汽輪機組啟動過程中脹差的控制

王雷

摘 要：本文從脹差產生的原理，差脹的重要性，影響差脹的因素及如何控制等方面進行了詳細的分析，對汽輪機在啟動、停運及正常運行時如何控制脹差有一定的指導作用。

關鍵詞：脹差；膨脹死點；泊桑效應

一、脹差的認識

大功率汽輪機組由于長度增加，機組膨脹死點多，汽缸多采用雙層缸、分流缸等結構。在啟停過程中，轉子與汽缸因材質、形狀、結構以及與蒸汽的接觸面積等不同，使得金屬與蒸汽進行的熱交換條件不同，從而造造成汽缸與轉子在軸向的膨脹程度不一致，即出現相對膨脹，相對膨脹通常也俗稱為脹差。

脹差是機組啟停與甩負荷等過程中需要重點關注的一項重要指標，脹差的大小反應了汽輪機軸向動靜間隙的變化情況。脹差過大或過小，均有造成汽缸與轉子的動靜部分發生碰磨的可能性，會給機組安全運行造成很大的影響，嚴重時可能會造成設備毀壞。因此脹差值做了熱工保護，若脹差超限，則熱工保護動作使機組緊急停機，可避免發生事故，損壞設備。

二、脹差的分類

脹差分為正脹差與負脹差。一般規定轉子膨脹大于汽缸膨脹時為正脹差，表明動葉與靜葉入口的間隙減小，通常這一間隙設計得較大。當進入汽輪機的蒸汽溫度明顯升高或汽輪機暖機時，轉子和汽缸同時受熱膨脹，轉子由于質量相對汽缸要小，受熱后膨脹要快，在軸向上膨脹量要大于汽缸的膨脹量，表現為正脹差。汽缸膨脹大于轉子膨脹時為負脹差，說明靜葉與動葉入口間隙減小。當進入汽輪機的蒸汽溫度明顯降低或汽輪機滑參數停機時，轉子和汽缸同時受冷收縮，轉子由于質量相對汽缸要小，受冷后收縮要快，在軸向上收縮量要大于汽缸的收縮量，表現為負脹差。

三、脹差產生的原因

脹差產生的原因大致可分為以下幾點：

（1）轉子和汽缸的制造材料不同，金屬熱膨脹系數不同。

（2）轉子與汽缸質量不同，轉子與蒸汽接觸面積大，汽缸大與蒸汽接觸面積小；轉子質量輕、表面積大，質面比較小，汽缸質量大、表面積小，則質面比較大。

（3）轉子轉動時蒸汽對轉子表面的放熱系數高于對汽缸表面的放熱系數，因此溫升速率不一致。

四、脹差的影響因素及控制方法

（一）機組啟動狀態

汽輪發電機組啟動狀態對脹差的影響非常大，不同的狀態對應著不同的金屬溫度，對沖轉蒸汽參數的要求也不同，對脹差的影響也不盡相同。火力發電廠習慣于將啟動工況僅按啟動前汽輪機金屬溫度的高低分為熱態和冷態。對無中心孔的高中壓轉子，金屬溫度大于204℃為熱態，金屬溫度小于204℃為冷態。

（二）軸封供汽溫度和供汽時間的影響

冷態啟動時軸封供汽溫度高于轉子表明金屬溫度，轉子受熱而變長，表現為正脹差，可能引起軸封摩擦。為了不使脹差值過大，應選擇溫度較低的供汽源，并縮短軸封送汽時間至沖轉的時間。熱態啟動時，軸封供汽應選用高溫汽源，要軸封先供汽，后抽真空，這樣可以防止汽缸進冷氣使得轉子受冷收縮，防止軸封供汽后出現負值，應盡量縮短沖軸封供汽與轉子沖轉之間的間隔時間。

