350 MW超臨界供熱機組脹差變化過程分析

謝昌亞 徐琳濤 陳凱亮 吳 昕

（華北電力科學研究院有限責任公司）

脹差是機組在啟動、停運和正常運行過程中反映汽輪機運行狀態(tài)的重要監(jiān)視參數(shù)［1］，表示的是轉(zhuǎn)子膨脹伸長值與汽缸膨脹伸長值之間的差值。脹差產(chǎn)生的根本原因是金屬的熱脹冷縮，由于轉(zhuǎn)子與汽缸在質(zhì)量、材料、質(zhì)面比及換熱過程等各方面均有所不同［2～4］，導致二者軸向膨脹長度不同，從而產(chǎn)生相對位移［5］。一般，轉(zhuǎn)子膨脹伸長值大于汽缸膨脹伸長值時，脹差為正；反之，脹差為負［6］。脹差的測量通常采用電渦流傳感器探頭［7］，其安裝位置與機組滑銷系統(tǒng)和膨脹方向有關(guān)，根據(jù)汽輪機形式可分為高壓缸脹差、中壓缸脹差和低壓缸脹差。為防止級間動葉和靜葉相對位移過大，導致動靜葉碰磨、機組損壞［8，9］，在ETS系統(tǒng)設(shè)置脹差保護［10］，當脹差值大于報警值或跳機值時，系統(tǒng)發(fā)出報警和停機指令。通常，機組運行時監(jiān)視的脹差值是汽輪機死點至測量點轉(zhuǎn)子與汽缸膨脹的差值，但該值并不能直接反映機組各級動葉與靜葉之間實際的軸向間隙［11］。文獻［12］指出，在異常情況下可能會出現(xiàn)脹差值還未大于機組給定的跳機值時動、靜葉之間就已經(jīng)產(chǎn)生碰磨的情況，出現(xiàn)這種情況的原因可能是脹差跳機值偏大或轉(zhuǎn)子膨脹不均、軸向間隙小的部位脹差過大。根據(jù)脹差測點的安裝位置，監(jiān)視的脹差值一般是轉(zhuǎn)子與汽缸膨脹差值的最大值，但由于泊松效應的影響，轉(zhuǎn)子在惰走過程中會繼續(xù)伸長，因此給定的脹差跳機值應滿足：脹差保護觸發(fā)后機組惰走過程中，動、靜葉之間不會發(fā)生碰磨。制造廠計算給定的脹差跳機值一般考慮了安全裕量，從保護機組安全的角度出發(fā)，脹差跳機值會偏小一些。但如果脹差跳機值過小，會出現(xiàn)兩種情況：一是各級動、靜葉之間間隙滿足運行條件，但脹差保護已經(jīng)觸發(fā)造成機組停機；二是由于其他原因停機，惰走過程中脹差繼續(xù)增大并超過報警值或跳機值，造成機組無法再次掛閘快速啟動。如此，脹差便失去監(jiān)測報警的意義，并且不利于機組運行?？梢?，合理的脹差跳機值應具備監(jiān)測報警、指導機組運行和保護機組安全的作用。

在此，筆者以某新建350 MW超臨界供熱機組為例，對調(diào)試期間機組典型工況的脹差變化過程進行分析，介紹低壓缸脹差跳機值過小的問題，希望對同類型機組的運行和調(diào)試工作提供一定的借鑒意義。

1 機組滑銷系統(tǒng)

