張迎喜

（大唐東營發(fā)電有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

某廠二期2×660 MW 超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)為CCLN660-25/600/600 超超臨界、單軸、三缸四排汽、一次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)本體監(jiān)視設(shè)置有低壓缸脹差、缸脹，汽輪機(jī)設(shè)有脹差保護(hù)，報(bào)警值為+22.7 mm、-0.76 mm，跳閘值為+23.5 mm、-1.52 mm。機(jī)組啟動(dòng)加熱、停運(yùn)冷卻以及負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，汽缸和轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生熱膨脹或冷卻收縮，轉(zhuǎn)子與汽缸之間的相對(duì)膨脹差稱為脹差。脹差過大或過小，意味著汽輪機(jī)動(dòng)靜部分相對(duì)間隙發(fā)生了變化，如果脹差值超過了規(guī)定值，動(dòng)靜間隙消失，就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦，可能引起機(jī)組振動(dòng)增大，甚至葉片斷裂、大軸彎曲等事故［1］。因此，在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停運(yùn)以及發(fā)生事故過程中應(yīng)該嚴(yán)密監(jiān)視和控制高低壓缸脹差在規(guī)定的范圍內(nèi)。

1 汽輪機(jī)脹差偏大原因分析

1.1 軸封供汽溫度對(duì)脹差的影響

汽輪機(jī)掛閘沖轉(zhuǎn)前，主汽門關(guān)閉，對(duì)汽輪機(jī)本體能夠產(chǎn)生影響的只有軸封系統(tǒng)。當(dāng)汽輪機(jī)軸封投入、建立真空后，軸封蒸汽直接與轉(zhuǎn)子軸頸接觸，通過軸封齒一部分進(jìn)入氣缸，一部分經(jīng)軸封回汽到軸加。

對(duì)某次冷態(tài)啟動(dòng)進(jìn)行分析。如圖1 所示，06：03軸封投入，機(jī)組點(diǎn)火升溫升壓，此時(shí)脹差為-0.344 mm，缸脹為6.364 mm，第一級(jí)金屬溫度88.159 ℃。至13：52，脹差6.505 mm，缸脹7.047 mm，第一級(jí)金屬溫度85.88 ℃，主汽溫度362 ℃，主汽壓力10.18 MPa。投入軸封抽真空后，經(jīng)過7.8 h，脹差從-0.344 mm 增加到6.505 mm，增加了6.849 mm，缸脹從6.364 mm增加到7.047 mm，增加了0.683 mm。

圖1 冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)軸封溫度對(duì)脹差的影響

因?yàn)闄C(jī)組未掛閘，第一級(jí)金屬溫度基本沒有變化。由此可以得出，此階段脹差、缸脹變化的主要影響因素是軸封供汽溫度。從缸脹和脹差變化的幅度看出，軸封供汽溫度對(duì)缸脹影響不大，對(duì)脹差影響明顯，即此時(shí)軸封投入對(duì)轉(zhuǎn)子軸頸加熱使轉(zhuǎn)子明顯伸長。

1.2 泊桑效應(yīng)對(duì)脹差的影響

泊桑效應(yīng)在材料力學(xué)中指一個(gè)桿件被縱向拉伸邊長的時(shí)候，其橫向?qū)挾染鸵冃?。?duì)汽輪機(jī)而言，轉(zhuǎn)子在升速的時(shí)候，受到離心力的作用，而變粗、變短，轉(zhuǎn)速下降的時(shí)候，而變細(xì)、變長［2］。

為了分析泊桑效應(yīng)對(duì)脹差的影響，分別調(diào)取了機(jī)組冷態(tài)和熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)的曲線，對(duì)汽輪機(jī)從盤車轉(zhuǎn)速至3 000 r/min 時(shí)相關(guān)參數(shù)的變化進(jìn)行對(duì)比，如圖2和圖3所示。

圖2 冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)泊桑效應(yīng)對(duì)脹差的影響

圖3 溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)泊桑效應(yīng)對(duì)脹差的影響

如圖2 所示，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)分為兩個(gè)階段，一階段從盤車轉(zhuǎn)速到中速暖機(jī)2 250 r/min，并進(jìn)行暖機(jī)120 min；二階段中速暖機(jī)至3 000 r/min，定速。每一階段升速過程時(shí)間較短，且參數(shù)基本穩(wěn)定，可以忽略汽輪機(jī)進(jìn)汽對(duì)脹差的影響。第一階段脹差由6.734 mm降至4.374 mm，減小2.36 mm。第二階段脹差由8.778 mm 降至6.602 mm，減小2.176 mm。即冷態(tài)情況下，從盤車轉(zhuǎn)速到2 250 r/min，泊桑效應(yīng)使轉(zhuǎn)子收縮2.36 mm，2 250 r/min 至3 000 r/min 泊桑效應(yīng)使轉(zhuǎn)子收縮2.176 mm。

