摘 要：當今時代背景下，能源緊張和可持續(xù)發(fā)展已成為亟需解決的問題，我國電能供應的主要來源還以火力發(fā)電為主，發(fā)電廠的主要核心部分——汽輪機的重要性不言而喻。保證電力的可靠、高效、安全供應，已成為發(fā)電人員，特別是運行、檢修人員工作的重要職責所在。文章針對汽輪機運行中常見的汽輪機熱膨脹問題從不同角度進行了原因分析，并探究了其控制的方法，為相關人員提供解決此類問題提供參考和幫助。

關鍵詞：熱電廠；汽輪機；熱膨脹；控制

引言

汽輪機是熱電廠發(fā)電過程中能量轉換的重要部分，其能否正常運行，關鍵是看能否啟動好汽輪機，然而在啟動時汽輪機很容易因熱膨脹而致使啟動失敗，從而不能或延遲正常發(fā)電。汽輪機在啟動、負荷變化和停機過程中，各級前后的溫度和蒸汽壓力將發(fā)生變化，其通流部分、汽缸和轉子的金屬溫度相應變化。熱脹冷縮是一切物體的共性，在零件金屬被加熱時，產生膨脹；被冷卻時，零件收縮。當零件內溫度不均，且不對稱時，零件將產生變形；如果膨脹或收縮受阻，零件內部將產生熱應力。所以汽輪機這樣運行復雜的動力機械在運行中會出現熱膨脹，不僅給發(fā)電帶來困擾，更有甚者會出現安全事故，因此有必要分析出可能產生熱膨脹的各種原因，以找出解決問題的方法。

1 汽輪機的熱膨脹

1.1 汽輪機的熱膨脹分析

汽輪機是一種安裝過程在室溫下進行，工作過程則在高溫條件下進行的動力機械。在啟動時會因溫度快速升高而膨脹；備用和停機時，因溫度所降低而收縮。汽輪機及其主要的部件，必須能自由收縮和膨脹。例如公司汽輪機在室溫條件下啟動，至額定負荷，其膨脹量可達到36mm（計算值）。

1.2 機組膨脹不合適則會發(fā)生振動的危險工況

影響振動的原因一般有以下兩點：

（1）由于機組在運行中中心不正而引起振動。（2）由于轉子質量不平衡而引起振動。

在機組啟動初期，機組的膨脹是造成振動增大的主要原因之一。動靜摩擦、轉子熱彎曲和膨脹不暢等都將使振動加大。前者發(fā)生故障一般在轉動部件，而后者發(fā)生故障則一般在靜止部件。

在膨脹不暢發(fā)生以后，振動先是呈一段上升的階段。當上升到一定的程度后，機組的膨脹和溫度逐漸呈穩(wěn)定狀態(tài)，但已經形成的膨脹不暢無法消除，此時振動穩(wěn)定在較大值處。之后階段的振動變化趨勢可能有兩種，如圖1所示：（1）是振動始終維持在較大值處，不能恢復到初始的狀態(tài)如圖（a）中所示；（2）是振動值逐漸可以回落，直到恢復到初始狀態(tài)如圖（b）中所示。第1種是因為膨脹受阻部位沒有疏通，或有導致缸體變形其它的因素；第2種狀況因通過運行可以使膨脹受阻得到逐漸的疏通。

2 汽缸與轉子的絕對膨脹

2.1 絕對膨脹產生的原因及其計算方法

汽缸以及轉子的熱膨脹，不僅與金屬材料的線膨脹系數和汽長度尺寸有關，還取決于各段金屬溫度的變化值及通流部分的熱力過程，一般常用下列方法進行近似計算。

首先根據零件的結構特點沿軸向分成若干區(qū)段，用下式計算各區(qū)段沿軸線的絕對膨脹值；

式中△li-零部件第i段的絕對膨脹；βi（t）-按第i段平均溫度查得材料的線膨脹系數，毫米/毫米·℃；tavi-第i段平均溫度，℃；t0-冷態(tài)溫度，通常t0=20℃；△yi-第i段軸向長度，毫米。

