陳 霞，胡 斌

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

在石化、鋼鐵、水泥、制糖等行業(yè)的生產(chǎn)流程中，會(huì)產(chǎn)生大量品質(zhì)不一的工藝余汽，其中很多都是低參數(shù)的飽和蒸汽。這些余汽若被直接排放至大氣中，會(huì)造成能源的浪費(fèi)及污染。而隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，低溫余熱發(fā)電越來(lái)越受到重視，其不僅能節(jié)能減排，還能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)可觀的效益。余熱發(fā)電汽輪機(jī)的運(yùn)行要求不同于常規(guī)火電機(jī)組，它需要配合前端工藝制程，因此需滿足效率高、啟動(dòng)時(shí)間短的雙重要求。

為了提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性能，汽輪機(jī)的級(jí)間間隙、軸封間隙的設(shè)計(jì)值不可過(guò)大，但受啟停時(shí)間的制約，間隙也不能過(guò)小。啟動(dòng)過(guò)程中因動(dòng)靜部件溫度變化的速率、材料的物性參數(shù)不同，加上部件變形、軸向位移、泊松效應(yīng)等因素的作用，動(dòng)靜部件碰磨的風(fēng)險(xiǎn)在所難免，嚴(yán)重時(shí)還有可能發(fā)生葉片損壞、大軸彎曲、推力瓦燒壞等事故。因此，脹差是機(jī)組啟停過(guò)程中制約汽輪機(jī)啟停速度的主要因素之一，也是機(jī)組設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

但通過(guò)對(duì)低參數(shù)非過(guò)熱蒸汽機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，可發(fā)現(xiàn)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行脹差值與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。本文通過(guò)有限元手段模擬機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程，并將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)算法進(jìn)行比較分析，提出了適用于此機(jī)型的理論計(jì)算方法。研究結(jié)果可為同等級(jí)機(jī)組獲取較快、較安全的啟停速度提供一定的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于低參數(shù)非過(guò)熱蒸汽機(jī)組的設(shè)計(jì)、脹差變化預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 項(xiàng)目背景

某石化電廠50 MW補(bǔ)汽凝汽式余熱汽輪機(jī)機(jī)組布置圖如圖1所示，其機(jī)型為單缸、反動(dòng)式、軸向排汽，具有三路補(bǔ)汽。各路蒸汽參數(shù)以及大部件材料如表1和表2所示。

圖1 某石化余熱利用發(fā)電機(jī)組布置圖

表1 進(jìn)汽參數(shù)表

表2 大部件材料

圖2為機(jī)組滑銷系統(tǒng)圖。汽輪機(jī)前軸承座內(nèi)設(shè)有推力聯(lián)合軸承，以平衡蒸汽做功產(chǎn)生的附加軸向推力，也是整個(gè)機(jī)組的相對(duì)死點(diǎn)；機(jī)組絕對(duì)死點(diǎn)設(shè)置在排汽缸裙邊處。

圖2 機(jī)組滑銷系統(tǒng)圖

差脹儀固定在后軸承座內(nèi)(后軸承座為落地結(jié)構(gòu))，探頭對(duì)著轉(zhuǎn)子被測(cè)面。差脹儀會(huì)隨后軸承箱體受熱膨脹而移位，差脹探頭位移量與轉(zhuǎn)子被測(cè)面位移量之差即為機(jī)組的脹差值。

2 脹差理論計(jì)算

汽輪機(jī)脹差是指靜子部件、轉(zhuǎn)子部件在同一軸向位置處(存在動(dòng)靜碰磨風(fēng)險(xiǎn)的部位)軸向位移量的差值，習(xí)慣上規(guī)定轉(zhuǎn)子軸向膨脹量大于汽缸軸向膨脹量時(shí)為正，反之為負(fù)[1]。汽輪機(jī)在啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程以及在運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，靜子部件、轉(zhuǎn)動(dòng)部件均會(huì)由于溫差、壓差而產(chǎn)生不同程度的熱膨脹變形[2]，導(dǎo)致機(jī)組脹差的變化。一般來(lái)說(shuō)脹差值主要與如下5個(gè)參數(shù)有關(guān)：轉(zhuǎn)子的熱膨脹量、轉(zhuǎn)子收縮量(泊松效應(yīng))、轉(zhuǎn)子躥動(dòng)量、靜子部件的熱膨脹量、靜子部件的變形量。計(jì)算公式如下：

Δl=Lrt-Lrcf+Lc-Lst-Lsd

(1)

式中：Δl為脹差；Lrt為轉(zhuǎn)子熱膨脹量；Lrcf為轉(zhuǎn)子收縮量(泊松效應(yīng))；Lc為轉(zhuǎn)子躥動(dòng)量；Lst為靜子部件的熱膨脹量；Lsd為靜子部件的變形量。

