李衍平

華電國(guó)際萊城發(fā)電廠 山東 萊蕪 271100

0 引言

隨著高參數(shù)、大容量汽輪發(fā)電機(jī)組的陸續(xù)投產(chǎn)，轉(zhuǎn)子軸系和汽缸的變大，在機(jī)組啟停時(shí)都會(huì)受到很大的熱應(yīng)力、發(fā)生很大的熱變形，從而產(chǎn)生脹差。如果轉(zhuǎn)子比汽缸膨脹的大，就產(chǎn)生正脹差；如果轉(zhuǎn)子小于汽缸的膨脹，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)脹差。脹差的大小反應(yīng)了汽輪機(jī)內(nèi)部級(jí)間軸向間隙的變化。如果脹差超限，級(jí)間的軸向間隙消失，汽輪機(jī)就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦，引起機(jī)組振動(dòng)，發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲的惡性事故。因此，研究和控制汽輪機(jī)啟停時(shí)脹差的變化對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

1 脹差產(chǎn)生的原因

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

金屬構(gòu)件在受熱后體積會(huì)發(fā)生膨脹，膨脹方向會(huì)隨著長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向按比例增大。具體由膨脹系數(shù)決定。另外在對(duì)流換熱中，對(duì)流換熱系數(shù)和流體流速也會(huì)對(duì)膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響［1］。高壓汽輪機(jī)從冷態(tài)到正常運(yùn)行，金屬溫度變化十分大，因此汽缸的軸向、水平和垂直方向的尺寸都會(huì)發(fā)生很大改變。

在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，高壓汽輪機(jī)的高壓缸質(zhì)量很高，而轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較輕，一般情況下，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量只有汽缸質(zhì)量的1/3到1/4，但是在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子接觸蒸汽的面積是汽缸接觸蒸汽的面積的5倍。由質(zhì)面比的定義可知，在汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子將較快的被加熱，平均溫度也升高較快，但是汽缸的平均溫度卻升高很慢，這樣在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓缸之間就會(huì)產(chǎn)生溫差，即脹差［2］。汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 脹差的計(jì)算公式

軸向相對(duì)值是由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承座之間的推力軸承確定的，汽缸貓爪下面的橫、縱銷確定了汽缸與軸承的相對(duì)位置變化范圍，推力軸承的位置就是轉(zhuǎn)子和汽缸軸向膨脹差值的相對(duì)平衡點(diǎn)。假如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)高中壓缸進(jìn)汽中心截面推力瓦的距離為l，并且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子從推力瓦面距離高中壓缸進(jìn)汽中心截面的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的平均溫升為Δt，那么汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)該截面上產(chǎn)生的的相對(duì)膨脹值為Δlz=β·Δtl，同時(shí)，高中壓缸相對(duì)該截面上產(chǎn)生的相應(yīng)膨脹值為Δlq=β·Δtlq，所以可以計(jì)算出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與高中壓缸的膨脹差值為：

圖1 汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)圖

在計(jì)算過(guò)程中我們將汽缸和轉(zhuǎn)子看成是由多段組成的，因此每段的膨脹差值可以通過(guò)其在常溫下的長(zhǎng)度和平均溫差求出，末端的膨脹差值為固定點(diǎn)到該處中間各段平膨脹差值的代數(shù)和。

1.3 脹差的允許范圍

脹差對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行影響很大，帶來(lái)的危害性也很大。不僅使汽輪機(jī)主機(jī)壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至造成機(jī)組損壞事故。為此一般汽輪機(jī)都有規(guī)定的脹差報(bào)警值、手動(dòng)停機(jī)值。如表1所示：

表1 300MW汽輪機(jī)的脹差允許范圍

2 影響脹差的因素

2.1 機(jī)組運(yùn)行工況對(duì)脹差的影響

2.1.1 冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)脹差的變化。汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)脹差總體表現(xiàn)為正脹差［3］。從沖轉(zhuǎn)到定速階段，汽缸和轉(zhuǎn)子溫度發(fā)生變化，因?yàn)檗D(zhuǎn)子加熱快，汽輪機(jī)的正脹差呈上升趨勢(shì)，對(duì)于采取中壓缸啟動(dòng)的機(jī)組，這階段脹差變化主要發(fā)生在中壓缸。低壓缸的脹差變化不但受到摩擦鼓風(fēng)熱量的影響，而且還要受到離心力影響。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入3000轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)侯，轉(zhuǎn)子和汽缸正脹差值到達(dá)最高值。

