摘 ? 要：高壓抽汽背壓式汽輪機(jī)的熱變形，結(jié)合汽輪機(jī)各種運(yùn)行工況，分析溫差的產(chǎn)生以及由此引起的熱變形對汽輪機(jī)運(yùn)行的影響。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)的熱膨脹;汽輪機(jī)的熱變形;溫差;轉(zhuǎn)子的熱彎曲

汽輪機(jī)是以具有一定溫度和壓力的蒸汽為工質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，再將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，具有功率大、轉(zhuǎn)速高、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是中小型高壓抽背式汽輪機(jī)（50～100 MW）廣泛用于有生產(chǎn)需求的自備電廠，具有投資小、收益高、高效經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。十九大之后，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量增長，燃燒介質(zhì)一般以煤為燃料的中小型自備熱電廠，大多以抽汽背壓式汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)，發(fā)電量占總發(fā)電量的80%左右。隨著環(huán)保要求的提高，小型機(jī)組（50 MW以下）逐漸被淘汰。然而，由于機(jī)組在運(yùn)行、維護(hù)、檢修、改造的過程中存在一些隱患，時(shí)常發(fā)生汽輪機(jī)熱變形、轉(zhuǎn)子的熱彎曲事故，給企業(yè)和社會(huì)造成損失[1-2]。

1 ? ?具體案例分析

2012年12月5日，鹽城某自備電廠1#機(jī)組C級(jí)檢修結(jié)束再次啟動(dòng)后，1#機(jī)于12月6日10時(shí)35分開始沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)速率為200 r/min，10時(shí)40分機(jī)組沖轉(zhuǎn)至500 r/min，初步檢查無異常。11時(shí)05分升速至1 200 r/min，中速暖機(jī)，經(jīng)汽機(jī)人員與電氣人員檢查無異常。11時(shí)15分開啟高壓缸倒暖11#、12#電動(dòng)門，高壓缸進(jìn)行暖缸。11時(shí)26分，汽機(jī)班長吳某令副操周某開高壓缸法蘭加熱進(jìn)汽手動(dòng)門及中高壓缸法蘭加熱器疏水一二次門，操作完后報(bào)告了班長。11時(shí)45分，高壓缸脹差由11時(shí)的0.8 mm上升至1.5 mm，班長吳某開啟高壓缸法蘭加熱電動(dòng)門，投入高壓缸法蘭加熱。11時(shí)51分，發(fā)現(xiàn)中壓缸下部金屬溫度高于上部金屬溫度55 ℃，班長令主操王某就地檢查高中壓缸及本體疏水門，無異常，經(jīng)分析，認(rèn)為溫度測點(diǎn)有問題，立即聯(lián)系熱工處理，12時(shí)35分，測點(diǎn)處理完畢，此時(shí)中壓缸法蘭加熱裝置恢復(fù)正常。12時(shí)46分，投中壓缸法蘭加熱裝置。13時(shí)13分，主操李某在盤上發(fā)現(xiàn)1#機(jī)2瓦水平振動(dòng)及大軸偏心率增大，報(bào)告班長。13時(shí)25分班長就地測量，2#瓦振動(dòng)達(dá)12絲，就地聲音明顯異常，立即緊急停機(jī)。15時(shí)38分，1#機(jī)轉(zhuǎn)速到0，停軸加風(fēng)機(jī)，切換油泵后投盤車，此時(shí)轉(zhuǎn)子偏心率超出500 μm，汽機(jī)悶缸，連盤。15時(shí)55～59分，轉(zhuǎn)子偏心率降至75 μm左右，又逐漸增大到280 μm并趨向穩(wěn)定，連盤。后經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)討論決定：鑒于32 h的連盤后，轉(zhuǎn)子偏心率沒有變小，改電動(dòng)盤車為手動(dòng)盤車（0.5 h手盤180 ℃進(jìn)行轉(zhuǎn)子調(diào)直）。8日11時(shí)30分～13時(shí)，3次手盤待轉(zhuǎn)子偏心率下降后，改投電動(dòng)盤車，轉(zhuǎn)子偏心率升高至260 μm，9日15時(shí)45分，高壓缸上部溫度達(dá)135 ℃，停盤車后開始做揭缸檢查工作，發(fā)現(xiàn)軸瓦磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子熱彎曲變形。

