660 MW超超臨界汽輪機啟動過程脹差偏大原因分析

張迎喜

（大唐東營發(fā)電有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

某廠二期2×660 MW 超超臨界燃煤發(fā)電機組，汽輪機為CCLN660-25/600/600 超超臨界、單軸、三缸四排汽、一次中間再熱凝汽式汽輪機，汽輪機本體監(jiān)視設(shè)置有低壓缸脹差、缸脹，汽輪機設(shè)有脹差保護，報警值為+22.7 mm、-0.76 mm，跳閘值為+23.5 mm、-1.52 mm。機組啟動加熱、停運冷卻以及負荷發(fā)生變化時，汽缸和轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生熱膨脹或冷卻收縮，轉(zhuǎn)子與汽缸之間的相對膨脹差稱為脹差。脹差過大或過小，意味著汽輪機動靜部分相對間隙發(fā)生了變化，如果脹差值超過了規(guī)定值，動靜間隙消失，就會發(fā)生動靜摩擦，可能引起機組振動增大，甚至葉片斷裂、大軸彎曲等事故［1］。因此，在汽輪機啟動、停運以及發(fā)生事故過程中應(yīng)該嚴密監(jiān)視和控制高低壓缸脹差在規(guī)定的范圍內(nèi)。

1 汽輪機脹差偏大原因分析

1.1 軸封供汽溫度對脹差的影響

汽輪機掛閘沖轉(zhuǎn)前，主汽門關(guān)閉，對汽輪機本體能夠產(chǎn)生影響的只有軸封系統(tǒng)。當(dāng)汽輪機軸封投入、建立真空后，軸封蒸汽直接與轉(zhuǎn)子軸頸接觸，通過軸封齒一部分進入氣缸，一部分經(jīng)軸封回汽到軸加。

對某次冷態(tài)啟動進行分析。如圖1 所示，06：03軸封投入，機組點火升溫升壓，此時脹差為-0.344 mm，缸脹為6.364 mm，第一級金屬溫度88.159 ℃。至13：52，脹差6.505 mm，缸脹7.047 mm，第一級金屬溫度85.88 ℃，主汽溫度362 ℃，主汽壓力10.18 MPa。投入軸封抽真空后，經(jīng)過7.8 h，脹差從-0.344 mm 增加到6.505 mm，增加了6.849 mm，缸脹從6.364 mm增加到7.047 mm，增加了0.683 mm。

圖1 冷態(tài)啟動時軸封溫度對脹差的影響

因為機組未掛閘，第一級金屬溫度基本沒有變化。由此可以得出，此階段脹差、缸脹變化的主要影響因素是軸封供汽溫度。從缸脹和脹差變化的幅度看出，軸封供汽溫度對缸脹影響不大，對脹差影響明顯，即此時軸封投入對轉(zhuǎn)子軸頸加熱使轉(zhuǎn)子明顯伸長。

1.2 泊桑效應(yīng)對脹差的影響

泊桑效應(yīng)在材料力學(xué)中指一個桿件被縱向拉伸邊長的時候，其橫向?qū)挾染鸵冃　ζ啓C而言，轉(zhuǎn)子在升速的時候，受到離心力的作用，而變粗、變短，轉(zhuǎn)速下降的時候，而變細、變長［2］。

為了分析泊桑效應(yīng)對脹差的影響，分別調(diào)取了機組冷態(tài)和熱態(tài)啟動時的曲線，對汽輪機從盤車轉(zhuǎn)速至3 000 r/min 時相關(guān)參數(shù)的變化進行對比，如圖2和圖3所示。

圖2 冷態(tài)啟動時泊桑效應(yīng)對脹差的影響

圖3 溫態(tài)啟動時泊桑效應(yīng)對脹差的影響

如圖2 所示，機組冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)分為兩個階段，一階段從盤車轉(zhuǎn)速到中速暖機2 250 r/min，并進行暖機120 min；二階段中速暖機至3 000 r/min，定速。每一階段升速過程時間較短，且參數(shù)基本穩(wěn)定，可以忽略汽輪機進汽對脹差的影響。第一階段脹差由6.734 mm降至4.374 mm，減小2.36 mm。第二階段脹差由8.778 mm 降至6.602 mm，減小2.176 mm。即冷態(tài)情況下，從盤車轉(zhuǎn)速到2 250 r/min，泊桑效應(yīng)使轉(zhuǎn)子收縮2.36 mm，2 250 r/min 至3 000 r/min 泊桑效應(yīng)使轉(zhuǎn)子收縮2.176 mm。