冷態(tài)沖轉(zhuǎn)時(shí)，主汽壓力一般選取4.2MPa，主汽溫選擇420℃，采用高壓缸啟動(dòng)方式，其過(guò)程為：汽輪機(jī)掛閘后，首先開(kāi)啟1、2號(hào)中聯(lián)門，輸入閥限100%后，中壓主汽門打開(kāi)，DEH選擇TV控制，輸入300r/min的升速率，1-6號(hào)高壓調(diào)門全開(kāi)，在大機(jī)轉(zhuǎn)速600r/min時(shí)進(jìn)行摩擦檢查，摩擦檢查結(jié)束后，繼續(xù)沖轉(zhuǎn)至2400r/min時(shí)進(jìn)行中速暖機(jī)。當(dāng)再熱汽溫達(dá)到260℃時(shí)，計(jì)算中速暖機(jī)時(shí)間，中速暖機(jī)一般3個(gè)小時(shí)，暖機(jī)結(jié)束后，升速到2900r/min進(jìn)行TV/GV切換，然后升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速3000r/min。整個(gè)沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程參數(shù)變化如圖2所示。

2.1.2 熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)脹差的變化。熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、高中壓缸和低壓缸的金屬溫度尚沒(méi)有冷卻下來(lái)，溫度比較高。若沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度低于汽缸溫度，則蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后對(duì)轉(zhuǎn)子和汽缸起冷卻作用，則會(huì)出現(xiàn)負(fù)脹差。尤其對(duì)極熱態(tài)啟動(dòng)，幾乎不可避免地會(huì)出現(xiàn)負(fù)脹差［4］。

2.1.3 甩負(fù)荷或正常停機(jī)時(shí)脹差的變化。當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷或正常停機(jī)時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，流過(guò)汽輪機(jī)通流部分和轉(zhuǎn)子的蒸汽溫度低于金屬溫度。轉(zhuǎn)子質(zhì)量比較小，與蒸汽接觸面積相對(duì)大，所以轉(zhuǎn)子比汽缸冷卻快，即轉(zhuǎn)子比汽缸收縮的多因而出現(xiàn)負(fù)脹差。如圖3。

圖2 沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程脹差變化情況圖

圖3 升負(fù)荷時(shí)脹差變化情況圖

滑參數(shù)停機(jī)時(shí)，隨著負(fù)荷的降低逐漸的降低，主再熱汽溫直到350℃、負(fù)荷最低時(shí)停機(jī)解列，這樣既縮短機(jī)組檢修工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

從圖4可見(jiàn)，隨著負(fù)荷的下降，主、再熱汽溫的下降，脹差也是下降的。雖然汽溫會(huì)出現(xiàn)升高的反復(fù)現(xiàn)象，但對(duì)汽缸的膨脹下降沒(méi)有影響。只要控制好汽溫的變化速率就能控制好脹差的變化。

圖4 滑參數(shù)停機(jī)時(shí)脹差變化情況圖

2.2 汽缸結(jié)構(gòu)對(duì)脹差的影響

大多數(shù)汽缸都設(shè)有水平法蘭，水平法蘭在升速過(guò)程中溫度比汽缸要低，它阻礙汽缸的膨脹，引起脹差增大。運(yùn)行中滑銷系統(tǒng)的滑動(dòng)面之間存在阻力，會(huì)引起脹差增大。由于汽缸保溫措施不完善、抽汽管道多，可能引起汽缸溫度分布不合理且偏低［5］，從而影響汽缸的膨脹不完全，使汽輪機(jī)脹差增大，汽缸疏水不暢也可能導(dǎo)致下缸疏水冷卻、溫度降低，使得汽缸膨脹受影響，從而引起上缸變形、向上拱起，致使相對(duì)脹差發(fā)生變化。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受離心力作用，使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向的變形［6］。即轉(zhuǎn)子在離心力的作用下變短、變粗，即泊松效應(yīng)。對(duì)于大容量機(jī)組，因轉(zhuǎn)子很長(zhǎng)，離心力會(huì)對(duì)脹差產(chǎn)生影響。

