石二陽

（中海油阜寧熱電有限責任公司）

0 引言

在汽輪機處于工作狀態(tài)時，務必保證其轉子與氣缸之間保持基本一致的軸向熱脹速率[1-2]。脹差這個參數(shù)就能夠從數(shù)值上對轉子與氣缸膨脹或收縮時，掌握軸向位置的瞬時變化情況[3-4]。脹差對于汽輪機的啟動加熱、停機冷卻，或是正常工況變換都是非常重要的參數(shù)，脹差參數(shù)過大或過小都不合適，可能導致汽輪機的軸向間隙出現(xiàn)異常，進而導致汽輪機的轉子與氣缸之間出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，進而導致汽輪機嚴重損壞[5-6]。因此，在汽輪機運行時，必須對汽輪機的脹差參數(shù)進行實時監(jiān)測，對脹差產生原因、變化規(guī)律進行深入研究?？偨Y出一套科學、有效的脹差異常處理方法，對于技術人員來說意義重大[7-8]。

1 脹差的概念

汽輪機的轉子與氣缸之間所產生的熱膨脹差值就稱為汽輪機的脹差。汽輪機在啟動、停機、調載、變參數(shù)運行時，轉子和氣缸分別以各自的死點為基準進行膨脹和收縮[9]。氣缸本身的質量大，與蒸汽接觸的面積又比較小，而轉子本身質量小，與蒸汽接觸的面積又比較大，當轉子轉動時，蒸汽對于轉子的放熱系數(shù)要遠大于蒸汽對于氣缸的放熱系數(shù)，這樣就造成轉子隨著蒸汽溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮的速度要遠大于氣缸隨著蒸汽溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮的速度，氣缸與轉子之間發(fā)生的熱膨脹值稱為汽輪機的相對脹差。如果轉子在軸向的膨脹值要大于氣缸在軸向的膨脹值，則稱為正脹差；轉子在軸向的膨脹值要小于氣缸在軸向的膨脹值，則稱為負脹差。汽輪機調節(jié)原理如下圖所示。

圖 汽輪機調節(jié)原理

軸向相對值由轉子與軸承座之間的推力軸承確定，而推力軸承的具體位置則是轉子與汽缸軸向膨脹差值的相對平衡點。如果將汽輪機轉子帶高壓缸至進汽口的距離設為l，則可以認為兩者之間的平均升高溫度為t，這些數(shù)值的產生都是相對而言的，那么該橫截面上生成的相對膨脹值為：

2 脹差產生原因

2.1 正脹差產生原因

多種原因會導致汽輪機產生正脹差。當汽輪機在啟動的時候，暖機不夠充分，從而導致汽輪機的轉子速度提升過快，或負載的增加速度過快，引起正脹差的產生；氣缸夾層和法蘭的加熱裝置產生的加熱溫度不足或加熱氣量過低會導致氣加熱效果不顯著，引起正脹差產生；軸封氣溫過高或軸封供氣流量過大，從而導致肘頸部位過分拉伸，也會引起汽輪機的正脹差產生；除此之外，雙層鋼夾層中流入冷空氣、脹差檢測器為校準零點、真空變化、轉子轉速變化等都會引起正脹差。

2.2 負脹差產生原因

多種原因會導致汽輪機產生負脹差。負載迅速降低、主氣溫突然降低、汽輪機啟動時進氣溫度低于金屬溫度等；此外，軸封溫度過低、軸向位移改變，軸承油溫過低等都會導致汽輪機出現(xiàn)負脹差；當汽輪機啟動后轉子轉速突然快速升高，并且轉子由于離心力的作用，會導致軸向尺寸發(fā)生變化，由此便會產生顯著的負脹差；當氣缸的夾層中流入高溫蒸汽后，高溫蒸汽可能來自加熱裝置，也可能來自進氣套管的漏氣，這樣也會造成負脹差。