某350 MW超臨界供熱機組采用的是C359/284-24.2/0.4/569/569型超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、單軸、抽凝式汽輪機。如圖1所示，該機組共設(shè)置6個支撐軸承，其中高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子各設(shè)置2個支撐軸承；高中壓轉(zhuǎn)子前后軸承為落地式可傾瓦軸承，分別安裝在前軸承箱和中低壓軸承箱內(nèi)，低壓轉(zhuǎn)子前后軸承為座缸式橢圓軸承，推力軸承安裝在中低壓軸承箱內(nèi)，位于2#與3#軸承之間。整個汽輪機靜子通過橫鍵相對于基礎(chǔ)保持兩個絕對死點，一個在中低壓軸承箱基架上2#軸承中心線后609 mm處，另一個在低壓缸左右兩側(cè)基架上低壓進汽中心線前203 mm處。機組啟動時，高中壓缸、前軸承箱向前膨脹，低壓缸向前后兩個方向膨脹。高壓內(nèi)缸相對于外缸的死點在高壓進汽中心線后255 mm處，低壓內(nèi)缸相對于低壓外缸的死點在低壓進汽中心線處，高低壓內(nèi)缸分別由死點向前后兩個方向膨脹。汽輪機轉(zhuǎn)子相對于靜子的固定點，即轉(zhuǎn)子的相對死點，在中低壓軸承箱內(nèi)推力軸承處，機組啟動時，高中壓轉(zhuǎn)子由此處向調(diào)閥端膨脹，低壓轉(zhuǎn)子由此處向電機端膨脹。高中壓脹差探頭安裝在前軸承箱內(nèi)，低壓脹差探頭安裝在低壓缸后軸承箱內(nèi)。

2 典型工況脹差變化過程

2.1 機組投軸封、高壓缸倒暖

圖2是首次啟動前，機組投軸封、后缸噴水和高壓缸倒暖時的脹差變化曲線。可以看出，4時21分軸封系統(tǒng)開始暖管，機組逐漸投入軸封，然后高中壓脹差和低壓脹差均有明顯上漲，這是由于汽輪機軸封體處的轉(zhuǎn)子受熱伸長而缸體并沒有明顯加熱所致［13］。根據(jù)以往的調(diào)試經(jīng)驗，同類型機組存在后缸噴水對低壓缸前、后軸封體溫度影響較大的問題，投入后缸噴水后低壓缸前、后軸封體溫度會劇烈下降，導致機組振動出現(xiàn)異常。為掌握本機組在該問題上的表現(xiàn)特性，在機組啟動之前進行了試驗，9時20分后缸噴水尚未投入，低壓缸前后軸封溫度分別為147℃和145℃，9時30分打開后缸噴水調(diào)閥至50%，閥后噴水壓力0.26 MPa，9時36分低壓缸前后軸封溫度分別降至99.8℃和100.0℃。從圖2可以看出，投入后缸噴水后，由于低壓前后軸封體溫度降低，低壓脹差下降較為明顯，為控制低壓脹差，在試驗后并沒有完全退出后缸噴水，而是將噴水調(diào)閥關(guān)至20%，低壓缸前、后軸封溫度逐漸上漲至125℃和129℃，低壓脹差隨后開始緩慢上漲。投入高壓缸倒暖后，高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級溫度逐漸上漲，高中壓脹差、低壓脹差總體呈緩慢上漲趨勢。綜上所述，本機組低壓脹差對軸封溫度反應比較敏感，當?shù)蛪好洸钸^大時，可通過減小低壓軸封溫度來進行調(diào)整，當機組振動無異常時，可控制低壓軸封溫度在允許范圍120～170℃的下限。

圖2 機組投軸封、后缸噴水和高壓缸倒暖時的脹差變化曲線

2.2 冷態(tài)啟動

汽輪機轉(zhuǎn)子在沖轉(zhuǎn)時由于高速轉(zhuǎn)動，與蒸汽之間的對流換熱系數(shù)較大，與汽缸相比，轉(zhuǎn)子對溫度的變化更為敏感，汽缸對蒸汽溫度變化的反應較為滯后，因此在沖轉(zhuǎn)過程中蒸汽溫度對脹差的影響較大，并且為了減小冷態(tài)啟動時轉(zhuǎn)子所受的熱應力，一般選擇低壓微過熱蒸汽來降低轉(zhuǎn)子表面與轉(zhuǎn)子中心的溫差［14］。

