程永峰

(華電國際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100)

0 引言

轉子軸系和汽缸在機組啟停時都會受到很大的熱應力，發(fā)生很大的熱變形，從而產生脹差。如果轉子膨脹大于汽缸，就產生正脹差；如果轉子膨脹小于汽缸，就產生負脹差。脹差的大小反應了汽輪機內部級間、隔板汽封等軸向間隙的變化。如果脹差超限，級間的軸向間隙消失，汽輪機就會發(fā)生動靜摩擦、葉片損壞、機組振動、轉子彎曲等惡性事故。因此，研究和控制汽輪機啟停時脹差的變化對汽輪機的安全運行具有非常重要的意義，制定控制脹差變化的措施尤其迫切。

1 脹差產生的原因

1.1 產生機理

金屬構件在受熱后體積會發(fā)生膨脹，即沿長、寬、高3個方向增大，具體的膨脹值與金屬的膨脹系數(shù)有關。在對流換熱中，對流換熱系數(shù)和流體流速會對金屬的受熱情況產生影響。高壓汽輪機從冷態(tài)到正常運行，金屬溫度的變化非常大，因此汽缸的軸向、水平和垂直方向的尺寸都會發(fā)生很大改變。

在機組啟動時，汽缸的質量很大，而轉子的質量相對較小，一般只有汽缸的1/3～1/4，但是在運行中轉子接觸蒸汽的面積卻是汽缸的5倍。由質面比的定義可知，在汽輪機啟動過程中，轉子被蒸汽以較快的速度加熱，平均溫度升高較快，膨脹值也較大；但是汽缸的底部疏水很多，平均溫度升高較慢，這樣在汽輪機轉子與高中壓缸之間就會產生溫差，進而產生膨脹差值，即脹差。汽輪機滑銷系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 脹差的計算公式

汽輪機的軸向膨脹相對值是由汽輪機轉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位置變化范圍，推力軸承的位置就是轉子和汽缸軸向膨脹差值的相對平衡點。假如汽輪機轉子相對高中壓缸進汽中心截面推力瓦的距離為l，并且汽輪機轉子從推力瓦面距離此截面位置一段的汽輪機轉子的平均溫升為那么汽輪機轉子相對該截面上產生的膨脹值高中壓缸相對該截面上產生的膨脹值因此可以計算出汽輪機轉子與高中壓缸的膨脹差值：

在計算過程中可將汽缸和轉子看成是由多段組成的，因此每段的膨脹差值可以通過其在常溫下的長度和平均溫差求出，末端的膨脹差值為固定點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

脹差對汽輪機的安全運行影響很大，帶來的危害性也很大。它不僅會縮短汽輪機主機壽命，嚴重時甚至會造成機組損壞事故。為此一般汽輪機都有規(guī)定的脹差報警值、手動停機值，如表1所示。

2 影響脹差的因素

2.1 機組運行工況對脹差的影響

2.1.1 冷態(tài)啟動時脹差的變化

圖1 汽輪機滑銷系統(tǒng)

汽輪機冷態(tài)啟動時，汽輪機汽缸、轉子逐漸被加熱，溫度逐漸升高，汽輪機脹差總體表現(xiàn)為正脹差。從沖轉到定速階段，因為轉子溫升快，汽輪機的正脹差呈上升趨勢，對于采取中壓缸啟動的機組，該階段脹差變化主要發(fā)生在中壓缸。低壓缸的脹差變化不僅受到摩擦鼓風熱量的影響，還受到離心力的影響。當汽輪機轉子轉速達到3 000 r/min，啟動過程結束時，轉子和汽缸正脹差值達到最高值。

表1 300 MW汽輪機的脹差允許范圍

冷態(tài)沖轉時，主汽壓力一般選取4.2 MPa，主汽溫選擇420 ℃，采用高壓缸啟動方式的過程為：汽輪機掛閘后，首先開啟1，2號中聯(lián)門，輸入閥限100 %后，中壓主汽門打開，在DEH(汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng))沖轉畫面上選擇TV控制，輸入300 r/min的升速率，1～6號高壓調門全開，在大機轉速600 r/min時進行摩擦檢查，摩擦檢查結束后，繼續(xù)沖轉至2 400 r/min時進行中速暖機。當再熱汽溫達到260 ℃時，計算中速暖機時間，一般為3 h。暖機結束后，升速到2 900 r/min進行TV/GV切換，然后升速至目標轉速3 000 r/min。

2.1.2 熱態(tài)啟動時脹差的變化

熱態(tài)啟動時汽輪機轉子、高中壓缸和低壓缸的金屬溫度尚未冷卻下來，此時溫度比較高。如果沖轉時蒸汽溫度低于汽缸溫度，則蒸汽進入汽輪機后會對轉子和汽缸起到冷卻作用，使汽輪機出現(xiàn)負脹差。尤其對極熱態(tài)啟動，幾乎不可避免地會出現(xiàn)負脹差。

