溫態(tài)啟動(dòng)下1000WM汽輪機(jī)脹差變化及控制研究

摘 要：脹差定義為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸之間膨脹或收縮的差值，該參數(shù)的變化直接關(guān)系著汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此，本文以國(guó)產(chǎn)1000MW超超臨界機(jī)組為研究對(duì)象，針對(duì)溫態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中汽輪機(jī)脹差的變化規(guī)律、引發(fā)脹差的原因進(jìn)行深入分析探討，并提出相應(yīng)的有效合理的控制措施，這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全高效運(yùn)行有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；脹差；溫態(tài)啟動(dòng)；控制措施

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

1 引言

汽輪機(jī)能夠?qū)⑦^(guò)熱蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是燃煤電廠發(fā)電過(guò)程中不可或缺的重要組成部分[1]。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子和汽缸啟停、變負(fù)荷等運(yùn)行過(guò)程中的加熱或冷卻速率必然存在較大差異，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和汽缸膨脹量之間產(chǎn)生差異[2， 3]。將轉(zhuǎn)子和汽缸膨脹量之間的差異定義為脹差，當(dāng)轉(zhuǎn)子的膨脹量大于汽缸的膨脹量時(shí)，稱之為正脹差，反之則為負(fù)脹差。當(dāng)脹差數(shù)值過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，機(jī)組軸向間隙消失，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分之間發(fā)生摩擦碰撞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備的損壞，引發(fā)安全事故[3]。因此，需要對(duì)不同運(yùn)行工況下脹差的變化進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)引發(fā)脹差的原因進(jìn)行深入分析，以提出有效合理的控制思路和方法，這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全高效運(yùn)行有著重要的意義。

2 研究對(duì)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(dòng)凝汽式汽輪機(jī)為對(duì)象來(lái)研究變工況下脹差的變化規(guī)律。該機(jī)組為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N1000-25.0/600/600式汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)額定功率為1000MW，最大連續(xù)出力1043.2MW。該汽輪機(jī)中、低壓缸均為雙流反向布置，通流級(jí)數(shù)為45級(jí)，其中高壓缸為一個(gè)雙流調(diào)節(jié)級(jí)，8個(gè)壓力級(jí)，中壓缸為2×6個(gè)壓力級(jí)，低壓缸為2×2×6個(gè)壓力級(jí)。機(jī)組軸系各轉(zhuǎn)子均為整體轉(zhuǎn)子，無(wú)中心孔，各轉(zhuǎn)子間用剛性聯(lián)軸器連接。各軸承上瓦的X、Y向裝有軸振測(cè)量裝置，汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和脹差測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

3 脹差變化過(guò)程分析

3.1 停機(jī)及啟動(dòng)