如圖3 所示，溫態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)過程中主汽壓力、主汽溫度、真空、軸封壓力、軸封溫度基本穩(wěn)定，因為溫態(tài)啟動沒有中速暖機，從掛閘到轉(zhuǎn)速3 000 r/min，共用時46 min，從圖中曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速升高脹差成比例下降，整個升速過程脹差因泊桑效應(yīng)從5.857 mm降至0.262 mm，減小了5.519 mm。

2 機組啟動過程脹差偏大原因分析及控制措施

5月12日，3號機組停運，5月13日00：11，破壞真空、退軸封，解列輔汽。5月14日18：30，軸封暖管，軸封系統(tǒng)投入。20：45，啟動真空泵，開始抽真空。5月15日05：30蒸汽品質(zhì)合格，主汽溫度440 ℃，主汽壓力8.9 MPa，調(diào)節(jié)級金屬溫度356 ℃，汽輪機沖車。

2.1 機組啟動時脹差變化分析

1）投入軸封時脹差減小。如圖4所示，5月14日軸封投入初期脹差減小了1 mm，此時高壓軸封溫度218 ℃，低壓軸封溫度44.96 ℃，經(jīng)提高軸封壓力后，低壓軸封溫度顯示值達到88.8 ℃，此時高壓軸封溫度未變。

圖4 溫態(tài)啟動時軸封溫度對脹差的影響

原因分析：1）溫態(tài)情況下軸封供汽暖管不充分，投入軸封時有部分冷汽進入軸封系統(tǒng)，引起軸頸受冷收縮。2）軸封供汽壓力不足，低壓軸封處密封不足，真空負壓情況下將環(huán)境中冷空氣抽吸至軸頸處，引起軸頸冷卻［3］。軸封溫度顯示44.96 ℃，分析原因為低壓軸封溫度測點安裝位置在低壓缸排氣口附近，受低壓缸噴水減溫的影響，顯示失真。

2）軸封投入后脹差增加量較以往速度變緩。軸封投入后5 h僅增加0.367 mm，此時低壓軸封溫度一直顯示45 ℃，通過提高軸封壓力低壓軸封溫度顯示值至92 ℃，4 h 脹差增加1.221 mm。

原因分析：軸封壓力控制的偏小導(dǎo)致低壓軸封供汽量不足，低壓轉(zhuǎn)子軸頸加熱量不足，低壓轉(zhuǎn)子軸封部分區(qū)域可能存在抽吸冷空氣的現(xiàn)象。

3）此次沖轉(zhuǎn)前脹差值較以往機組啟動時偏小。在軸封溫度、壓力值均達到以往機組啟動值時，脹差最大到?jīng)_轉(zhuǎn)前3.83 mm，此后一直到?jīng)_車時脹差都沒有繼續(xù)增加。

原因分析：1）缸脹下降較以往停機慢。此次停機為臨停，停機前控制汽溫較高，汽輪機缸體溫度較以往停機偏高，汽缸收縮慢，缸脹到機組再次啟動時僅降至19.98 mm。2）停機后軸封退出早，轉(zhuǎn)子失去加熱源，收縮加快。因輔汽系統(tǒng)有檢修，軸封、輔汽退出時間較以往停機提前10 h。綜合缸脹減小慢、轉(zhuǎn)子收縮快，導(dǎo)致機組到啟動前脹差也沒有暖到與以往水平，為機組沖轉(zhuǎn)過程中脹差負值超報警值埋下了隱患。

4）升速過程中脹差隨轉(zhuǎn)速升高而下降。如圖5所示，汽機掛閘22 min 內(nèi)沖轉(zhuǎn)至2 250 r/min，脹差減小至1.128 mm，轉(zhuǎn)速由2250 r/min 至2 900 r/min，脹差下降至-0.953 mm，經(jīng)暖機后，轉(zhuǎn)速由2 900 r/min 沖至3 000 r/min，脹差由-0.511mm降至-0.755 mm。