2 ? ?現(xiàn)狀

公司現(xiàn)有兩臺(tái)25 MW的國標(biāo)武漢單缸汽輪機(jī)和一臺(tái)18 MW的非國標(biāo)武漢單缸汽輪機(jī)，都是高壓抽汽背壓式機(jī)組，是集團(tuán)的能源供熱供電中心。抽汽背壓式汽輪機(jī)是從汽輪機(jī)的中間級(jí)抽取部分蒸汽，即一抽，供需要較高壓力等級(jí)3.6 MP的熱用戶堿廠和5#線，共計(jì)160 T/H左右，汽輪機(jī)二抽主要供本廠自用汽和熱水站用汽，共計(jì)50～100 T/H，同時(shí)保持一定背壓的排汽，供需要較低壓力等級(jí)的熱用戶一、二公司和堿廠，共計(jì)430 T/H左右，全年發(fā)電量達(dá)498 000 MW，產(chǎn)汽量4 890 000 T/H，因此，確保機(jī)組全年維持安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 ? ?汽輪機(jī)的熱變形

汽輪機(jī)在啟停和帶負(fù)荷過程中，由于加熱和冷卻速度不同及操作不當(dāng)所形成的溫差，除了使汽缸和轉(zhuǎn)子等產(chǎn)生熱膨脹外，還會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生熱彎曲和熱變形，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永久性彎曲，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

3.1 ?熱變形的規(guī)律

從熱變形原理可知，當(dāng)金屬部件溫度均勻上升，沿長度方向的熱膨脹也是均勻的，如圖1（a）所示。如果金屬部件受熱不均勻，兩側(cè)溫度上升不一致，當(dāng)上側(cè)溫度高于下側(cè)時(shí)，金屬件上側(cè)的膨脹量⊿L2，從而使這個(gè)金屬件向上彎曲，產(chǎn)生了熱變形，如圖1（b）所示。熱變形的規(guī)律：溫度高的一側(cè)向外凸出，溫度低的一側(cè)向內(nèi)凹進(jìn)，俗稱“熱凸冷凹”。運(yùn)行中必須避免熱變形的發(fā)生。

3.2 ?汽輪機(jī)的幾種熱變形

汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)非常不規(guī)則，在啟停過程中各個(gè)部分的加熱或冷卻速度也不相同，使得汽缸和轉(zhuǎn)子內(nèi)溫度的分布情況很不一致，易發(fā)生十分復(fù)雜的熱變形損壞設(shè)備。

3.2.1 ?汽輪機(jī)上下缸溫差引起的幾種熱變形

汽輪機(jī)在啟停過程中，上下汽缸存在著溫差，一般上缸溫度高于下缸溫度。上下缸溫差產(chǎn)生的主要原因有：

（1）上下汽缸的散熱和重量不同。下缸比上缸的重量大。此外，下缸還帶有一二抽汽、排汽、疏水等管道，因此，在同樣保溫、加熱或冷卻條件下，下缸溫度就比上缸溫度低，形成上下缸溫差。

（2）啟動(dòng)時(shí)，蒸汽在汽缸內(nèi)凝結(jié)形成的疏水都經(jīng)抽排汽逆止門前疏水門排出，疏水在汽缸內(nèi)形成的水膜降低了汽缸受熱條件，較高溫度的蒸汽上升過程中加熱上缸，故上缸溫度比下缸高，最終形成了上下缸溫差。

（3）下缸的保溫材料因自身重量，容易脫落導(dǎo)致下缸保溫不佳，使其保溫效果較上缸差，從而形成了上下缸溫差。

（4）下缸處于運(yùn)行平臺(tái)之下，受到下面溫度較低空氣的影響，使下缸加速冷卻，形成上下缸溫差。

（5）停機(jī)后，轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下，汽缸內(nèi)殘存的蒸汽和進(jìn)入的空氣，在汽缸內(nèi)形成對流流動(dòng)，熱汽（氣）流凝聚在上汽缸，冷汽（氣）流和凝結(jié)的疏水在下汽缸，使上下缸的受熱和冷卻程度不一樣，形成了上下缸溫差。

（6）長時(shí)間的空負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行，對只有上部高調(diào)門開啟的汽輪機(jī)，上下缸受熱不均，會(huì)使上下缸溫差逐漸增大。

