溫態啟動下1000WM汽輪機脹差變化及控制研究

摘 要：脹差定義為汽輪機轉子和汽缸之間膨脹或收縮的差值，該參數的變化直接關系著汽輪機的安全運行。因此，本文以國產1000MW超超臨界機組為研究對象，針對溫態啟動過程中汽輪機脹差的變化規律、引發脹差的原因進行深入分析探討，并提出相應的有效合理的控制措施，這對實現機組的安全高效運行有著重要的現實意義。

關鍵詞：汽輪機；脹差；溫態啟動；控制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.240

1 引言

汽輪機能夠將過熱蒸汽熱能轉化為機械能，是燃煤電廠發電過程中不可或缺的重要組成部分[1]。汽輪機的轉子和汽缸由于體積大小的原因，與蒸汽的接觸面積存在較大差異，這就意味著轉子和汽缸啟停、變負荷等運行過程中的加熱或冷卻速率必然存在較大差異，這將導致轉子和汽缸膨脹量之間產生差異[2， 3]。將轉子和汽缸膨脹量之間的差異定義為脹差，當轉子的膨脹量大于汽缸的膨脹量時，稱之為正脹差，反之則為負脹差。當脹差數值過大或者過小時，機組軸向間隙消失，進而導致轉動部分和靜止部分之間發生摩擦碰撞，嚴重時會造成設備的損壞，引發安全事故[3]。因此，需要對不同運行工況下脹差的變化進行檢測，并對引發脹差的原因進行深入分析，以提出有效合理的控制思路和方法，這對實現機組的安全高效運行有著重要的意義。

2 研究對象

基于脹差的重要性，本文以靖海電廠的超超臨界、一次中間再熱、單軸四缸四排汽、沖動凝汽式汽輪機為對象來研究變工況下脹差的變化規律。該機組為東方汽輪機廠生產的N1000-25.0/600/600式汽輪機，設計額定功率為1000MW，最大連續出力1043.2MW。該汽輪機中、低壓缸均為雙流反向布置，通流級數為45級，其中高壓缸為一個雙流調節級，8個壓力級，中壓缸為2×6個壓力級，低壓缸為2×2×6個壓力級。機組軸系各轉子均為整體轉子，無中心孔，各轉子間用剛性聯軸器連接。各軸承上瓦的X、Y向裝有軸振測量裝置，汽輪機的結構和脹差測點分布如圖1所示。

3 脹差變化過程分析

3.1 停機及啟動

圖2為兩次停機過程中，低壓缸脹差隨停機時間的演變過程。從圖2中可以發現，低壓脹差在停機后，由于轉速下降以及進汽量減少的關系，泊桑效應和鼓風摩擦使得脹差正向增大較多[4]。同時，中壓缸排氣焓值降低蒸汽量減少，汽輪機開始被冷卻，由于轉子冷卻較快，故而低壓缸脹差開始下降。停機后約100h，低壓脹差達到最低值，此時低壓轉子應基本達到環境溫度，而氣缸由于散熱較慢，有一定的熱膨脹。此時，汽輪機處于溫態啟動的最危險點，一方面此時脹差為較大負值，若啟動中再加上轉速上升的泊桑效應，極易造成低壓脹差超限，危害汽輪機的安全，啟動過程中應盡量規避此時沖轉。另一方面，若選擇此時啟動，應該采取相應的措施使得低壓脹差盡量提升。

機組啟動時，調節級溫度為400℃，沖轉蒸汽主汽壓為9.07MPa，主汽溫為524℃，再熱汽壓為0.2MPa，再熱汽溫為311℃。此時中壓內缸上半內壁溫在305-420℃范圍內，根據相關規程規定，此時機組啟動方式為溫態啟動。在該啟動方式下，汽輪機啟動前后的脹差變化如表1所示。隨著機組的啟動，高壓缸和低壓缸的脹差都有輕微的減小，均保持在合理范圍內。而低壓缸的脹差從正脹差（0.0167mm）急劇變化到負脹差（-5.849mm），此時汽缸的膨脹量大于轉子的膨脹量。這主要是因為在溫態啟動過程中，汽缸的溫度逐漸上升，使得汽缸的膨脹速率和膨脹量增大。另一方面，根據泊桑效應的描述，由于轉速的增大，轉子所受離心力增大，這會導致轉子的軸向尺寸縮小。以上兩個因素共同作用，從而導致低壓缸脹差出現負值現象，并使得低壓缸脹差向負值方向大幅度減小。

