謝昌亞 徐琳濤 陳凱亮 吳 昕

（華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司）

脹差是機(jī)組在啟動(dòng)、停運(yùn)和正常運(yùn)行過(guò)程中反映汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要監(jiān)視參數(shù)［1］，表示的是轉(zhuǎn)子膨脹伸長(zhǎng)值與汽缸膨脹伸長(zhǎng)值之間的差值。脹差產(chǎn)生的根本原因是金屬的熱脹冷縮，由于轉(zhuǎn)子與汽缸在質(zhì)量、材料、質(zhì)面比及換熱過(guò)程等各方面均有所不同［2～4］，導(dǎo)致二者軸向膨脹長(zhǎng)度不同，從而產(chǎn)生相對(duì)位移［5］。一般，轉(zhuǎn)子膨脹伸長(zhǎng)值大于汽缸膨脹伸長(zhǎng)值時(shí)，脹差為正；反之，脹差為負(fù)［6］。脹差的測(cè)量通常采用電渦流傳感器探頭［7］，其安裝位置與機(jī)組滑銷系統(tǒng)和膨脹方向有關(guān)，根據(jù)汽輪機(jī)形式可分為高壓缸脹差、中壓缸脹差和低壓缸脹差。為防止級(jí)間動(dòng)葉和靜葉相對(duì)位移過(guò)大，導(dǎo)致動(dòng)靜葉碰磨、機(jī)組損壞［8，9］，在ETS系統(tǒng)設(shè)置脹差保護(hù)［10］，當(dāng)脹差值大于報(bào)警值或跳機(jī)值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警和停機(jī)指令。通常，機(jī)組運(yùn)行時(shí)監(jiān)視的脹差值是汽輪機(jī)死點(diǎn)至測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)子與汽缸膨脹的差值，但該值并不能直接反映機(jī)組各級(jí)動(dòng)葉與靜葉之間實(shí)際的軸向間隙［11］。文獻(xiàn)［12］指出，在異常情況下可能會(huì)出現(xiàn)脹差值還未大于機(jī)組給定的跳機(jī)值時(shí)動(dòng)、靜葉之間就已經(jīng)產(chǎn)生碰磨的情況，出現(xiàn)這種情況的原因可能是脹差跳機(jī)值偏大或轉(zhuǎn)子膨脹不均、軸向間隙小的部位脹差過(guò)大。根據(jù)脹差測(cè)點(diǎn)的安裝位置，監(jiān)視的脹差值一般是轉(zhuǎn)子與汽缸膨脹差值的最大值，但由于泊松效應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)子在惰走過(guò)程中會(huì)繼續(xù)伸長(zhǎng)，因此給定的脹差跳機(jī)值應(yīng)滿足：脹差保護(hù)觸發(fā)后機(jī)組惰走過(guò)程中，動(dòng)、靜葉之間不會(huì)發(fā)生碰磨。制造廠計(jì)算給定的脹差跳機(jī)值一般考慮了安全裕量，從保護(hù)機(jī)組安全的角度出發(fā)，脹差跳機(jī)值會(huì)偏小一些。但如果脹差跳機(jī)值過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是各級(jí)動(dòng)、靜葉之間間隙滿足運(yùn)行條件，但脹差保護(hù)已經(jīng)觸發(fā)造成機(jī)組停機(jī)；二是由于其他原因停機(jī)，惰走過(guò)程中脹差繼續(xù)增大并超過(guò)報(bào)警值或跳機(jī)值，造成機(jī)組無(wú)法再次掛閘快速啟動(dòng)。如此，脹差便失去監(jiān)測(cè)報(bào)警的意義，并且不利于機(jī)組運(yùn)行。可見(jiàn)，合理的脹差跳機(jī)值應(yīng)具備監(jiān)測(cè)報(bào)警、指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行和保護(hù)機(jī)組安全的作用。