出于設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期的考慮，上述各參數(shù)通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，再加上一定的安全余量，即可滿足設(shè)計(jì)需求，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

該余熱汽輪機(jī)主蒸汽及三路補(bǔ)汽汽源均為飽和蒸汽或濕蒸汽，轉(zhuǎn)子與靜子部件的換熱強(qiáng)度均較大，雖然轉(zhuǎn)子的傳熱系數(shù)大于靜子部件的傳熱系數(shù)，但靜子部件缸壁較薄，轉(zhuǎn)子部件根徑較大，該機(jī)組啟停階段脹差變化趨勢(shì)會(huì)異于常規(guī)火電機(jī)組。靜子部件選用“錐筒+立筋”組合的結(jié)構(gòu)形式(如圖3所示)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，“錐筒+立筋”型缸因溫差、壓差導(dǎo)致的變形量比“近直筒”型缸的變形量大，該變形量對(duì)差脹儀處脹差值影響較大。 因此，為使計(jì)算結(jié)果更逼近真實(shí)值，應(yīng)用有限元與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的計(jì)算方法模擬機(jī)組脹差特性，提出機(jī)組的脹差報(bào)警、跳機(jī)值。

圖3 機(jī)組外缸模型示意圖

通過(guò)有限元分析方法[3]計(jì)算了外缸、各檔持環(huán)、轉(zhuǎn)子等部件的軸向位移場(chǎng)變化。圖4為穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)組外缸軸向位移場(chǎng)。結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)值，得出了機(jī)組報(bào)警、跳機(jī)值，如表3所示。

圖4 外缸有限元位移場(chǎng)計(jì)算

表3 機(jī)組報(bào)警跳機(jī)值

脹差計(jì)算表明穩(wěn)態(tài)以及啟停工況下(除啟動(dòng)初始外)機(jī)組脹差均為負(fù)值。補(bǔ)汽供給的存在以及機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了穩(wěn)態(tài)時(shí)靜子部件溫度會(huì)高于轉(zhuǎn)動(dòng)部件，且在機(jī)組運(yùn)行溫度下靜子材料的線脹系數(shù)要略高于轉(zhuǎn)動(dòng)部件。從公式(1)也可看出，機(jī)組在穩(wěn)態(tài)時(shí)，若汽缸的熱膨脹量大于轉(zhuǎn)子的熱膨脹量，則機(jī)組脹差為負(fù)(靜子部件變形量，以及因離心力造成的轉(zhuǎn)子收縮量均使脹差變小)。但在啟動(dòng)升速初始階段，尤其是冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，泊松效應(yīng)不明顯，且轉(zhuǎn)動(dòng)部件傳熱系數(shù)高于靜子部件，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)正脹差現(xiàn)象。

3 脹差變化分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)脹差分析

圖5和圖6曲線為機(jī)組關(guān)斷主調(diào)門停運(yùn)7 h 后重新啟動(dòng)過(guò)程中每間隔1 s記錄的機(jī)組溫度、轉(zhuǎn)速、軸向位移、缸脹、脹差值，以及反推出的轉(zhuǎn)子膨脹量。

由圖6中曲線可知：

1)沖轉(zhuǎn)前缸脹為3.44 mm，轉(zhuǎn)子膨脹量為2.96 mm，脹差為-0.48 mm(不考慮軸向位移)；

2)啟動(dòng)并帶一定負(fù)荷至穩(wěn)態(tài)過(guò)程中缸脹為5.71 mm，轉(zhuǎn)子膨脹量為2.70 mm，脹差為-3.01 mm(不考慮軸向位移)；

圖5 啟動(dòng)階段測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖6 啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速、缸脹、脹差、轉(zhuǎn)子膨脹量隨時(shí)間變化曲線

3)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中機(jī)組無(wú)明顯的振動(dòng)異?，F(xiàn)象，距保護(hù)跳機(jī)值仍有一定的裕度。

分析圖5和圖6曲線變化趨勢(shì)可知，由于濕蒸汽的存在，轉(zhuǎn)子與靜子部件的換熱強(qiáng)度均較大，雖然轉(zhuǎn)子的傳熱系數(shù)大于靜子部件的傳熱系數(shù)，但靜子部件缸壁較薄、轉(zhuǎn)子部件根徑較大，汽缸、轉(zhuǎn)子的熱響應(yīng)會(huì)很快達(dá)到穩(wěn)定，相比于常規(guī)過(guò)熱蒸汽機(jī)組，汽缸溫度場(chǎng)變化滯后于轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)變化的現(xiàn)象不明顯，幾乎同步達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，與預(yù)期一致。