3 脹差變化與汽輪機運行的關系

3.1 汽輪機不同工況下脹差變化

汽輪機在不同的運行工況下所產生的脹差變化情況也是不盡相同的，具體可以概括為如下幾種情況：

1）當汽輪機處于正常運行狀態(tài)時，汽輪機轉子和氣缸之間的溫度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其膨脹值也是相對穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)較大的脹差變化。

2）當汽輪機處于異常運行狀態(tài)時，其膨脹值也是不穩(wěn)定的，如果汽輪機的進氣量發(fā)生變化或進行其他錯誤的操作時，轉子和氣缸的膨脹值也會隨著進氣量的變化而發(fā)生變化，從而脹差值也出現(xiàn)變化。

3）汽輪機的啟動或停止也會對脹差值產生一定程度的影響，如果汽輪機在冷狀態(tài)下啟動其轉子在轉速提升的過程中，加熱速度會很快，其脹差為正脹差并且上升速度也很快。但汽輪機在熱狀態(tài)下啟動時，汽輪機的氣缸內整體溫度較高，轉沖時的蒸汽進入氣缸后，由于蒸汽的溫度要低于氣缸本身的溫度，所以會產生冷卻效果，產生的脹差是負脹差。

4）當汽輪機負載降低或者停機，汽輪機內的蒸汽溫度也會隨之降低，轉子的溫度變化更為劇烈，所以溫度下降更快，從而導致轉子與氣缸之間出現(xiàn)了負脹差。

5）在汽輪機的負載增加的過程中，汽輪機轉子于氣缸之間也會形成正脹差，正脹差會隨汽輪機的啟動而上升，當汽輪機停機時，其脹差值也會呈現(xiàn)下降趨勢。

3.2 脹差變化對汽輪機運行的影響

汽輪機的脹差是影響汽輪機運行的一項重要參數(shù)。汽輪機的脹差對汽輪機的運行會產生十分顯著的影響，脹差參數(shù)的大小也能夠反應汽輪機內部轉子與氣缸之間軸向間隙的變化，無論哪個軸方向間隙發(fā)生變化都可能會導致轉子與氣缸之間出現(xiàn)摩擦，從而損壞汽輪機內部的機械部件，降低汽輪機的使用壽命，甚至造成后果嚴重的安全事故。

4 汽輪機脹差控制方法

汽輪機在不同運行工況產生的脹差變化會對汽輪機的正常運行造成影響。因此在汽輪機處于運行狀態(tài)時，必須對脹差進行科學、合理的控制。首先在汽輪機蒸汽溫度升高和降低的過程中，轉子轉速和負載也會出現(xiàn)變化，因此需要對氣缸和轉子之間的溫度差進行嚴格的控制，務必保證轉子和氣缸的溫度差保持在允許的范圍內；其次對汽輪機相關的加熱裝置進行科學運用，還應當利用氣封供氣實現(xiàn)脹差控制，由于氣封供氣是通過軸溫度產生影響的，需要通過收縮方式進行脹差控制，所以說在汽輪機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，一旦脹差發(fā)生變化，則可以通過供氣時間和供氣溫度進行脹差控制。

4.1 選擇合理的啟動參數(shù)

汽輪機轉子和氣缸的熱狀態(tài)的變化都會與進氣參數(shù)的變化相關聯(lián)，并且轉子的熱狀態(tài)變化更快，這樣就導致脹差的變化，所以合理的啟動參數(shù)才能夠保證汽輪機的順利沖轉。

4.2 合理運用軸封抽汽器

汽輪機大軸直接與軸封抽汽器相連，所以軸封抽汽器的溫度會直接影響汽輪機大軸伸縮，進而影響到脹差。汽輪機的軸封抽汽器與軸封風機相連，這樣便可以通過軸封風機抽取汽封中多余的蒸汽。在汽輪機冷態(tài)啟動狀態(tài)下沖轉前投入軸封風，這樣就能夠有效抑制脹差值的正向增大。如果正向脹差值增長過快，則需要同時開啟兩臺風機。在汽輪機處于熱態(tài)啟動狀態(tài)下時會出現(xiàn)沖轉前工況，為了保證轉子正常狀態(tài)，此時要禁止啟用軸封風機。