圖2為兩次停機(jī)過(guò)程中，低壓缸脹差隨停機(jī)時(shí)間的演變過(guò)程。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，低壓脹差在停機(jī)后，由于轉(zhuǎn)速下降以及進(jìn)汽量減少的關(guān)系，泊桑效應(yīng)和鼓風(fēng)摩擦使得脹差正向增大較多[4]。同時(shí)，中壓缸排氣焓值降低蒸汽量減少，汽輪機(jī)開(kāi)始被冷卻，由于轉(zhuǎn)子冷卻較快，故而低壓缸脹差開(kāi)始下降。停機(jī)后約100h，低壓脹差達(dá)到最低值，此時(shí)低壓轉(zhuǎn)子應(yīng)基本達(dá)到環(huán)境溫度，而氣缸由于散熱較慢，有一定的熱膨脹。此時(shí)，汽輪機(jī)處于溫態(tài)啟動(dòng)的最危險(xiǎn)點(diǎn)，一方面此時(shí)脹差為較大負(fù)值，若啟動(dòng)中再加上轉(zhuǎn)速上升的泊桑效應(yīng)，極易造成低壓脹差超限，危害汽輪機(jī)的安全，啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)盡量規(guī)避此時(shí)沖轉(zhuǎn)。另一方面，若選擇此時(shí)啟動(dòng)，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施使得低壓脹差盡量提升。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)溫度為400℃，沖轉(zhuǎn)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(shí)中壓內(nèi)缸上半內(nèi)壁溫在305-420℃范圍內(nèi)，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，此時(shí)機(jī)組啟動(dòng)方式為溫態(tài)啟動(dòng)。在該啟動(dòng)方式下，汽輪機(jī)啟動(dòng)前后的脹差變化如表1所示。隨著機(jī)組的啟動(dòng)，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(nèi)。而低壓缸的脹差從正脹差（0.0167mm）急劇變化到負(fù)脹差（-5.849mm），此時(shí)汽缸的膨脹量大于轉(zhuǎn)子的膨脹量。這主要是因?yàn)樵跍貞B(tài)啟動(dòng)過(guò)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(jù)泊桑效應(yīng)的描述，由于轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)子所受離心力增大，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的軸向尺寸縮小。以上兩個(gè)因素共同作用，從而導(dǎo)致低壓缸脹差出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象，并使得低壓缸脹差向負(fù)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(shù)：17KPa，303℃），高、中、低壓缸的脹差均呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，軸封后以及沖轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子溫度和軸封蒸汽溫度。此時(shí)高壓缸受到軸封蒸汽的冷卻，高壓缸脹差負(fù)向增大，至沖轉(zhuǎn)時(shí)，高壓缸的脹差由-4.08mm負(fù)向增長(zhǎng)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(shí)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(méi)有明顯的變化，中壓缸的脹差由-3.85mm正向增大至-3.44mm。對(duì)于低壓缸來(lái)說(shuō)，低壓缸缸體溫度和轉(zhuǎn)子溫度都低于軸封蒸汽溫度，且轉(zhuǎn)子受熱面積要大于汽缸受熱面積。此時(shí)，低壓缸轉(zhuǎn)子受熱膨脹速率要高于汽缸的膨脹速率。因此，在軸封預(yù)熱的情況下，低壓缸脹差由-3.14mm增加至0.01mm。由此可見(jiàn)，軸封對(duì)于低壓缸脹差的影響較大，在本次啟動(dòng)中，軸封投入使得低壓脹差正向提升了3.15mm。

3.3 沖轉(zhuǎn)升速

隨著啟動(dòng)的繼續(xù)，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升。根據(jù)泊桑效應(yīng)，汽輪機(jī)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子所受到的離心力呈平方次增長(zhǎng)，在此力矩的影響下，轉(zhuǎn)子的徑向增粗，軸向縮短[5]。隨著轉(zhuǎn)速的升高，到達(dá)660rpm時(shí)，高、中、低壓缸脹差均無(wú)明顯變化；在升速1400rpm的過(guò)程中，脹差開(kāi)始出現(xiàn)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(dāng)轉(zhuǎn)速升至2943rpm時(shí)，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(dāng)轉(zhuǎn)速升至3000rpm時(shí)，高、中、低壓缸差脹最終值分別為-3.25mm、-3.02mm和-5.21mm。

在汽輪機(jī)沖至1400rpm定速暖機(jī)過(guò)程中，中壓排氣室內(nèi)壁溫度略有下降，由312℃降低至309℃，而低壓進(jìn)汽室內(nèi)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(fēng)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(shí)，中壓缸進(jìn)氣量較小，低壓缸鼓風(fēng)摩擦效應(yīng)較強(qiáng)。在汽輪機(jī)由1400rpm升速至3000rpm過(guò)程中，中壓排氣室內(nèi)壁溫度開(kāi)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(jìn)汽室內(nèi)壁溫度也開(kāi)始下降，由237℃降低至225℃，這同樣證實(shí)了低壓缸進(jìn)汽溫度有所降低。當(dāng)?shù)蛪焊走M(jìn)汽溫度降到最低點(diǎn)的時(shí)候，低壓缸脹差恰好出現(xiàn)最大的負(fù)差脹。因此，低壓缸在沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的上升，脹差將向負(fù)向急劇變化，容易出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，引發(fā)安全事故。相比之下，在沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中，軸向位移均沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