3.2 軸封的投入

隨著軸封蒸汽的投入（軸封蒸汽參數：17KPa，303℃），高、中、低壓缸的脹差均呈現不同的變化趨勢，軸封后以及沖轉前后脹差的變化如表2所示。隨著軸封的投入，高壓缸各金屬部件的溫度均高于高壓轉子溫度和軸封蒸汽溫度。此時高壓缸受到軸封蒸汽的冷卻，高壓缸脹差負向增大，至沖轉時，高壓缸的脹差由-4.08mm負向增長至-4.64mm。相比之下，中壓缸各金屬部件的溫度接近于軸封蒸汽溫度，此時中壓缸與軸封蒸汽之間熱量的傳遞較弱，因而中壓缸的脹差在軸封前后沒有明顯的變化，中壓缸的脹差由-3.85mm正向增大至-3.44mm。對于低壓缸來說，低壓缸缸體溫度和轉子溫度都低于軸封蒸汽溫度，且轉子受熱面積要大于汽缸受熱面積。此時，低壓缸轉子受熱膨脹速率要高于汽缸的膨脹速率。因此，在軸封預熱的情況下，低壓缸脹差由-3.14mm增加至0.01mm。由此可見，軸封對于低壓缸脹差的影響較大，在本次啟動中，軸封投入使得低壓脹差正向提升了3.15mm。

3.3 沖轉升速

隨著啟動的繼續，汽輪機的轉速逐漸上升。根據泊桑效應，汽輪機隨著轉子轉速的升高，轉子所受到的離心力呈平方次增長，在此力矩的影響下，轉子的徑向增粗，軸向縮短[5]。隨著轉速的升高，到達660rpm時，高、中、低壓缸脹差均無明顯變化；在升速1400rpm的過程中，脹差開始出現較大幅度的變化，由0.29mm降至-1.21mm，中壓脹差由-3.12mm升至-2.98mm，高壓缸脹差由-4.9mm升至-4.49mm；當轉速升至2943rpm時，低壓缸脹差降至最低值-5.847mm，高壓缸升至-4.29mm，中壓缸-3.26mm；當轉速升至3000rpm時，高、中、低壓缸差脹最終值分別為-3.25mm、-3.02mm和-5.21mm。

在汽輪機沖至1400rpm定速暖機過程中，中壓排氣室內壁溫度略有下降，由312℃降低至309℃，而低壓進汽室內壁溫度則明顯上升，由154℃升高至237℃。這主要是由于中壓缸受鼓風摩擦影響，排氣溫度與金屬溫度相差不大，而低壓缸則被再熱蒸汽加熱。此時，中壓缸進氣量較小，低壓缸鼓風摩擦效應較強。在汽輪機由1400rpm升速至3000rpm過程中，中壓排氣室內壁溫度開始明顯下降，由309℃降低至293℃。可知，中壓排氣室受到再熱蒸汽的冷卻，低壓缸進汽室內壁溫度也開始下降，由237℃降低至225℃，這同樣證實了低壓缸進汽溫度有所降低。當低壓缸進汽溫度降到最低點的時候，低壓缸脹差恰好出現最大的負差脹。因此，低壓缸在沖轉升速過程中，隨著轉速的上升，脹差將向負向急劇變化，容易出現危險情況，引發安全事故。相比之下，在沖轉升速過程中，軸向位移均沒有發生明顯的變化。