在此，筆者以某新建350 MW超臨界供熱機(jī)組為例，對(duì)調(diào)試期間機(jī)組典型工況的脹差變化過(guò)程進(jìn)行分析，介紹低壓缸脹差跳機(jī)值過(guò)小的問(wèn)題，希望對(duì)同類型機(jī)組的運(yùn)行和調(diào)試工作提供一定的借鑒意義。

1 機(jī)組滑銷系統(tǒng)

某350 MW超臨界供熱機(jī)組采用的是C359/284-24.2/0.4/569/569型超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、單軸、抽凝式汽輪機(jī)。如圖1所示，該機(jī)組共設(shè)置6個(gè)支撐軸承，其中高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子各設(shè)置2個(gè)支撐軸承；高中壓轉(zhuǎn)子前后軸承為落地式可傾瓦軸承，分別安裝在前軸承箱和中低壓軸承箱內(nèi)，低壓轉(zhuǎn)子前后軸承為座缸式橢圓軸承，推力軸承安裝在中低壓軸承箱內(nèi)，位于2#與3#軸承之間。整個(gè)汽輪機(jī)靜子通過(guò)橫鍵相對(duì)于基礎(chǔ)保持兩個(gè)絕對(duì)死點(diǎn)，一個(gè)在中低壓軸承箱基架上2#軸承中心線后609 mm處，另一個(gè)在低壓缸左右兩側(cè)基架上低壓進(jìn)汽中心線前203 mm處。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，高中壓缸、前軸承箱向前膨脹，低壓缸向前后兩個(gè)方向膨脹。高壓內(nèi)缸相對(duì)于外缸的死點(diǎn)在高壓進(jìn)汽中心線后255 mm處，低壓內(nèi)缸相對(duì)于低壓外缸的死點(diǎn)在低壓進(jìn)汽中心線處，高低壓內(nèi)缸分別由死點(diǎn)向前后兩個(gè)方向膨脹。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于靜子的固定點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子的相對(duì)死點(diǎn)，在中低壓軸承箱內(nèi)推力軸承處，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，高中壓轉(zhuǎn)子由此處向調(diào)閥端膨脹，低壓轉(zhuǎn)子由此處向電機(jī)端膨脹。高中壓脹差探頭安裝在前軸承箱內(nèi)，低壓脹差探頭安裝在低壓缸后軸承箱內(nèi)。

2 典型工況脹差變化過(guò)程

2.1 機(jī)組投軸封、高壓缸倒暖

圖2是首次啟動(dòng)前，機(jī)組投軸封、后缸噴水和高壓缸倒暖時(shí)的脹差變化曲線?？梢钥闯?，4時(shí)21分軸封系統(tǒng)開始暖管，機(jī)組逐漸投入軸封，然后高中壓脹差和低壓脹差均有明顯上漲，這是由于汽輪機(jī)軸封體處的轉(zhuǎn)子受熱伸長(zhǎng)而缸體并沒(méi)有明顯加熱所致［13］。根據(jù)以往的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，同類型機(jī)組存在后缸噴水對(duì)低壓缸前、后軸封體溫度影響較大的問(wèn)題，投入后缸噴水后低壓缸前、后軸封體溫度會(huì)劇烈下降，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)異常。為掌握本機(jī)組在該問(wèn)題上的表現(xiàn)特性，在機(jī)組啟動(dòng)之前進(jìn)行了試驗(yàn)，9時(shí)20分后缸噴水尚未投入，低壓缸前后軸封溫度分別為147℃和145℃，9時(shí)30分打開后缸噴水調(diào)閥至50%，閥后噴水壓力0.26 MPa，9時(shí)36分低壓缸前后軸封溫度分別降至99.8℃和100.0℃。從圖2可以看出，投入后缸噴水后，由于低壓前后軸封體溫度降低，低壓脹差下降較為明顯，為控制低壓脹差，在試驗(yàn)后并沒(méi)有完全退出后缸噴水，而是將噴水調(diào)閥關(guān)至20%，低壓缸前、后軸封溫度逐漸上漲至125℃和129℃，低壓脹差隨后開始緩慢上漲。投入高壓缸倒暖后，高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級(jí)溫度逐漸上漲，高中壓脹差、低壓脹差總體呈緩慢上漲趨勢(shì)。綜上所述，本機(jī)組低壓脹差對(duì)軸封溫度反應(yīng)比較敏感，當(dāng)?shù)蛪好洸钸^(guò)大時(shí)，可通過(guò)減小低壓軸封溫度來(lái)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)機(jī)組振動(dòng)無(wú)異常時(shí)，可控制低壓軸封溫度在允許范圍120～170℃的下限。