3.4 其它因素

在本次溫態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，真空泵單臺(tái)運(yùn)行，機(jī)組的真空度維持在-92KPa左右，此時(shí)真空度對(duì)于脹差的影響無(wú)法量化分析。但是在機(jī)組啟動(dòng)初期，真空度的高低直接影響著汽輪機(jī)的進(jìn)汽量[6]。因此，在進(jìn)汽溫度相同的前提下，真空度越低，汽輪機(jī)的進(jìn)氣量越大，葉片的鼓風(fēng)摩擦效應(yīng)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(jī)效果。真空越高，汽輪機(jī)的進(jìn)氣量降低，鼓風(fēng)摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，反而有利于脹差的正向變化。

4 控制措施

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，高、中、低壓缸脹差受啟動(dòng)方式、軸封蒸汽、排氣溫度、沖轉(zhuǎn)升速等各種因素的影響。啟動(dòng)方式選擇的不同，軸封蒸汽的參數(shù)的選擇，時(shí)機(jī)的選擇，真空度的高低均會(huì)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(xiàn)異常，影響機(jī)組安全運(yùn)行，本文針對(duì)N1000-25.0/600/600式汽輪機(jī)，提出了以下幾點(diǎn)控制措施：1）溫態(tài)啟動(dòng)前，可適當(dāng)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(dāng)降低真空，以加強(qiáng)軸封對(duì)低壓轉(zhuǎn)子的加熱作用；2）低速暖機(jī)時(shí)，降低機(jī)組真空，并在低壓轉(zhuǎn)子泊桑效應(yīng)不明顯的時(shí)候，盡量增加汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，以達(dá)到盡快排出主再熱蒸汽管道內(nèi)的冷水冷汽的目的；3）啟動(dòng)之前，要加強(qiáng)主再熱蒸汽管道的疏水，盡量減少冷汽冷水進(jìn)入汽缸；4）汽機(jī)沖轉(zhuǎn)后，及時(shí)開(kāi)大再熱器煙氣擋板，提高再熱蒸汽溫度；5）沖轉(zhuǎn)后即隨機(jī)投入低加，并網(wǎng)后隨機(jī)投入高加，以增大蒸汽流量，提升暖機(jī)效果；6）低壓缸脹差為負(fù)值時(shí)，不能啟動(dòng)機(jī)組，應(yīng)設(shè)法將低壓缸脹差調(diào)整為正值。

5 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)N1000-25.0/600/600式超超臨界汽輪機(jī)在溫態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中的脹差變化過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)不同因素對(duì)高、中、低壓缸脹差變化的影響進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的控制措施，主要結(jié)論如下：

1）汽輪機(jī)各段轉(zhuǎn)子冷卻速率比汽缸冷卻速率更快，停機(jī)后約100h低壓缸脹差為較大負(fù)值，此時(shí)為汽輪機(jī)啟動(dòng)危險(xiǎn)點(diǎn)，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(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，而軸向位移則沒(méi)有明顯的變化；相比之下，沖轉(zhuǎn)前后軸向位移均發(fā)生了明顯的變化，且軸向位移對(duì)于脹差的影響很小；3）在沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中，高壓缸的脹差將持續(xù)向正方向增大；當(dāng)再熱汽溫低于金屬溫度時(shí)，中壓缸脹差負(fù)向增長(zhǎng)，而再熱汽溫度較金屬溫度高時(shí)，其脹差又呈現(xiàn)正向變化；低壓缸在沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的上升，脹差將向負(fù)向急劇變化；4）在機(jī)組啟動(dòng)初期，真空度的高低將直接影響著汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，進(jìn)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(jìn)入中壓缸，冷汽或冷水進(jìn)而進(jìn)入低壓缸均會(huì)造成低壓缸差脹的負(fù)向增大。

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作者簡(jiǎn)介：陳楠楠，男，助理工程師，現(xiàn)任廣東粵電靖海發(fā)電有限公司運(yùn)行部副操職務(wù)。