求出汽缸和轉子的絕對膨脹值后，整個汽缸或轉子的絕對膨脹值等于各區(qū)段膨脹之和。

2.2 控制絕對膨脹的措施

因汽輪機的軸向長度比徑向寬度大很多，所以汽缸和轉子的絕對膨脹值也非常大。因此機組在運行中一定要對汽輪機絕對膨脹進行實時監(jiān)控。又因汽輪機軸向溫度分布狀況呈現一定的規(guī)律性，所以可以找出汽缸上各個位置的熱膨脹值和與之相對應點溫度的關系。在機組運行過程中，只需把監(jiān)視點的溫度控制在適當的范圍內；即可保證汽缸的膨脹量在機組啟動、正常運行和停機時符合相應的要求。

3 汽缸與轉子的相對膨脹差

3.1 相對脹差產生的原因

汽輪機啟停過程中，由于汽缸和轉子的材料結構尺寸及受熱條件不同，即使在相同的蒸汽參數下兩者之間也存在明顯的溫差?，F以啟動加熱過程為例分析汽缸和轉子沿軸向某區(qū)段的溫差大小。

經過熱平衡計算，轉子和汽缸在某一區(qū)段的溫差可用下式計算：

式中tr、tc-分別為該區(qū)段內轉子和汽缸的平均溫度，℃；mr、mc-分別為該區(qū)段內轉子和汽缸的質量，kg；αr、αc-分別為該區(qū)段內蒸汽對轉子汽缸的放熱系數，kJ/（m2·K·min）；Ar·Ac-分別為該區(qū)段內轉子汽缸的受熱面積，m2；C-分別為該區(qū)段內轉子、汽缸的平均比熱，kJ/kg·℃；bs-該區(qū)段內蒸汽的溫升速度，℃/min。

由于上述特點，在啟動和升負荷過程中，加熱了機組的汽缸和轉子，相對應段轉子的金屬溫升速度比汽缸的金屬溫升速度快，平均溫度高于汽缸對應段的平均溫度，因此相應的膨脹量較大，轉子的相對脹差為正值；在停機和降低負荷過程中，各級的蒸汽溫度下降，冷卻了汽缸和轉子，轉子的金屬溫度降低也較快，使轉子的相對脹差減小，甚至出現負脹差。

3.2 影響轉子相對脹差的因素

所有影響氣缸和轉子加熱和冷卻過程的因素，均會對轉子的相對脹差產生影響。

（1）通流部分各級蒸汽溫度的變化速度；（2）軸封供汽溫度；（3）汽缸法蘭內、外壁溫差；（4）汽缸夾層的蒸汽溫度；（5）摩擦鼓風損失；（7）轉子的回轉效應。

汽缸和轉子之間的膨脹差，是上述各因素綜合影響的結果，其中任意一個因素變化，都會對轉子相對脹差產生影響。

3.3 相對脹差的控制方法

在運行過程中，可以通過控制蒸汽及再熱蒸汽的溫升速度，加上控制升負荷速度，來實現轉子脹差的控制。同時避免汽缸排氣溫度過高，軸封供氣溫度偏低，而出現過大的負脹差。但軸封供氣溫度和氣缸排氣溫度只影響轉子和氣缸的局部膨脹量。

4 汽輪機啟動階段脹差控制要點

汽輪機的冷態(tài)啟動指的是其在室溫靜止狀態(tài)，慢慢被加熱到高溫高壓的狀態(tài)時，在汽輪機組內部動靜間隙非常小的情況下進行自由的膨脹。所以要想正常完成機組的啟停，在認識到金屬膨脹的危險性和重要性的基礎上，必須按照標注嚴格控制金屬的溫升速率，保證大軸、汽缸和各部金屬可以自由膨脹。

4.1 啟動時主參數的選擇

采用一種新蒸汽來啟動機組，這種方法既不會使機組各部分金屬產生較大應力，又能使其各部分均勻的加熱。

通常情況下，汽壓參數可以選擇的范圍較大，具體用多少需要綜合機爐兩方面系統(tǒng)能力來考慮。首先汽壓和汽溫應保證能互相匹配，控制機組運行如能得到合適的汽溫（與汽缸相比），便可得到與之匹配的汽壓。公司汽輪機啟動時，給定了機組啟動曲線，理論上通過此曲線選擇不同參數即可啟動機組，但通過現場實踐發(fā)現，啟動汽輪機組時，進入機組的新蒸汽溫度必須高于汽缸的溫度，且達到56℃的過熱度，并在這中間需考慮到蒸汽節(jié)流之后的溫度下降量，才可正常啟動機組。