待投入補(bǔ)汽(補(bǔ)汽參數(shù)比補(bǔ)汽口處通流參數(shù)高)后，混合補(bǔ)汽對(duì)整體通流熱力參數(shù)影響不大(干度增加)，所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子脹值幾乎不變。但汽缸受補(bǔ)汽溫度影響，膨脹量增大，投入補(bǔ)汽時(shí)，脹差增量幾乎與缸脹增量同步。

圖7、圖8為圖5、圖6中停機(jī)階段脹差、轉(zhuǎn)速、各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖7可知，停機(jī)過(guò)程中機(jī)組由額定轉(zhuǎn)速降至3%額定轉(zhuǎn)速用時(shí)約15 min，動(dòng)靜部分脹差值由-2.07 mm變?yōu)?0.15 mm，變化差值為1.92 mm。通過(guò)停機(jī)前的熱力參數(shù)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子因離心力導(dǎo)致的收縮量為1.867 mm，理論值與實(shí)際運(yùn)行值偏差為3%。機(jī)組打閘停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速在很短時(shí)間內(nèi)降為0 r/min，動(dòng)靜部分溫度場(chǎng)還未及時(shí)響應(yīng)，因離心力消失，轉(zhuǎn)子膨脹。該過(guò)程脹差變化量主要是由離心力造成的，即泊松效應(yīng)的影響。

圖7 停機(jī)階段轉(zhuǎn)速、脹差隨時(shí)間變化曲線

圖8 停機(jī)階段汽缸各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖9和圖10為機(jī)組達(dá)到穩(wěn)態(tài)后暫停補(bǔ)汽、減小進(jìn)汽量并再次恢復(fù)至變化前狀態(tài)的過(guò)程中，各汽缸測(cè)點(diǎn)溫度以及缸脹、轉(zhuǎn)子膨脹量、脹差的時(shí)間歷程曲線。圖9、圖10中曲線變化的趨勢(shì)再次驗(yàn)證了汽缸、轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)響應(yīng)速率基本上同步的判斷，這主要是濕蒸汽傳熱系數(shù)較大導(dǎo)致的。

圖9 某階段測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖10 某階段缸脹、脹差、轉(zhuǎn)子膨脹量隨時(shí)間變化曲線

3.2 理論與實(shí)際運(yùn)行脹差對(duì)比

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析對(duì)比機(jī)組在投1路補(bǔ)汽工況、投2路補(bǔ)汽工況以及3路補(bǔ)汽全投工況下穩(wěn)態(tài)脹差計(jì)算值與運(yùn)行值，顯示脹差都很接近。1號(hào)補(bǔ)汽投入工況的理論計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值對(duì)比情況如表4所示，理論計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值偏差0.2 mm。這說(shuō)明本文采用的計(jì)算方法能很好地模擬正常運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組的膨脹及脹差，計(jì)算方法是正確的。

表4 1號(hào)補(bǔ)汽投入下脹差的計(jì)算值與運(yùn)行值對(duì)比表

4 計(jì)算要點(diǎn)與運(yùn)行建議

4.1 計(jì)算要點(diǎn)

典型結(jié)構(gòu)“錐筒+立筋”處的穩(wěn)態(tài)軸向位移量如圖11所示?！板F筒+立筋”結(jié)構(gòu)的靜子部件的膨脹量除了受熱膨脹影響外，因壓差和溫度場(chǎng)變化引起的撓曲變形也占有相當(dāng)大的比重，該值直接影響機(jī)組的報(bào)警、跳機(jī)值的設(shè)置。因此，不宜單純采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法。

4.2 運(yùn)行建議

針對(duì)該型機(jī)組脹差值一直較小(負(fù)值)，且在啟動(dòng)過(guò)程中脹差值存在一直負(fù)向增大的問(wèn)題，可通過(guò)以下措施減緩脹差變化速率：

圖11 典型結(jié)構(gòu)“錐筒+立筋”處的穩(wěn)態(tài)軸向位移量

1)啟動(dòng)時(shí)提高軸封供汽溫度，使轉(zhuǎn)子軸封端局部受熱，膨脹量增大,從而使機(jī)組脹差減??；

2)通過(guò)增大負(fù)荷、投入不同補(bǔ)汽的策略改變推力方向，維持機(jī)組脹差值在較小的范圍內(nèi)；

3)因濕蒸汽機(jī)組靜子部件、轉(zhuǎn)動(dòng)部件傳熱系數(shù)均較大，部件的溫升率基本一致，通過(guò)延長(zhǎng)暖機(jī)時(shí)間以減小脹差值的措施對(duì)濕蒸汽機(jī)組效果不明顯，因此不建議采用該方法。

5 結(jié) 論

本文采用有限元與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的計(jì)算方法模擬濕蒸汽機(jī)組脹差特性，通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)與實(shí)際運(yùn)行的脹差變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了濕蒸汽機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)的脹差變化特性。研究成果對(duì)于同類型機(jī)組降低啟停時(shí)間具有一定的參考意義。