實(shí)踐證明，上下汽缸過大的溫差就會(huì)造成汽缸向上彎曲的“拱背”熱變形，如圖2所示，但在啟動(dòng)時(shí)，由于下缸加熱及調(diào)整不當(dāng)，使上下缸受熱不均勻，很有可能導(dǎo)致下汽缸溫度高于上汽缸溫度，此時(shí)汽缸可產(chǎn)生向下彎曲變形。

上下缸的最大溫差一般出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級(jí)處。通過試驗(yàn)計(jì)算可知，汽輪機(jī)上下缸溫差每增加20 ℃，調(diào)節(jié)級(jí)下部徑向間隙減少0.2 mm左右。一般汽輪機(jī)隔板汽封徑向間隙比較小，正常為0.4 mm，一般不超過0.7 mm，因此，上下汽缸溫差規(guī)定不得高于35 ℃，嚴(yán)禁超過50 ℃。如果超過50 ℃，徑向間隙很可能就消失，導(dǎo)致動(dòng)靜部分摩擦加大，使轉(zhuǎn)子永久彎曲變形，損壞設(shè)備甚至事故擴(kuò)大化。

3.2.2 ?法蘭內(nèi)外壁溫差和汽缸內(nèi)外壁溫差引起的熱變形

由于金屬機(jī)械強(qiáng)度及受熱不勻等原因，汽輪機(jī)法蘭壁厚度正常都大于汽缸壁厚度，故啟動(dòng)時(shí)在法蘭內(nèi)外壁會(huì)出現(xiàn)溫差，從而導(dǎo)致法蘭橫向和垂直方向的變形，引起熱變形。

（1）法蘭在水平方向的變形。

（2）法蘭在垂直方向的熱變形。

4 ? ?轉(zhuǎn)子的熱彎曲

轉(zhuǎn)子彎曲通常有兩種情況：一種是彈性彎曲，即轉(zhuǎn)子徑向受熱不均，引起轉(zhuǎn)子彎曲，溫差消失后轉(zhuǎn)子即恢復(fù)原狀;另一種是塑性彎曲，即永久性彎曲，不可恢復(fù)，通常是因?yàn)檗D(zhuǎn)子徑向溫差較大時(shí)，引起較大的彎曲，溫差消失后，轉(zhuǎn)子彎曲不能消失。轉(zhuǎn)子彈性彎曲往往會(huì)引起塑性彎曲，導(dǎo)致永久性彎曲，因此，運(yùn)行中應(yīng)使轉(zhuǎn)子均勻加熱或冷卻，以減小熱彎曲，避免產(chǎn)生塑性彎曲。

引起轉(zhuǎn)子彎曲的原因主要有：

（1）機(jī)組升速啟動(dòng)過程中操作不當(dāng)，如轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動(dòng)就向軸封送汽或抽氣管道出口電動(dòng)門、逆止門、快關(guān)閥不嚴(yán)等。

（2）熱態(tài)啟動(dòng)前，轉(zhuǎn)子晃動(dòng)度超過極限值。

（3）停機(jī)后轉(zhuǎn)子靜止，汽缸中有蒸汽漏入或冷卻水使轉(zhuǎn)子受熱不均。

（4）停機(jī)后轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)，上下缸溫差超限使轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生溫差。

（5）上下缸法蘭內(nèi)外存在較大的溫差，在汽缸變形較大的情況下沖動(dòng)轉(zhuǎn)子，使動(dòng)靜部分局部發(fā)生摩擦過熱引起轉(zhuǎn)子彎曲。

（6）機(jī)組停轉(zhuǎn)后，未及時(shí)投入連盤或連盤過程中盤車電機(jī)跳閘未及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)子熱彎曲的數(shù)值可在一定的假設(shè)條件下，根據(jù)上下汽缸的溫差值，用公式作似計(jì)算，但得不到準(zhǔn)確的結(jié)果，故運(yùn)行中通常用直接測量的辦法來求得轉(zhuǎn)子的熱彎曲值?？梢栽诟邏恨D(zhuǎn)子前軸封處或在前軸承箱中安裝千分表，通過測量轉(zhuǎn)子的晃度值來間接地得出轉(zhuǎn)子的熱彎曲最大值：

