點(diǎn)為軸向熱脹死點(diǎn)，向機(jī)組后端自由熱脹，同時(shí)，在外缸及機(jī)組基座的約束下，外缸推動(dòng)內(nèi)缸向機(jī)組前端熱脹。

圖1中A點(diǎn)為轉(zhuǎn)子受熱后向軸向后端的熱脹死點(diǎn)。熱脹時(shí)，轉(zhuǎn)子一方面以A點(diǎn)為熱脹死點(diǎn)，向機(jī)組后端自由熱脹，同時(shí)，在機(jī)組后墊箱與基座的約束下，外缸與墊箱帶動(dòng)轉(zhuǎn)子向機(jī)組前端熱脹。

圖1 核動(dòng)力裝置汽輪機(jī)熱脹特性示意圖

1.2 汽輪機(jī)脹差及其危險(xiǎn)性

汽輪機(jī)在啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)或經(jīng)歷負(fù)荷變化時(shí)，汽缸和轉(zhuǎn)子都會(huì)以各自的“死點(diǎn)”為基準(zhǔn)產(chǎn)生受熱熱脹現(xiàn)象。將內(nèi)汽缸熱脹量絕對值與轉(zhuǎn)子熱脹量絕對值的差值稱為轉(zhuǎn)子沿軸向相對于汽缸的熱脹差值，簡稱脹差。當(dāng)動(dòng)靜部分之間出現(xiàn)脹差時(shí)，會(huì)使動(dòng)靜之間的軸向間隙減小。若脹差超過規(guī)定限值，則動(dòng)靜間隙消失，發(fā)生動(dòng)靜摩擦、碰撞，引發(fā)機(jī)組振動(dòng)劇增、動(dòng)葉片斷裂或大軸彎曲等嚴(yán)重運(yùn)行事故。

對于核動(dòng)力汽輪機(jī)而言，在緊急情況下，其需要在極短時(shí)間內(nèi)承受從冷態(tài)停機(jī)到熱態(tài)滿負(fù)荷的劇烈負(fù)荷變化，此時(shí)機(jī)組的軸向脹差同樣會(huì)經(jīng)歷極端變化過程，極易出現(xiàn)脹差越限的危險(xiǎn)。所以對汽輪機(jī)冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)工況下的軸向脹差進(jìn)行有效估算是極有必要的。

2 冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)軸向脹差估算

為得到冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)各熱脹段的軸向脹差量，先估算各熱脹段的軸向熱脹量。

2.1 內(nèi)缸熱脹量估算

冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，要求汽輪機(jī)短時(shí)間內(nèi)負(fù)荷從0至100%額定負(fù)荷。假設(shè)冷態(tài)情況下，內(nèi)缸缸體各部分的初始平均溫度為20℃。

內(nèi)汽缸各級部分的熱脹量，可以結(jié)合下式進(jìn)行估算[1]：

式中：ΔLni為熱脹量，mm；

政府辦公大樓智能工程施工建設(shè)需要應(yīng)用到各種技術(shù)和設(shè)備中，這些技術(shù)設(shè)備需要智能工程單位的各部門根據(jù)編制的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃表展開合理的配合。為確保這些工作得到有效的貫徹實(shí)施，需要對相關(guān)責(zé)任人做好責(zé)任要求，指定具體的責(zé)任人展開施工配合工作。

αni為線性熱脹系數(shù)，10-5mm/（mm·℃）；

ΔTni為平均溫升值，℃/min；

Lni為熱脹段長度，mm。

汽輪機(jī)內(nèi)汽缸軸向熱脹量的估算結(jié)果如圖2所示。

圖2 內(nèi)缸各區(qū)段熱脹曲線

冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)階段，由于噴嘴葉柵前后主蒸汽溫度變化量超過了30℃，加上噴嘴葉柵段受熱時(shí)間長，故熱脹量和熱脹速率都是最大的，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)約15 min時(shí)，噴嘴葉柵段的累積熱脹量達(dá)到了1.5887 mm。