4.3 沖轉過程中實時調節(jié)空排氣閥開口幅度

汽輪機的背壓蒸汽排空后，其向空排氣閥的開口幅度會影響氣缸溫度和脹差。所以在汽輪機處于沖轉時，應當調節(jié)汽輪機進氣量，進而對空排氣閥的開口幅度進行調整，這樣就能夠對脹差進行很好的抑制。

4.4 控制負變化荷率及機組啟停過程中主蒸汽溫度變化率

沖轉程中應控制汽輪機脹差值變化趨勢，采取設備廠家說明書規(guī)定蒸汽參數(shù)及負荷升降速率，并嚴格控制機組暖機負荷及暖機時間，若發(fā)現(xiàn)汽輪機脹差異常，首先確認脹差異常方向，保持機組負荷，減少主蒸汽溫度波動，如發(fā)現(xiàn)正脹差增大，應降低主蒸汽溫度，或逐漸降低機組負荷；如發(fā)現(xiàn)負脹差增大，應提高主蒸汽溫度，或逐漸提升機組負荷。

4.5 及時將各部位的汽封漏氣放進去

汽輪機在啟動后，如果漏氣壓力達到了一定的程度，應及時將各段氣封漏氣投入，減少大軸的加熱汽量，從而有效控制脹差正值增長速度。

4.6 科學控制燃機溫度匹配

投運燃機溫度匹配功能，汽輪機冷態(tài)啟動，燃機發(fā)啟動令，燃機正常啟動至全速空載狀態(tài)，燃機發(fā)電機并網(wǎng)帶初負荷，投入燃機溫度匹配功能，溫度匹配溫度控制目標設定為燃機當前排氣溫度，在DCS溫度匹配畫面溫度匹配溫升降速率設置為0.2℃/s，溫度匹配溫度控制目標設為與燃機當前排氣溫度偏差5～25℃，燃機自動調整至目標值，通過控制燃機排氣溫度，匹配鍋爐升溫升壓及汽機冷態(tài)沖轉參數(shù)汽輪機滿速后脹差較不投運溫匹明顯降低，汽機帶負荷時間明顯縮短。

5 實例分析

某企業(yè)汽輪機工作異常情況：下半汽缸內外壁溫度下降速度高于上半汽缸，上下汽缸溫差緩變其均勻增大超過60℃，負脹差也隨上下汽缸溫度差變化增加超過－1.5mm。停機后汽缸溫度沒有突變，說明氣缸內基本不存在積水；真空和軸封壓力為零與惰走結束時間基本一致，這樣就排除了汽缸內存在負壓吸入冷氣的可能；而下汽缸的溫度降低速度要高于上汽缸，并且轉子收縮速度更快，表明由冷氣帶走下汽缸和轉子的熱量。

基于上述分析，存在兩種較為合理的推測：

1）下汽缸連接管道存在積水，積水吸收下汽缸熱量，并產生低溫蒸汽，以很小流量持續(xù)灌入汽缸冷卻轉子；

2）止回閥基于反向壓差抑制蒸汽倒灌，停機后如果止回閥后存在低溫蒸汽，止回閥可能由于壓差不足而無法保證絕對嚴密，導致低溫蒸汽通過止回閥灌入汽缸，對下汽缸和轉子進行冷卻。

6 結束語

經(jīng)過本文的深入分析，可以知道汽輪機在啟動、停機、正常運行等工況時，其內部的溫度差異會使轉子、氣缸產生形變，繼而嚴重影響汽輪機的工作。因此必須對汽輪機的脹差進行深入分析，從產生原因及影響結果深入展開。從而得到抑制汽輪機脹差現(xiàn)象的有效策略，保證脹差控制在允許范圍內，從而延長汽輪機的使用壽命，最大程度實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。