3.4 其它因素

在本次溫態啟動過程中，真空泵單臺運行，機組的真空度維持在-92KPa左右，此時真空度對于脹差的影響無法量化分析。但是在機組啟動初期，真空度的高低直接影響著汽輪機的進汽量[6]。因此，在進汽溫度相同的前提下，真空度越低，汽輪機的進氣量越大，葉片的鼓風摩擦效應越低，這樣并不利于脹差的正向變化，但此舉有利于排出主再熱蒸汽管道中的冷汽利于提升暖機效果。真空越高，汽輪機的進氣量降低，鼓風摩擦效應增強，反而有利于脹差的正向變化。

4 控制措施

根據以上分析結果可知，高、中、低壓缸脹差受啟動方式、軸封蒸汽、排氣溫度、沖轉升速等各種因素的影響。啟動方式選擇的不同，軸封蒸汽的參數的選擇，時機的選擇，真空度的高低均會影響高、中、低壓缸脹差的變化。另一方面，高、中、低壓缸脹差受各因素影響的靈敏度又存在較大差異。為了防止脹差變化出現異常，影響機組安全運行，本文針對N1000-25.0/600/600式汽輪機，提出了以下幾點控制措施：1）溫態啟動前，可適當提早投軸封，提高軸封壓力至40KPa，提高低壓軸封段軸封溫度，適當降低真空，以加強軸封對低壓轉子的加熱作用；2）低速暖機時，降低機組真空，并在低壓轉子泊桑效應不明顯的時候，盡量增加汽輪機的進汽量，以達到盡快排出主再熱蒸汽管道內的冷水冷汽的目的；3）啟動之前，要加強主再熱蒸汽管道的疏水，盡量減少冷汽冷水進入汽缸；4）汽機沖轉后，及時開大再熱器煙氣擋板，提高再熱蒸汽溫度；5）沖轉后即隨機投入低加，并網后隨機投入高加，以增大蒸汽流量，提升暖機效果；6）低壓缸脹差為負值時，不能啟動機組，應設法將低壓缸脹差調整為正值。

5 結論

本文針對國產N1000-25.0/600/600式超超臨界汽輪機在溫態啟動過程中的脹差變化過程進行了監測，并對不同因素對高、中、低壓缸脹差變化的影響進行了分析，提出了相應的控制措施，主要結論如下：

1）汽輪機各段轉子冷卻速率比汽缸冷卻速率更快，停機后約100h低壓缸脹差為較大負值，此時為汽輪機啟動危險點，極易造成低壓脹差超限； 2）隨著軸封蒸汽的投入，高、中、低壓缸的脹差均呈現不同的變化趨勢，而軸向位移則沒有明顯的變化；相比之下，沖轉前后軸向位移均發生了明顯的變化，且軸向位移對于脹差的影響很小；3）在沖轉升速過程中，高壓缸的脹差將持續向正方向增大；當再熱汽溫低于金屬溫度時，中壓缸脹差負向增長，而再熱汽溫度較金屬溫度高時，其脹差又呈現正向變化；低壓缸在沖轉升速過程中，隨著轉速的上升，脹差將向負向急劇變化；4）在機組啟動初期，真空度的高低將直接影響著汽輪機的進汽量，進而影響脹差的正向變化；另一方面，主再熱蒸汽管道疏水不暢，疏水進入中壓缸，冷汽或冷水進而進入低壓缸均會造成低壓缸差脹的負向增大。

參考文獻：

[1]沈士一， 莊賀慶， 康松， 龐立云.汽輪機原理.中國電力出版社， 1992.

[2]曹祖慶.汽輪機變工況特性.水利電力出版社，1991.

[3]曹祖慶.大型汽輪機組典型事故及預防.中國電力出版社， 1999.

[4]郭文斌.汽輪機運行中脹差的分析和控制.西北電力技術， 2004，32（06）：75-76.

[5]郝潤田，劉武奎，蔣高峰，吳普剛，陳淮.國產600MW超臨界汽輪機變工況下脹差研究.汽輪機技術，2010，42（05）：384-386.

[6]葉明.汽輪機真空度降低原因分析及對策.設備管理與維修， 2007（08）：27-29.

作者簡介：陳楠楠，男，助理工程師，現任廣東粵電靖海發電有限公司運行部副操職務。