通過實踐發(fā)現：（1）在機組啟動時，逐漸的加熱汽缸，可以有效避免機組啟動時新蒸汽進入汽輪機后帶來負脹差的弊端。啟動時應避免使汽缸冷卻，如出現冷卻現象，原因是新蒸汽的溫度選擇偏低，此時應迅速提高蒸汽溫度，從而使金屬膨脹；否則此時機組極易出現故障，使機組無法正常啟動。

（2）機組啟動后，應該聯(lián)系鍋爐巡檢人員，便于監(jiān)控制鍋爐燃燒狀態(tài)，保證初參數呈相對穩(wěn)定狀態(tài)。初參數忽高忽低將直接影響到機組的溫升、轉速，甚至導致軸瓦振動加劇。在啟動時，間隙最小位置在軸封處，汽溫對它的影響最為敏感，且隨主汽溫變化而變化，此時機組的脹差會隨之發(fā)生改變。汽輪機大軸在加速過程時，受力很大，工況非常不穩(wěn)定，因此在機組啟動過程中必須控制汽壓、汽溫保持穩(wěn)定否則容易發(fā)生狀況導致機組無法正常啟動。

4.2 低速暖機

用全周進汽的方式沖轉來啟動汽輪機組，可使汽缸均勻受熱膨脹均勻。在啟動瞬間為克服轉子所受的較大的阻力，沖轉時可以加大一點加速度，之后再按原來的規(guī)律控制加速度。大軸轉動起來時，汽輪機處于一種動態(tài)變化的狀態(tài)，因此時大量的新蒸汽涌入汽輪機使其被加熱、膨脹作功，又因轉子受熱面積大于汽缸受熱面積（約3/4），轉子膨脹值大于汽缸膨脹值，所以高中壓缸的脹差有正值增大趨勢。反之，在熱態(tài)啟動中，進入汽輪機內的汽溫低、蒸汽少時，會使汽輪機呈負脹差，為解決此類問題，此時須增大進汽量，來提高汽溫。

汽輪機沖轉到每分鐘600轉時，汽輪機進汽必須停止下來，以便全面執(zhí)行機組的檢查。究其原因有：

（1）轉速高于每分鐘600轉時，難以控制轉速；轉速低于每分鐘600轉時，較難形成軸承的油膜。（2）汽輪機啟動時在氣缸和轉子留有殘余應力，停機一段時間相當于進行了一段時間的時效處理，可以消除一定的金屬殘余應力。（3）整體的汽輪機金屬膨脹呈穩(wěn)定狀態(tài)，高中壓缸的正脹差可以消除一點兒。（4）對調速系統(tǒng)和動靜部分的運轉情況進行全面檢查，為下一步機組的啟動做好準備工作。

應該給機組在低負荷運行下留足夠的暖機時間，因之后機組要處于長時間的穩(wěn)定運行狀態(tài)，需要將所有部件的金屬膨脹開，此時可以在適當的蒸汽流量下讓機組進行一段時間的暖機。以便使金屬進一步的膨脹，消除汽缸內外缸壁的溫差。

4.3 升速階段

汽輪機啟動的必要條件是升速的平穩(wěn)性，避免升速不穩(wěn)定，如升速高低變換，會導致大軸不穩(wěn)，使其和蒸汽吹動葉片的振頻重合，產生共振現象，導致啟機失敗。伴隨汽輪機進汽量增大，加大了鍋爐的蒸發(fā)量，此時需增加鍋爐燃料來迎合初參數的變化，而使初參數呈上升的趨勢。在此機組啟動的關鍵時刻，如忽略此情況，會導致汽輪機組脹差正值過大，造成機組啟動失敗。此時應控制汽壓和汽溫的穩(wěn)定性，才能使機組正常啟動。

4.4 總結

總而言之，機組啟動的關鍵在于控制金屬膨脹，而非控制汽輪機負荷和轉速。汽輪機的啟動過程中，溫度一直在發(fā)生變化，控制好以上要點，注意其它細節(jié)，才能使汽輪機組的金屬部位合理的膨脹，高低壓缸的差脹便會被控制在合理的范圍，從而保證汽輪機穩(wěn)定安全運行。

參考文獻

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作者簡介：郭立文（1986-），男，河南新鄉(xiāng)人，長期從事火力發(fā)電廠運行部相關工作。