為控制脹差，本機組在冷態(tài)啟動期間嚴格控制蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定性，主蒸汽保持在4.5 MPa、380℃左右，再熱蒸汽保持在0.6 MPa、350℃左右，機組從沖轉(zhuǎn)至定速3 000 r/min的過程中并沒有發(fā)生由于蒸汽溫度波動導致的脹差異常問題。圖3是冷態(tài)沖車過程中的脹差變化曲線，可以看出，當日23時56分機組定速500 r/min，進行打閘摩檢，摩檢完成后繼續(xù)掛閘升速，次日0時24分機組定速1 500 r/min進行中速暖機。1時52分中速暖機結(jié)束后機組繼續(xù)升速，2時16分機組首次定速3 000 r/min。由于定速后機組振動緩慢上漲，3時4分4#瓦x向振動上漲至141μm，y向振動上漲至96μm，5#瓦x向振動上漲至156μm，y向振動上漲至69μm，機組打閘降速至1 500 r/min并繼續(xù)暖機，4時3分機組升速，4時10分機組定速3 000 r/min，各瓦振動正常穩(wěn)定，從脹差隨機組轉(zhuǎn)速的變化曲線可以看出，本機組低壓脹差和高中壓脹差受泊松效應的影響比較明顯，尤其是低壓脹差，從1 500 r/min升速至3 000 r/min的過程中，低壓脹差下降了1.8 mm；降速過程中，低壓脹差上漲了1.8 mm。當機組定速后，高中壓脹差、低壓脹差逐漸緩慢上漲。

圖3 冷態(tài)沖車過程中的脹差變化曲線

2.3 熱態(tài)和極熱態(tài)啟動

由于噴嘴至動葉比動葉至噴嘴的距離更近，所以負脹差相對于正脹差來說更加危險［15］，因此機組在熱態(tài)和極熱態(tài)啟動過程中，蒸汽溫度和軸封溫度的選擇尤為重要，要避免因溫度過低，導致對汽輪機轉(zhuǎn)子進行冷卻，從而產(chǎn)生較大的負脹差。圖4是機組熱態(tài)啟動脹差變化曲線。熱態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)前，主蒸汽溫度477℃、壓力6.60 MPa，再熱蒸汽溫度489℃、壓力0.78 MPa，高中壓脹差1.1 mm，低壓脹差4.7 mm，調(diào)節(jié)級后內(nèi)缸內(nèi)壁上半溫度397℃、下半溫度399℃，中壓進汽腔室內(nèi)壁溫度377℃。從圖4可以看出，隨著機組升速，在泊松效應的影響下，高中壓脹差和低壓脹差均有明顯下降，由于蒸汽溫度較高，沒有對轉(zhuǎn)子造成冷卻，脹差并未出現(xiàn)負值，若此時蒸汽溫度過低，則極有可能出現(xiàn)較大的負脹差，威脅機組安全。在機組并網(wǎng)瞬間，由于機組進汽量突然增加，導致軸向推力突增，整個轉(zhuǎn)子向電機端有位移。從圖4可以看出，并網(wǎng)瞬間軸位移有明顯上漲，造成高中壓脹差和低壓脹差產(chǎn)生相反方向的輕微變化。極熱態(tài)啟動脹差變化過程（圖5）與熱態(tài)啟動基本一致，在此不再贅述。

圖4 熱態(tài)啟動脹差變化曲線

圖5 極熱態(tài)啟動脹差變化曲線

2.4 甩負荷試驗

大型發(fā)電機組甩負荷試驗是檢驗機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的重要試驗，也是考核配套設(shè)備動態(tài)調(diào)節(jié)性能最直接的手段。甩負荷試驗對脹差變化的影響主要是通過影響軸位移實現(xiàn)的。圖6、7分別是甩50%負荷和甩100%負荷試驗過程脹差變化曲線。甩負荷瞬間調(diào)節(jié)汽閥全關(guān)、機組不進汽，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后機組進汽量比帶負荷時大幅減少，機組軸位移變小，低壓脹差下降、高中壓脹差上漲。試驗完成機組打閘后，在泊松效應的影響下，高中壓脹差和低壓脹差均逐漸上漲。