圖2 機(jī)組投軸封、后缸噴水和高壓缸倒暖時(shí)的脹差變化曲線

2.2 冷態(tài)啟動(dòng)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在沖轉(zhuǎn)時(shí)由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)，與蒸汽之間的對(duì)流換熱系數(shù)較大，與汽缸相比，轉(zhuǎn)子對(duì)溫度的變化更為敏感，汽缸對(duì)蒸汽溫度變化的反應(yīng)較為滯后，因此在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中蒸汽溫度對(duì)脹差的影響較大，并且為了減小冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子所受的熱應(yīng)力，一般選擇低壓微過(guò)熱蒸汽來(lái)降低轉(zhuǎn)子表面與轉(zhuǎn)子中心的溫差［14］。

為控制脹差，本機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)期間嚴(yán)格控制蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定性，主蒸汽保持在4.5 MPa、380℃左右，再熱蒸汽保持在0.6 MPa、350℃左右，機(jī)組從沖轉(zhuǎn)至定速3 000 r/min的過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生由于蒸汽溫度波動(dòng)導(dǎo)致的脹差異常問(wèn)題。圖3是冷態(tài)沖車過(guò)程中的脹差變化曲線，可以看出，當(dāng)日23時(shí)56分機(jī)組定速500 r/min，進(jìn)行打閘摩檢，摩檢完成后繼續(xù)掛閘升速，次日0時(shí)24分機(jī)組定速1 500 r/min進(jìn)行中速暖機(jī)。1時(shí)52分中速暖機(jī)結(jié)束后機(jī)組繼續(xù)升速，2時(shí)16分機(jī)組首次定速3 000 r/min。由于定速后機(jī)組振動(dòng)緩慢上漲，3時(shí)4分4#瓦x向振動(dòng)上漲至141μm，y向振動(dòng)上漲至96μm，5#瓦x向振動(dòng)上漲至156μm，y向振動(dòng)上漲至69μm，機(jī)組打閘降速至1 500 r/min并繼續(xù)暖機(jī)，4時(shí)3分機(jī)組升速，4時(shí)10分機(jī)組定速3 000 r/min，各瓦振動(dòng)正常穩(wěn)定，從脹差隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化曲線可以看出，本機(jī)組低壓脹差和高中壓脹差受泊松效應(yīng)的影響比較明顯，尤其是低壓脹差，從1 500 r/min升速至3 000 r/min的過(guò)程中，低壓脹差下降了1.8 mm；降速過(guò)程中，低壓脹差上漲了1.8 mm。當(dāng)機(jī)組定速后，高中壓脹差、低壓脹差逐漸緩慢上漲。

圖3 冷態(tài)沖車過(guò)程中的脹差變化曲線

2.3 熱態(tài)和極熱態(tài)啟動(dòng)