如圖3 所示，溫態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過程中主汽壓力、主汽溫度、真空、軸封壓力、軸封溫度基本穩(wěn)定，因?yàn)闇貞B(tài)啟動(dòng)沒有中速暖機(jī)，從掛閘到轉(zhuǎn)速3 000 r/min，共用時(shí)46 min，從圖中曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速升高脹差成比例下降，整個(gè)升速過程脹差因泊桑效應(yīng)從5.857 mm降至0.262 mm，減小了5.519 mm。

2 機(jī)組啟動(dòng)過程脹差偏大原因分析及控制措施

5月12日，3號(hào)機(jī)組停運(yùn)，5月13日00：11，破壞真空、退軸封，解列輔汽。5月14日18：30，軸封暖管，軸封系統(tǒng)投入。20：45，啟動(dòng)真空泵，開始抽真空。5月15日05：30蒸汽品質(zhì)合格，主汽溫度440 ℃，主汽壓力8.9 MPa，調(diào)節(jié)級(jí)金屬溫度356 ℃，汽輪機(jī)沖車。

2.1 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)脹差變化分析

1）投入軸封時(shí)脹差減小。如圖4所示，5月14日軸封投入初期脹差減小了1 mm，此時(shí)高壓軸封溫度218 ℃，低壓軸封溫度44.96 ℃，經(jīng)提高軸封壓力后，低壓軸封溫度顯示值達(dá)到88.8 ℃，此時(shí)高壓軸封溫度未變。

圖4 溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)軸封溫度對(duì)脹差的影響

原因分析：1）溫態(tài)情況下軸封供汽暖管不充分，投入軸封時(shí)有部分冷汽進(jìn)入軸封系統(tǒng)，引起軸頸受冷收縮。2）軸封供汽壓力不足，低壓軸封處密封不足，真空負(fù)壓情況下將環(huán)境中冷空氣抽吸至軸頸處，引起軸頸冷卻［3］。軸封溫度顯示44.96 ℃，分析原因?yàn)榈蛪狠S封溫度測點(diǎn)安裝位置在低壓缸排氣口附近，受低壓缸噴水減溫的影響，顯示失真。

2）軸封投入后脹差增加量較以往速度變緩。軸封投入后5 h僅增加0.367 mm，此時(shí)低壓軸封溫度一直顯示45 ℃，通過提高軸封壓力低壓軸封溫度顯示值至92 ℃，4 h 脹差增加1.221 mm。

原因分析：軸封壓力控制的偏小導(dǎo)致低壓軸封供汽量不足，低壓轉(zhuǎn)子軸頸加熱量不足，低壓轉(zhuǎn)子軸封部分區(qū)域可能存在抽吸冷空氣的現(xiàn)象。

3）此次沖轉(zhuǎn)前脹差值較以往機(jī)組啟動(dòng)時(shí)偏小。在軸封溫度、壓力值均達(dá)到以往機(jī)組啟動(dòng)值時(shí)，脹差最大到?jīng)_轉(zhuǎn)前3.83 mm，此后一直到?jīng)_車時(shí)脹差都沒有繼續(xù)增加。

原因分析：1）缸脹下降較以往停機(jī)慢。此次停機(jī)為臨停，停機(jī)前控制汽溫較高，汽輪機(jī)缸體溫度較以往停機(jī)偏高，汽缸收縮慢，缸脹到機(jī)組再次啟動(dòng)時(shí)僅降至19.98 mm。2）停機(jī)后軸封退出早，轉(zhuǎn)子失去加熱源，收縮加快。因輔汽系統(tǒng)有檢修，軸封、輔汽退出時(shí)間較以往停機(jī)提前10 h。綜合缸脹減小慢、轉(zhuǎn)子收縮快，導(dǎo)致機(jī)組到啟動(dòng)前脹差也沒有暖到與以往水平，為機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中脹差負(fù)值超報(bào)警值埋下了隱患。

4）升速過程中脹差隨轉(zhuǎn)速升高而下降。如圖5所示，汽機(jī)掛閘22 min 內(nèi)沖轉(zhuǎn)至2 250 r/min，脹差減小至1.128 mm，轉(zhuǎn)速由2250 r/min 至2 900 r/min，脹差下降至-0.953 mm，經(jīng)暖機(jī)后，轉(zhuǎn)速由2 900 r/min 沖至3 000 r/min，脹差由-0.511mm降至-0.755 mm。