（三）真空的影響

機組沖轉前應將真空控制在低值，在汽輪機升速暖機的過程中，真空變化會引起脹差值改變。如真空下降，為保持轉速不變必須增加進汽量，因而摩擦鼓風損失增大，高壓轉子受熱膨脹增加，則脹差值隨之增加。反之，若真空升高時，高壓轉子脹差減少。中、低壓轉子葉片較長，真空高低對中、低壓缸通流部分的脹差影響與高壓轉子相反。其鼓風摩擦熱量比高壓轉子大，在升速和暖機過程中，當真空降低時，如需要維持轉速不變，必須增加進汽量，中低壓轉子因鼓風摩擦增加的熱量被蒸汽帶走，脹差隨之減少。在機組停機打閘前適當降低真空是防止機組降速時的泊桑效應（解釋見下段）過大致使高低壓脹差（尤其是低壓脹差）突變的一個手段，因此升速暖機過程中慎用提真空的辦法來控制中、低壓通流部分的脹差。

泊桑效應：轉子高速旋轉時，轉子徑向和軸向受離心力的作用變形變粗變短，這種現象稱為泊桑效應。轉子的離心力與轉速的平方成正比；在離心力作用下，因轉子沿徑向拉伸，而軸向則縮短，脹差減小（因彈性材料的應力變化徑向與軸向有一定比例關系，當轉子徑向伸長時，軸向就會隨之縮短）。隨著流量增大、轉速上升，高壓轉子的脹差逐漸增大，而中低壓轉子脹差先隨轉速升高而增加，達到中速后，脹差又隨轉速增加而減小。

（四）進汽參數影響

當進入汽缸的蒸汽參數發生變化時，首先對轉子造成影響，而對汽缸的影響要稍微滯后，因此會引起脹差變化，蒸汽參數變化速度越快，影響越大。在汽輪機啟停過程中，應選擇適當的沖轉參數，保持蒸汽溫度和流量變化速度線性變化，避免波動，如此可以控制差脹大幅增加。

（五）汽缸和法蘭加熱的影響

某些大型機組設計有法蘭螺栓加熱裝置，啟動過程中要選擇合理的時機，并注意調整加熱裝置的進汽溫度和進汽量，當高、中壓缸脹差達到一定數值時及時投入法蘭加熱裝置，以滿足加熱要求。同事為了避免法蘭加熱過度，有效的加熱法蘭，應控制加熱蒸汽溫度高于外壁溫度控制在80℃左右（最高不超過100℃）

（六）汽缸滑銷系統的影響

滑銷系統合理布置和使用以滿足汽缸多個方向自由膨脹，如軸承座臺板充油不重視，油脂質量控制不嚴以及臺板起毛刺等原因，造成啟動過程膨脹不暢，一般造成脹差大、延長啟動時間。膨脹受阻表現為膨脹值達不到設計值或是膨脹曲線出現跳躍，甚至有明顯碰磨聲響。

（七）汽缸疏水的影響

大型機組對汽缸保溫的要求較高，如汽缸保溫做的不好，會造成汽缸溫度偏低且分布不均，進而影響汽缸的膨脹，使汽機膨脹差增大；而汽缸疏水系統因安裝或管道堵塞等原因，疏水不暢可能使得下缸溫度偏低，上下缸溫差較大，影響汽缸膨脹，并可引起汽缸變形，從而使得差脹的變大，嚴重時甚至發生轉子與汽缸的碰磨事故。

五、總結

脹差控制是汽輪機組啟動、停機中比較難控制的一個參數，但是只要嚴格控制好真空、進汽溫度和溫升速度等重要參數，維護好滑銷系統和法蘭加熱系統，即可將差脹控制在安全的范圍內，保障機組安全穩定的啟動。正常運行時，差脹基本無需重點關注，只需在機組停機或跳閘時關注即可。如發生汽輪機進水等嚴重事故則需要嚴明監視脹差變化情況，必要時手動緊急停機。

參考文獻：

[1]廣東國華粵電臺山發電有限公司集控運行規程.