由于噴嘴至動(dòng)葉比動(dòng)葉至噴嘴的距離更近，所以負(fù)脹差相對(duì)于正脹差來(lái)說(shuō)更加危險(xiǎn)［15］，因此機(jī)組在熱態(tài)和極熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，蒸汽溫度和軸封溫度的選擇尤為重要，要避免因溫度過(guò)低，導(dǎo)致對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，從而產(chǎn)生較大的負(fù)脹差。圖4是機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)脹差變化曲線。熱態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前，主蒸汽溫度477℃、壓力6.60 MPa，再熱蒸汽溫度489℃、壓力0.78 MPa，高中壓脹差1.1 mm，低壓脹差4.7 mm，調(diào)節(jié)級(jí)后內(nèi)缸內(nèi)壁上半溫度397℃、下半溫度399℃，中壓進(jìn)汽腔室內(nèi)壁溫度377℃。從圖4可以看出，隨著機(jī)組升速，在泊松效應(yīng)的影響下，高中壓脹差和低壓脹差均有明顯下降，由于蒸汽溫度較高，沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)子造成冷卻，脹差并未出現(xiàn)負(fù)值，若此時(shí)蒸汽溫度過(guò)低，則極有可能出現(xiàn)較大的負(fù)脹差，威脅機(jī)組安全。在機(jī)組并網(wǎng)瞬間，由于機(jī)組進(jìn)汽量突然增加，導(dǎo)致軸向推力突增，整個(gè)轉(zhuǎn)子向電機(jī)端有位移。從圖4可以看出，并網(wǎng)瞬間軸位移有明顯上漲，造成高中壓脹差和低壓脹差產(chǎn)生相反方向的輕微變化。極熱態(tài)啟動(dòng)脹差變化過(guò)程（圖5）與熱態(tài)啟動(dòng)基本一致，在此不再贅述。

圖4 熱態(tài)啟動(dòng)脹差變化曲線

圖5 極熱態(tài)啟動(dòng)脹差變化曲線

2.4 甩負(fù)荷試驗(yàn)

大型發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)是檢驗(yàn)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要試驗(yàn)，也是考核配套設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能最直接的手段。甩負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)脹差變化的影響主要是通過(guò)影響軸位移實(shí)現(xiàn)的。圖6、7分別是甩50%負(fù)荷和甩100%負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程脹差變化曲線。甩負(fù)荷瞬間調(diào)節(jié)汽閥全關(guān)、機(jī)組不進(jìn)汽，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后機(jī)組進(jìn)汽量比帶負(fù)荷時(shí)大幅減少，機(jī)組軸位移變小，低壓脹差下降、高中壓脹差上漲。試驗(yàn)完成機(jī)組打閘后，在泊松效應(yīng)的影響下，高中壓脹差和低壓脹差均逐漸上漲。

圖6 甩50%負(fù)荷試驗(yàn)脹差變化曲線

圖7 甩100%負(fù)荷試驗(yàn)脹差變化曲線

3 存在的問(wèn)題

筆者針對(duì)低壓脹差報(bào)警值、跳機(jī)值偏小的問(wèn)題進(jìn)行分析。

廠商原給定低壓脹差報(bào)警值和跳機(jī)值分別為6.3、6.8 mm，在整套系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)試期間，隨著轉(zhuǎn)子與汽缸不斷被加熱，機(jī)組熱膨脹不斷發(fā)展，低壓脹差大致穩(wěn)定在5.9～6.2 mm之間，基本符合設(shè)計(jì)值5.9 mm的要求。由于低壓轉(zhuǎn)子受泊松效應(yīng)影響較大，機(jī)組在跳閘停機(jī)后低壓脹差快速上漲并依次超過(guò)報(bào)警值和跳機(jī)值，同時(shí)由于DEH系統(tǒng)脹差超過(guò)報(bào)警值時(shí)不滿足掛閘條件，造成機(jī)組無(wú)法再次掛閘，還需等待低壓脹差下降至報(bào)警值以下時(shí)才能掛閘，導(dǎo)致機(jī)組不能快速啟動(dòng)。如圖8所示，15時(shí)0分，機(jī)組正在進(jìn)行協(xié)調(diào)變負(fù)荷試驗(yàn)，汽輪機(jī)跳閘，首出“鍋爐MFT”，后查明原因?yàn)橐淮物L(fēng)機(jī)動(dòng)葉機(jī)械結(jié)構(gòu)故障造成鍋爐負(fù)壓波動(dòng)過(guò)大。汽輪機(jī)跳閘前低壓脹差5.8 mm，跳閘瞬間由于軸位移的變化低壓脹差降至5.5 mm左右，而后隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，低壓脹差快速上漲，最高至7.58 mm，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速在1 125 r/min左右。泊松效應(yīng)的作用釋放完畢后，轉(zhuǎn)子冷卻縮短，低壓脹差開始緩慢下降，機(jī)組轉(zhuǎn)速降至0時(shí)，低壓脹差降至6.8 mm。針對(duì)上述現(xiàn)象，廠商設(shè)計(jì)人員重新核算機(jī)組低壓脹差，將低壓脹差報(bào)警值和跳機(jī)值分別修正為7.5 mm和8.0 mm，由于低壓脹差量程為-6～8 mm，經(jīng)商議決定將低壓脹差跳機(jī)值設(shè)置為7.7 mm，報(bào)警值設(shè)置為7.2 mm。