2.1.3 甩負荷或正常停機時脹差的變化

當汽輪機甩負荷或正常停機時，隨著機組負荷的降低，流過汽輪機通流部分和轉子的蒸汽溫度低于金屬溫度。由于轉子質量比較小，與蒸汽接觸面積相對較大，所以轉子比汽缸冷卻得快，即轉子比汽缸收縮得多，因而出現(xiàn)負脹差?，F(xiàn)在停機普遍采用滑參數(shù)停機方式，主再熱蒸汽溫度隨著負荷的降低逐漸降低，直至主再熱汽溫達到350 ℃、負荷最低時停機解列。這樣既縮短了機組檢修工期，又提高了經濟效益。

在采用滑參數(shù)停機時，隨著負荷的下降，主再熱汽溫逐漸下降，脹差也下降。雖然汽溫會出現(xiàn)升高的反復現(xiàn)象，但對汽缸的膨脹下降沒有影響。因此，只要控制好汽溫的變化速率就能控制好脹差的變化。

2.2 汽缸結構對脹差的影響

(1)大多數(shù)汽缸都設有水平法蘭，水平法蘭在升速過程中溫度比汽缸要低，阻礙了汽缸的膨脹，引起脹差增大。

(2)運行中滑銷系統(tǒng)的滑動面之間存在阻力，會引起脹差增大。

(3)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，從而造成汽缸膨脹不完全，使汽輪機脹差增大。汽缸疏水不暢也可能導致下缸疏水冷卻、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，致使相對脹差發(fā)生變化。

(4)轉子高速旋轉時，受離心力作用，轉子發(fā)生徑向和軸向的變形，即轉子在離心力的作用下變短、變粗(泊松效應)。對于大容量機組，因轉子很長，離心力會對脹差產生影響。

2.3 汽輪機初參數(shù)和真空對脹差的影響

(1)汽輪機沖轉前，向軸封供汽時，由于冷態(tài)啟動時軸封供汽溫度高于轉子溫度，轉子局部受熱而伸長，不僅會出現(xiàn)正脹差，還可能出現(xiàn)軸封摩擦的現(xiàn)象。

(2)真空的變化會引起脹差值的改變。當真空降低時，為了保持機組轉速不變，必須增加進汽量，導致摩擦鼓風損失增大，進而使高壓轉子受熱加大，其正脹差值也隨之增大，低壓轉子鼓風摩擦造成的正脹差有所減少；當真空提高時，則相反，會使高壓轉子脹差減小。

3 減小脹差的措施

(1)在機組冷態(tài)啟動時，主要是控制機組的正脹差?？梢酝ㄟ^合理使用汽缸法蘭螺栓加熱裝置，使汽缸與轉子的膨脹相適應?？s短沖轉前汽封供汽時間，并采用較低溫度的汽源，控制好溫升率和升速率以及加負荷速率，使機組均勻受熱。延長中速暖機時間，暖機時要采用有利于高壓脹差降低的方法。如果是低壓脹差大，可適當提高排汽缸溫度。

(2)汽輪機熱態(tài)啟動時，為減少脹差變化應采取的措施是：熱態(tài)啟動前，脹差一般是負值，啟動時轉子和汽缸溫度高，若沖轉時蒸汽溫度偏低，則蒸汽進入汽輪機后對轉子和汽缸起到冷卻作用，會增大負脹差。所以，在啟動的前一階段，應主要控制負脹差，防止其過大；在后一階段則應注意脹差向正的方向變化。

(3)機組正常啟動過程中，應采取措施來控制脹差過大，沖轉前應保持汽溫高于汽缸金屬溫度50～100 ℃,如果汽壓較高，則應適當再提高汽溫，以防轉子過度收縮；軸封供汽采用高溫汽源，以補償轉子的過度收縮。

(4)真空維持更高，升速更快，避免在低速時多停留而導致機組冷卻，從而使負脹差增大。

(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上升，從而使脹差減少。在汽輪機啟停過程中使用汽缸法蘭和螺栓加熱裝置，小型機組主要采用汽缸法蘭和螺栓的溫度隨蒸汽參數(shù)的變化來提高或降低，來盡量減小汽缸外部和內部、法蘭里外、汽缸和法蘭、螺栓與法蘭的溫差，使得汽缸在膨脹或收縮時都能迅速把脹差控制在正常范圍內。

4 結論

對汽輪機暖機、升負荷和滑參數(shù)停機過程中脹差的變化進行分析，可以看出：汽輪機的運行工況、汽輪機汽缸結構以及汽輪機的初參數(shù)和真空不同，導致其脹差的控制方式也不完全一樣。在300 MW汽輪機啟停過程中，合理地控制主、再熱汽溫的變化速率，控制好暖機的初參數(shù)和時間以及軸封供汽參數(shù)和法蘭螺栓加熱裝置的投切時機等，合理保證暖機的效果，就能將脹差控制在安全范圍內，保證汽機的安全運行，避免引起惡性的安全事故。

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