圖6 甩50%負荷試驗脹差變化曲線

圖7 甩100%負荷試驗脹差變化曲線

3 存在的問題

筆者針對低壓脹差報警值、跳機值偏小的問題進行分析。

廠商原給定低壓脹差報警值和跳機值分別為6.3、6.8 mm，在整套系統(tǒng)啟動調(diào)試期間，隨著轉(zhuǎn)子與汽缸不斷被加熱，機組熱膨脹不斷發(fā)展，低壓脹差大致穩(wěn)定在5.9～6.2 mm之間，基本符合設(shè)計值5.9 mm的要求。由于低壓轉(zhuǎn)子受泊松效應影響較大，機組在跳閘停機后低壓脹差快速上漲并依次超過報警值和跳機值，同時由于DEH系統(tǒng)脹差超過報警值時不滿足掛閘條件，造成機組無法再次掛閘，還需等待低壓脹差下降至報警值以下時才能掛閘，導致機組不能快速啟動。如圖8所示，15時0分，機組正在進行協(xié)調(diào)變負荷試驗，汽輪機跳閘，首出“鍋爐MFT”，后查明原因為一次風機動葉機械結(jié)構(gòu)故障造成鍋爐負壓波動過大。汽輪機跳閘前低壓脹差5.8 mm，跳閘瞬間由于軸位移的變化低壓脹差降至5.5 mm左右，而后隨著機組轉(zhuǎn)速降低，低壓脹差快速上漲，最高至7.58 mm，此時機組轉(zhuǎn)速在1 125 r/min左右。泊松效應的作用釋放完畢后，轉(zhuǎn)子冷卻縮短，低壓脹差開始緩慢下降，機組轉(zhuǎn)速降至0時，低壓脹差降至6.8 mm。針對上述現(xiàn)象，廠商設(shè)計人員重新核算機組低壓脹差，將低壓脹差報警值和跳機值分別修正為7.5 mm和8.0 mm，由于低壓脹差量程為-6～8 mm，經(jīng)商議決定將低壓脹差跳機值設(shè)置為7.7 mm，報警值設(shè)置為7.2 mm。

圖8 惰走過程1脹差變化曲線

盡管提高了低壓脹差報警值和跳機值，但在之后的一次機組跳閘惰走過程中，低壓脹差仍超限。如圖9所示，7時50分，機組準備進行低負荷穩(wěn)燃試驗，負荷降至140 MW，低壓脹差6.2 mm、高中壓脹差5.6 mm；7時51分汽輪機跳閘，首出“鍋爐MFT”，跳閘后各閥門關(guān)閉正常，潤滑油泵聯(lián)啟正常，惰走過程中低壓脹差快速上漲，通過開啟后缸噴水和低壓軸封減溫水降低軸封溫度、提高機組背壓來控制上漲趨勢，轉(zhuǎn)速惰走至1 200 r/min時，低壓脹差最高上漲至7.9 mm，隨后開始下降。受現(xiàn)場條件限制，之后并沒有對低壓脹差跳機值做進一步修改，也沒有檢查探頭零位設(shè)置是否有問題。在機組168 h試運結(jié)束后，需針對該問題做進一步檢查。

圖9 惰走過程2脹差變化曲線

4 結(jié)論

4.1 軸封溫度對本機組低壓脹差影響較為明顯，冷態(tài)啟動時，為減小低壓脹差可盡量控制軸封溫度在允許范圍120～170℃的下限；熱態(tài)啟動時，要避免軸封溫度過低對軸封體處的轉(zhuǎn)子造成冷卻，產(chǎn)生負脹差。

4.2 整個調(diào)試期間，主再熱蒸汽參數(shù)選取合理且控制穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)因溫度異常造成機組脹差異常的問題。

4.3 甩負荷試驗期間，機組脹差變化不明顯；脫網(wǎng)瞬間，因為軸位移的變化，高中壓脹差和低壓脹差向相反方向有輕微變化。

4.4 低壓脹差受泊松效應影響比較明顯，在機組惰走過程中最大可增加2 mm，并超過低壓脹差報警值和跳機值，對機組運行產(chǎn)生較大影響，在提高低壓脹差報警值和跳機值后，并沒有根本解決該問題。受現(xiàn)場條件限制，沒有進一步進行檢查，后續(xù)應對低壓脹差安裝零位進行檢查校準，并重新核算低壓脹差跳機值的安全裕量，確保機組穩(wěn)定安全運行。