圖8 惰走過(guò)程1脹差變化曲線

盡管提高了低壓脹差報(bào)警值和跳機(jī)值，但在之后的一次機(jī)組跳閘惰走過(guò)程中，低壓脹差仍超限。如圖9所示，7時(shí)50分，機(jī)組準(zhǔn)備進(jìn)行低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)，負(fù)荷降至140 MW，低壓脹差6.2 mm、高中壓脹差5.6 mm；7時(shí)51分汽輪機(jī)跳閘，首出“鍋爐MFT”，跳閘后各閥門關(guān)閉正常，潤(rùn)滑油泵聯(lián)啟正常，惰走過(guò)程中低壓脹差快速上漲，通過(guò)開啟后缸噴水和低壓軸封減溫水降低軸封溫度、提高機(jī)組背壓來(lái)控制上漲趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速惰走至1 200 r/min時(shí)，低壓脹差最高上漲至7.9 mm，隨后開始下降。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，之后并沒(méi)有對(duì)低壓脹差跳機(jī)值做進(jìn)一步修改，也沒(méi)有檢查探頭零位設(shè)置是否有問(wèn)題。在機(jī)組168 h試運(yùn)結(jié)束后，需針對(duì)該問(wèn)題做進(jìn)一步檢查。

圖9 惰走過(guò)程2脹差變化曲線

4 結(jié)論

4.1 軸封溫度對(duì)本機(jī)組低壓脹差影響較為明顯，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為減小低壓脹差可盡量控制軸封溫度在允許范圍120～170℃的下限；熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，要避免軸封溫度過(guò)低對(duì)軸封體處的轉(zhuǎn)子造成冷卻，產(chǎn)生負(fù)脹差。

4.2 整個(gè)調(diào)試期間，主再熱蒸汽參數(shù)選取合理且控制穩(wěn)定，并沒(méi)有出現(xiàn)因溫度異常造成機(jī)組脹差異常的問(wèn)題。

4.3 甩負(fù)荷試驗(yàn)期間，機(jī)組脹差變化不明顯；脫網(wǎng)瞬間，因?yàn)檩S位移的變化，高中壓脹差和低壓脹差向相反方向有輕微變化。

4.4 低壓脹差受泊松效應(yīng)影響比較明顯，在機(jī)組惰走過(guò)程中最大可增加2 mm，并超過(guò)低壓脹差報(bào)警值和跳機(jī)值，對(duì)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，在提高低壓脹差報(bào)警值和跳機(jī)值后，并沒(méi)有根本解決該問(wèn)題。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，沒(méi)有進(jìn)一步進(jìn)行檢查，后續(xù)應(yīng)對(duì)低壓脹差安裝零位進(jìn)行檢查校準(zhǔn)，并重新核算低壓脹差跳機(jī)值的安全裕量，確保機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行。