圖5 溫態(tài)啟動時泊桑效應(yīng)對脹差的影響

原因分析：沖轉(zhuǎn)時主汽溫度459 ℃，調(diào)節(jié)金屬溫度356 ℃，第一級蒸汽溫度348 ℃，主蒸汽過熱度111 ℃，沖轉(zhuǎn)過程中主汽溫度、調(diào)節(jié)級金屬溫度及調(diào)節(jié)級蒸汽溫度基本沒有變化，對汽輪機轉(zhuǎn)子及缸體的影響忽略，脹差變化的主導(dǎo)因素為泊松效應(yīng)，3 次升速脹差分別下降了2.253 mm、2.081 mm、0.244 mm。通過曲線還可以看到轉(zhuǎn)速在900 r/min以前脹差基本沒有變化，即泊松效應(yīng)在900 r/min 以后開始影響轉(zhuǎn)子伸縮。

綜上所述，該660 MW 超超臨界一次再熱汽輪機，沖轉(zhuǎn)過程中脹差的變化主要有以下特點。

1）冷態(tài)啟動時，機組掛閘前，軸封是影響汽輪機缸脹及脹差的主要因素，且對脹差的影響顯著［4］。軸封投入7 h，脹差增加6.849 mm，缸脹增加0.683 mm。

2）在機組沖轉(zhuǎn)升速過程中，泊桑效應(yīng)是影響機組脹差的主要因素。熱態(tài)時影響5.519 mm，冷態(tài)啟動時因中速暖機的因素，泊桑效應(yīng)影響脹差4.536 mm。

3）泊桑效應(yīng)對轉(zhuǎn)子的影響在900 r/min以后才明顯顯現(xiàn)，并且明顯與轉(zhuǎn)速升速率成比例。1 000 r/min 以后，轉(zhuǎn)速平均每升高100 r/min，因泊松效應(yīng)收縮約0.25 mm。

4）汽輪機停機后，汽缸及轉(zhuǎn)子因冷卻收縮，軸封退出后轉(zhuǎn)子冷卻收縮速率明顯大于汽缸。

2.2 控制脹差偏大的應(yīng)對措施

1）合理控制沖轉(zhuǎn)參數(shù)，增加機組沖轉(zhuǎn)時進汽量。降低沖轉(zhuǎn)時主汽壓力，通過鍋爐升溫生壓時與旁路相配合維持沖轉(zhuǎn)壓力5.6～7.5 MPa。提高主汽溫度，根據(jù)汽輪機調(diào)節(jié)級金屬溫度，調(diào)整主再熱汽溫至446 ℃。降低機組背壓，在汽輪機沖轉(zhuǎn)、升速和初負荷暖機期間，維持凝汽器真空在85～88 kPa。高加、低加隨機組沖轉(zhuǎn)及時投入，亦能增加汽輪機進氣量，有利于汽輪機暖機。

2）選擇合適的軸封供汽溫度［5］。調(diào)整軸封供汽汽源，提高軸封供汽溫度、壓力，將軸封供汽壓力由28 kPa 提高至40 kPa，低壓軸封溫度提高了40 ℃后，脹差明顯增加。

3）合理安排軸封投退時間。針對本類形式的汽輪機，如果是短時間停機，汽輪機可以保持軸封、真空系統(tǒng)連續(xù)投入，減緩轉(zhuǎn)子收縮。機組檢修后啟動前脹差偏小時，應(yīng)將投軸封、抽真空時間提前。

4）汽輪機沖轉(zhuǎn)時，充分考慮泊桑效應(yīng)對脹差的影響。根據(jù)機組特點，從盤車轉(zhuǎn)速至3 000 r/min，泊桑效應(yīng)使脹差減小5.5 mm，機組設(shè)置的脹差報警值為-0.76 mm，跳閘值為-1.52 mm，應(yīng)保證在沖轉(zhuǎn)前機組脹差在4.7 mm以上，否則應(yīng)在中速暖機時增加暖機時間。本次為溫態(tài)啟動，不需要中速暖機，但為了保證脹差裕度并避開臨界轉(zhuǎn)速，在中速暖機6 min，并在2 900 r/min 暖機24 min，避免了脹差負值大停機的發(fā)生。

3 結(jié)語

針對某660 MW 超超臨界汽輪機在啟動過程中遇到負脹差超報警值而影響機組正常啟動的問題，通過對機組多次啟動過程中脹差變化的對比、分析，找出了汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中影響機組脹差變化的主要因素并制定了相應(yīng)的控制措施，機組啟動時脹差超限問題得以解決。