圖5 溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)泊桑效應(yīng)對(duì)脹差的影響

原因分析：沖轉(zhuǎn)時(shí)主汽溫度459 ℃，調(diào)節(jié)金屬溫度356 ℃，第一級(jí)蒸汽溫度348 ℃，主蒸汽過熱度111 ℃，沖轉(zhuǎn)過程中主汽溫度、調(diào)節(jié)級(jí)金屬溫度及調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫度基本沒有變化，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及缸體的影響忽略，脹差變化的主導(dǎo)因素為泊松效應(yīng)，3 次升速脹差分別下降了2.253 mm、2.081 mm、0.244 mm。通過曲線還可以看到轉(zhuǎn)速在900 r/min以前脹差基本沒有變化，即泊松效應(yīng)在900 r/min 以后開始影響轉(zhuǎn)子伸縮。

綜上所述，該660 MW 超超臨界一次再熱汽輪機(jī)，沖轉(zhuǎn)過程中脹差的變化主要有以下特點(diǎn)。

1）冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組掛閘前，軸封是影響汽輪機(jī)缸脹及脹差的主要因素，且對(duì)脹差的影響顯著［4］。軸封投入7 h，脹差增加6.849 mm，缸脹增加0.683 mm。

2）在機(jī)組沖轉(zhuǎn)升速過程中，泊桑效應(yīng)是影響機(jī)組脹差的主要因素。熱態(tài)時(shí)影響5.519 mm，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)因中速暖機(jī)的因素，泊桑效應(yīng)影響脹差4.536 mm。

3）泊桑效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子的影響在900 r/min以后才明顯顯現(xiàn)，并且明顯與轉(zhuǎn)速升速率成比例。1 000 r/min 以后，轉(zhuǎn)速平均每升高100 r/min，因泊松效應(yīng)收縮約0.25 mm。

4）汽輪機(jī)停機(jī)后，汽缸及轉(zhuǎn)子因冷卻收縮，軸封退出后轉(zhuǎn)子冷卻收縮速率明顯大于汽缸。

2.2 控制脹差偏大的應(yīng)對(duì)措施

1）合理控制沖轉(zhuǎn)參數(shù)，增加機(jī)組沖轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)汽量。降低沖轉(zhuǎn)時(shí)主汽壓力，通過鍋爐升溫生壓時(shí)與旁路相配合維持沖轉(zhuǎn)壓力5.6～7.5 MPa。提高主汽溫度，根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)金屬溫度，調(diào)整主再熱汽溫至446 ℃。降低機(jī)組背壓，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升速和初負(fù)荷暖機(jī)期間，維持凝汽器真空在85～88 kPa。高加、低加隨機(jī)組沖轉(zhuǎn)及時(shí)投入，亦能增加汽輪機(jī)進(jìn)氣量，有利于汽輪機(jī)暖機(jī)。

2）選擇合適的軸封供汽溫度［5］。調(diào)整軸封供汽汽源，提高軸封供汽溫度、壓力，將軸封供汽壓力由28 kPa 提高至40 kPa，低壓軸封溫度提高了40 ℃后，脹差明顯增加。

3）合理安排軸封投退時(shí)間。針對(duì)本類形式的汽輪機(jī)，如果是短時(shí)間停機(jī)，汽輪機(jī)可以保持軸封、真空系統(tǒng)連續(xù)投入，減緩轉(zhuǎn)子收縮。機(jī)組檢修后啟動(dòng)前脹差偏小時(shí)，應(yīng)將投軸封、抽真空時(shí)間提前。

4）汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)，充分考慮泊桑效應(yīng)對(duì)脹差的影響。根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)，從盤車轉(zhuǎn)速至3 000 r/min，泊桑效應(yīng)使脹差減小5.5 mm，機(jī)組設(shè)置的脹差報(bào)警值為-0.76 mm，跳閘值為-1.52 mm，應(yīng)保證在沖轉(zhuǎn)前機(jī)組脹差在4.7 mm以上，否則應(yīng)在中速暖機(jī)時(shí)增加暖機(jī)時(shí)間。本次為溫態(tài)啟動(dòng)，不需要中速暖機(jī)，但為了保證脹差裕度并避開臨界轉(zhuǎn)速，在中速暖機(jī)6 min，并在2 900 r/min 暖機(jī)24 min，避免了脹差負(fù)值大停機(jī)的發(fā)生。

3 結(jié)語

針對(duì)某660 MW 超超臨界汽輪機(jī)在啟動(dòng)過程中遇到負(fù)脹差超報(bào)警值而影響機(jī)組正常啟動(dòng)的問題，通過對(duì)機(jī)組多次啟動(dòng)過程中脹差變化的對(duì)比、分析，找出了汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中影響機(jī)組脹差變化的主要因素并制定了相應(yīng)的控制措施，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)脹差超限問題得以解決。