2.3 汽輪機(jī)初參數(shù)對(duì)脹差的影響

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，向軸封供汽時(shí)，由于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)軸封供汽溫度高于轉(zhuǎn)子溫度，轉(zhuǎn)子局部受熱而伸長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)正脹差，還可能出現(xiàn)軸封摩擦的現(xiàn)象。真空的變化會(huì)引起脹差值的改變。 當(dāng)真空降低時(shí)，為了保持機(jī)組轉(zhuǎn)速不變，必須增加進(jìn)汽量，摩擦鼓風(fēng)損失增大，因而使高壓轉(zhuǎn)子受熱加大，其正脹差值隨之增大，低壓轉(zhuǎn)子鼓風(fēng)摩擦造成的正脹差有所減少。當(dāng)真空提高時(shí)，則相反，使高壓轉(zhuǎn)子脹差減小。

3 減小脹差的措施

1）在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，主要是控制機(jī)組的正脹差，在運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)合理使用汽缸法蘭螺栓加熱裝置，使汽缸與轉(zhuǎn)子的膨脹相適應(yīng)，縮短沖轉(zhuǎn)前汽封供汽時(shí)間，并采用較低溫度的汽源，控制好溫升率和升速率，控制好加負(fù)荷速度，使機(jī)組均勻加熱，延長(zhǎng)中速暖機(jī)時(shí)間，暖機(jī)時(shí)要采用有利于高壓脹差降低的方法。如果是低壓脹差大，可適當(dāng)提高排汽缸溫度。

2）汽機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為了減少脹差變化應(yīng)采取的措施是：熱態(tài)啟動(dòng)前，脹差往往是負(fù)值［7］。啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子和汽缸溫度高，若沖轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽溫度偏低，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后對(duì)轉(zhuǎn)子和汽缸起冷卻作用，使脹差負(fù)值還要增大，所以，在啟動(dòng)的前一階段，主要是控制負(fù)脹差過(guò)大，而在后一階段應(yīng)注意脹差向正的方向變化。

3）機(jī)組正常啟動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)采取以下措施來(lái)控制脹差過(guò)大，沖轉(zhuǎn)前應(yīng)保持汽溫高于汽缸金屬溫度50～100度，如果汽壓較高，汽溫還應(yīng)適當(dāng)再提高［8］，以防轉(zhuǎn)子過(guò)度收縮，軸封供汽采用高溫汽源，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的過(guò)度收縮。

4）真空維持高一些，升速要快一些，避免在低速時(shí)多停留而導(dǎo)致機(jī)組冷卻，從而使負(fù)脹差增大。

5）采用合適的法蘭和螺栓加熱系統(tǒng)，使法蘭溫度也能隨著蒸汽溫度而上升，可使脹差減少。在汽輪機(jī)啟停過(guò)程中使用汽缸法蘭和螺栓加熱裝置，小型機(jī)組主要采用汽缸法蘭和螺栓的溫度隨著蒸汽參數(shù)的變化來(lái)提高或降低，盡量減小汽缸外部和內(nèi)部、法蘭里外、汽缸和法蘭、螺栓與法蘭的溫差，使得汽缸在膨脹時(shí)迅速，并且收縮時(shí)也迅速，把脹差控制在正常范圍內(nèi)［9］。

4 結(jié)論

對(duì)汽輪機(jī)暖機(jī)、升負(fù)荷和滑參數(shù)停機(jī)過(guò)程中脹差的變化分析，可以看出：隨著汽輪機(jī)機(jī)的運(yùn)行工況不同、汽輪機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)不同、以及汽輪機(jī)的初參數(shù)和真空不同，其脹差的控制方式是完全不一樣的。在300MW汽輪機(jī)啟停過(guò)程和正常運(yùn)行過(guò)程中，合理的控制主、再熱汽溫的變化速率，控制好暖機(jī)的初參數(shù)和時(shí)間，控制好軸封供汽參數(shù)和法蘭螺栓加熱裝置的投切時(shí)機(jī)等，合理保證暖機(jī)的效果，就能將脹差控制在安全范圍內(nèi)，保證整個(gè)軸系的安全運(yùn)行，避免引起惡性的安全事故。脹差在線檢測(cè)系統(tǒng)有助于運(yùn)行人員及時(shí)及時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式和相關(guān)參數(shù)，有效地控制汽輪機(jī)的脹差在合理范圍內(nèi)。

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