2.2 轉(zhuǎn)子熱脹量估算

選取三組轉(zhuǎn)子的整體平均溫升速率對轉(zhuǎn)子熱脹進(jìn)行分析，分別為 3 ℃/min、5 ℃/min和8 ℃/min。

圖3 轉(zhuǎn)子3 ℃/min平均溫升速率下各區(qū)段熱脹曲線

2.2.1 轉(zhuǎn)子平均溫升速率3 ℃/min

轉(zhuǎn)子以3 ℃/min的平均溫升速率進(jìn)行變化時(shí)，各熱脹段熱脹量情況如圖3所示。

2.2.2 轉(zhuǎn)子平均溫升速率分別為5 ℃/min和8 ℃/min

當(dāng)轉(zhuǎn)子各段以5 ℃/min和8 ℃/min的平均溫升速率進(jìn)行變化時(shí)，轉(zhuǎn)子各段熱脹量隨時(shí)間的累積變化情況如圖4所示。

圖4 5 ℃/min及8 ℃/min溫升速率下轉(zhuǎn)子I～I(xiàn)V級動(dòng)葉區(qū)段熱脹曲線

可以看出各熱脹區(qū)段的熱脹量因?yàn)檗D(zhuǎn)子與內(nèi)汽缸溫差的縮小而相對減小。調(diào)節(jié)級區(qū)段最大累積熱脹量為1.6107 mm，后段熱脹區(qū)熱脹量最小，只有0.8061 mm。

當(dāng)轉(zhuǎn)子各段以8 ℃/min的平均溫升速率進(jìn)行變化時(shí)，轉(zhuǎn)子各級的熱脹速率明顯放緩，調(diào)節(jié)級的最大累積熱脹量降低到1.2839 mm，后段熱脹區(qū)熱脹量則只有0.5954 mm。

2.3 軸向脹差估算分析

規(guī)定汽輪機(jī)向尾端的熱脹量為正，向前端（盤車端）熱脹量為負(fù)。汽缸和轉(zhuǎn)子的實(shí)際脹差ΔL可以用下式表示：

其中，|ΔL轉(zhuǎn)|表示轉(zhuǎn)子的熱脹量絕對值，mm；|ΔL缸|表示內(nèi)汽缸熱脹量絕對值，mm。

同時(shí)，不考慮調(diào)節(jié)級前端轉(zhuǎn)子的熱脹，各級總的熱脹量的計(jì)算如下：

其中，Lti為第i熱脹段的總熱脹量，mm；L（ti-1）為第i-1熱脹段的總熱脹量，mm；Li為第i熱脹段的熱脹量。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，表1給出了部分熱脹段的脹差估算結(jié)果。

表1 冷態(tài)應(yīng)急沖轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)汽缸與轉(zhuǎn)子I～I(xiàn)V各段脹差參數(shù)表（min）

圖5分別給出了汽輪機(jī)在冷態(tài)應(yīng)急沖轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)缸與不同溫升速率下轉(zhuǎn)子各段的脹差關(guān)系曲線。

圖5 轉(zhuǎn)子在不同平均溫升速率下軸向脹差估算結(jié)果

經(jīng)過圖5及前述內(nèi)容的討論和對比分析，可得到如下結(jié)論：

①汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性決定其不同熱脹區(qū)段受熱熱脹特性差別較大；

②距離熱脹“死點(diǎn)”越遠(yuǎn)的斷面處，脹差量越大，需要的安全間隙越大；

③正車沖轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子溫升速率超過7.0～7.6 ℃/min，將出現(xiàn) “負(fù)脹差”現(xiàn)象，絕對值較大，且具有危險(xiǎn)性；

④轉(zhuǎn)子溫升速率控制在5.0 ℃/min左右時(shí)，機(jī)組脹差可被控制在0.2 mm以內(nèi)，且具有較大的脹差安全裕量。

3 冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)脹差控制分析

3.1 主蒸汽參數(shù)