fmax=0.25fn

式中，fn—千分表所測得軸的晃度值的1/2，mm。

L—兩軸承間轉(zhuǎn)子的長度，mm。

l—千分表與軸承間的距離，mm。

5 ? ?對策

機(jī)組啟動(dòng)過程中、運(yùn)行時(shí)或停止后防止轉(zhuǎn)子彎曲的主要措施如下：

（1）汽輪機(jī)主蒸汽管道電動(dòng)隔離門1、電動(dòng)隔離門2有壓疏水門均開啟。

（2）減溫水手動(dòng)隔離門、調(diào)整門關(guān)閉嚴(yán)密。

（3）1#、2#軸加水封筒加滿水后立即關(guān)閉加水門，觀察水位不超500 mm，否則打開軸加水封筒放水門，防止水從軸封加熱器倒至汽封。

（4）機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中應(yīng)密切監(jiān)視機(jī)組各軸承振動(dòng)，軸承3個(gè)方向（水平、垂直、軸向）振動(dòng)不得超過0.03 mm，特別監(jiān)視垂直振動(dòng)值和異音，否則應(yīng)立即降速，待振動(dòng)消除后在該轉(zhuǎn)速下暖機(jī)10～20 min，再緩慢升速。如發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)達(dá)0.08 mm保護(hù)未動(dòng)作，應(yīng)立即打閘停機(jī)檢查，投入盤車連盤，查明原因消除故障后再?zèng)_轉(zhuǎn)。

（5）轉(zhuǎn)速達(dá)2 800 r/min后，應(yīng)關(guān)小電動(dòng)主汽門后及自動(dòng)主汽門疏水門，防止疏水量太大影響本體疏水暢通。

（6）沖轉(zhuǎn)前應(yīng)對主蒸汽管道、抽汽管道、排汽管道暖管，條件允許可采取正暖和反暖，節(jié)約時(shí)間且充分暖管。

（7）當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視主蒸汽溫度的變化，10 min內(nèi)主蒸汽溫度上升或下降50 ℃，應(yīng)立即緊急停機(jī)。

（8）開機(jī)過程中應(yīng)加強(qiáng)疏水膨脹箱、低位水箱、軸封加熱器水位的監(jiān)視，防止水或冷汽倒入汽缸。

（9）停機(jī)后及時(shí)關(guān)閉電動(dòng)主汽門、抽排汽電動(dòng)門，立即打開向空排汽電動(dòng)門同時(shí)關(guān)閉排汽電動(dòng)隔離門，關(guān)閉門桿漏汽至（高壓、低壓）除氧器手動(dòng)門。

（10）關(guān)閉至除氧器的抽汽電動(dòng)門、疏水門、軸封供汽母管前疏水門。

（11）開啟汽缸本體、導(dǎo)汽管、主蒸汽管、抽汽管道及排汽管道各疏水門，防止水或冷汽倒入汽缸。

（12）停機(jī)轉(zhuǎn)速到0后連盤，密切監(jiān)視上下缸溫度及溫差變化。

6 ? ?結(jié)語

高壓沖擊抽背式汽輪機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子彎曲較大時(shí)，也正是汽缸拱起較大的時(shí)候，這時(shí)汽輪機(jī)動(dòng)靜部分之間的徑向間隙可能逐漸消失，此時(shí)如果轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致其彎曲部位與隔板汽封摩擦加大，這不僅使汽封發(fā)生磨損，而且使轉(zhuǎn)子彎曲部分局部溫度逐漸升高，進(jìn)一步加大轉(zhuǎn)子的彎曲，使得摩擦加劇，機(jī)組振動(dòng)逐漸增大超限，最終發(fā)生轉(zhuǎn)子產(chǎn)生永久變形事故。因此，汽輪機(jī)在啟動(dòng)前連續(xù)盤車過程中，必須測得轉(zhuǎn)子彎曲情況，其彎曲值必須在正常范圍內(nèi)方可啟動(dòng)。一般規(guī)定轉(zhuǎn)子的晃度不允許超過0.05 mm（但隨著取得測晃度位置的不同，其允許值將有所變化），否則禁止啟動(dòng)，不準(zhǔn)啟動(dòng)的這段時(shí)間稱為“死期”。所以汽輪機(jī)應(yīng)避免“死期”，沖轉(zhuǎn)前及時(shí)投入汽輪機(jī)相關(guān)保護(hù)裝置（排汽壓力低不投），嚴(yán)禁解除相關(guān)保護(hù)，保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、長期運(yùn)行。

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