由于冷態(tài)啟動(dòng)應(yīng)急沖轉(zhuǎn)無暖機(jī)過程，所以主蒸汽初始沖轉(zhuǎn)參數(shù)的選擇非常重要。據(jù)估算，轉(zhuǎn)子初始沖轉(zhuǎn)耗汽率降至額定負(fù)荷流量的60%時(shí)，轉(zhuǎn)子的平均溫升速率會(huì)下降至5.77 ℃/min。結(jié)合本文的估算過程，建議冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)的初始蒸汽流量選擇在57%～65 %RF之間，并隨著汽缸和轉(zhuǎn)子的逐步加熱緩慢提高沖轉(zhuǎn)流量，在此期間應(yīng)密切監(jiān)測機(jī)組脹差變化和機(jī)組振動(dòng)情況，確保應(yīng)急啟動(dòng)的安全。

3.2 冷凝器喉部壓力

由圖5可知，若汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)階段，冷凝器真空度降低，會(huì)使機(jī)組蒸汽流量下降，轉(zhuǎn)子受熱溫升速率減小，脹差會(huì)隨之增大；若沖轉(zhuǎn)過程冷凝器真空度調(diào)節(jié)的過高，會(huì)使蒸汽流量過大，轉(zhuǎn)子加熱明顯快于內(nèi)缸加熱速率，脹差也會(huì)增加。根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)結(jié)合估算結(jié)果，建議在汽輪機(jī)冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)階段，將冷凝器喉部壓力值控制在冷凝器的額定真空值，然后用調(diào)節(jié)噴嘴閥開度的方式調(diào)節(jié)蒸汽流量，不失為一種簡單有效的脹差控制方式。而且，對冷凝器內(nèi)部構(gòu)件的負(fù)荷沖擊及循環(huán)水流量控制要求都較低。

3.3 內(nèi)汽缸疏水及滑銷系統(tǒng)檢查

通過對大型汽輪機(jī)組脹差控制大量的文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因脹差導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)失敗或出現(xiàn)沖轉(zhuǎn)事故的機(jī)組中，約40%的機(jī)組是因?yàn)樵跊_轉(zhuǎn)前后未能保持下汽缸疏水管路的正常，或管路疏水失敗；另有約25%的機(jī)組在沖轉(zhuǎn)時(shí)因滑銷系統(tǒng)滑動(dòng)不暢或卡死造成機(jī)組熱脹不暢，沖轉(zhuǎn)時(shí)造成大軸振動(dòng)加劇甚至大軸彎曲[2-3]。

蒸汽在汽缸冷卻后會(huì)形成凝水，并聚集在內(nèi)汽缸下部，對內(nèi)汽缸下半部起到冷卻作用。凝水對下汽缸的冷卻會(huì)造成內(nèi)缸在熱脹過程中下上半缸熱脹速率不一致，下缸通過法蘭阻礙上半缸的自由熱脹，導(dǎo)致動(dòng)靜脹差變大。另外，冷卻會(huì)使內(nèi)缸下半缸收縮變形，可能造成汽封與轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜摩擦，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇，甚至造成大軸彎曲等嚴(yán)重事故。

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行人員應(yīng)提前檢查汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)的滑油輸送是否到位，主要滑銷鍵是否存在生銹或卡死問題，排除這些危險(xiǎn)因素后，方可進(jìn)行汽輪機(jī)組的沖轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)核動(dòng)力裝置主汽輪機(jī)組冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)過程中，軸向脹差的控制必要性，對汽輪機(jī)各熱脹段在不同轉(zhuǎn)子平均溫升速率下的軸向脹差量進(jìn)行了估算，得到了轉(zhuǎn)子在不同平均溫升速率下的熱脹段軸向脹差估算值，并據(jù)此分析汽輪機(jī)軸向脹差的特性。結(jié)合大型汽輪機(jī)啟停脹差控制規(guī)律，提出了核級汽輪機(jī)冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)過程中軸向脹差的控制手段和注意事項(xiàng)，對核動(dòng)力汽輪機(jī)實(shí)際的冷態(tài)應(yīng)急啟動(dòng)操作有重要指導(dǎo)意義。