300MW汽輪機脹差變化的原因分析與控制

王滄海

摘 要：脹差是影響汽輪機啟動速度以及機組安全行駛的核心參數，對于火電機組較為典型的變工況下脹差的變化具有較強的現實意義。該文從脹差產生的原因以及計算公式進行分析，闡述了脹差的產生機理，并詳細介紹300MW汽輪機在運行中、裝置結構與系統初參數等方面影響脹差的因素，探究了減小脹差的方法并變工中脹差的控制要點，避免因為脹差過大帶來的安全隱患。

關鍵詞：滑銷系統 汽輪機 冷態啟動 汽缸 脹差

中圖分類號：TK249.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0045-02

我國的汽輪機參數逐漸增大，研發方向也朝著大容量發展，帶來的直接結果就是轉子軸系與汽缸外形體積的變大，每當發生啟停時，都會有大量的熱量產生，造成機器設備的受熱膨脹，從而發生脹差。當轉子的膨脹大于汽缸膨脹程度，就會生成正脹差；相反，轉子的膨脹程度較小，則產生負脹差。脹差的程度應有所控制，高于標準脹差，則會引起間級的間隙變小，逐漸消失，進而使汽輪機內部發生靜摩擦，甚至出現轉子變形彎曲的狀況。所以，對于汽輪機中脹差的控制措施是十分必要的，關系到行駛中的安全。

1 脹差產生原因

1.1 產生機理

汽輪機的整體都是由金屬構成，在運行過程中產生熱量，導致發生膨脹，而膨脹的大小與構件比例有直接關系，實際結果需要根據膨脹系數進行計算。如果汽輪機處于對流換熱狀態，則受熱膨脹的比例與換流熱系數、流體流速有關。高壓汽輪在正常使用中，需要經歷從靜止到運行產生熱能的一系列過程，其中溫度差較大，進而汽輪機的汽缸相關參數都會受到膨脹的影響。機組啟動的初期，高壓缸質量較重，但轉子的重量不明顯，而處于運轉中的轉子受熱的接觸面是汽缸的5倍，受熱效果更加明顯。在運行過程中，在同樣的時間內，質子因為運轉速度較快，溫度上升程度也較高，而汽缸的溫度相比較下上升不明顯，極其容易產生溫差，即脹差。

1.2 脹差的計算公式

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l2=b×tl[1]。

1.3 脹差的允許范圍

脹差的大小對汽輪機的正常行駛會產生較大的副作用，帶來的安全隱患也較為嚴重。不單單使汽輪機的可使用年限減少，還會造成機組的大面積損壞。所以，一般它都會有較為標準的脹差報警值、與手動停機值，不同參數的汽輪機的脹差報警值也完全不同，在日常使用中需要加以控制。

2 影響脹差的因素

2.1 機組運行工況對脹差的影響

汽輪機在冷態狀態下開啟，表現為正脹差。而從沖轉到達定速階段，汽缸與轉子的溫度都會因為運轉而生熱，而后者表現出的加熱速度更為明顯，其正脹差是呈現上漲的趨勢，如果該機組使用的是中壓缸，那么脹差的產生在缸內。缸的脹差變動不但會受到摩擦產生的熱量影響，同時與離心力也有直接關系。當汽輪機轉子達到3000r時，啟動過程到最后結束，兩者的正脹差值會到達最大峰值[2]。

在冷態沖轉中，主汽的壓力值一般控制在4.2Pa左右，溫度將會在420℃范圍內，使用高壓缸啟動的方案，主要環節包括：汽輪掛閘之后，第一步需要啟動1、2號中聯門，輸入閥限100%后，中壓主汽門打開，DEH采用TV控制，調到300r/min的速度，1～6號門全部打開，在大機轉速到達600r/min時進行摩擦檢查，結束后在采取2400r/min中使用中速暖機。如果熱氣溫再次到達260℃，并計算中速暖機時間，在3h之后，將會升速到2900r/min采取TV/GV切換，然后申述到3000r/min。

2.2 汽缸結構對脹差產生的影響

大多數的汽缸都處于水平法蘭階段，水平法蘭在升速階段時的溫度會低于汽缸，減小汽缸的膨脹程度，致使脹差的升高。尤其是汽缸的保溫措施會不大完善，其中的抽汽管道多，導致汽缸溫度的分布不大合理或是較低，進而造成汽缸的膨脹不完全，讓汽輪的脹差再次變大。汽缸疏水出現問題，會有一定的幾率造成下缸的疏水冷卻、讓溫度降低，進而形成上缸變形、向上拱起，致使相對脹差產生較大的變化。大容量的機組除外，它受到離心力的影響程度更大。

2.3 汽輪機初參數對脹差的影響

汽輪機發生沖轉前，會向軸封供汽，此時的軸封溫度高于轉子，轉子部分部位因受熱發生膨脹，會出現正脹差的降低或升高。當出現真空的降低時，為了保障機組的轉速穩定，需要適當地提升進汽量，影響到摩擦鼓風的力度，進而高壓轉子受熱，正脹差值也會隨之增大，相反抵押轉子減小。

當滑參數停機時，脹差會與負荷的數值呈現正比例關系，一旦負荷縮減，汽源的溫度需要再次達到350℃左右，此時的負荷數值最低，這時發生停機解列，對于機組的檢修時長而言也是有利的。另外，可以發現負荷的數值不斷在下降的同時，汽源的溫度隨之發生變化，進而帶來脹差的降低。即使偶爾出現汽源溫度再次升高的反復現象，但是總體而言與汽缸的膨脹程度無直接關系。因此可以得出，有效地控制汽源的溫度變化快慢就能直接調整脹差大小。

3 降低脹差的措施

（1）當機組為冷態狀態下開始運行，則產生正脹差，與之對應的解決措施就是：利用汽缸法蘭作為加熱設備，讓溫度升高的同時，讓兩者的膨脹相結合，縮短沖轉前的汽封供汽時間，將原本的汽源替換為較低溫度的能源，進而對升溫速度以及升溫程度進行控制，對負荷速度也進行調整，讓加熱程度更為均勻，將原本升溫的時間加長。在這一過程中可以使用高壓脹差來進行控制。發現低壓脹差加大，可以適當地提高汽缸的溫度[3]。

（2）當汽機在熱狀態下運行，為了促進脹差在合理范圍區間內升降，可以采用以下措施：機組運行前，脹差多數情況下為負值。最開始時，轉子與汽缸的溫度都會較高，蒸汽的溫度較低則可以引進，起到有效的降溫作用，進而控制脹差的影響。因此，在啟動前，需要重點關注負脹差的數值，將其控制在適宜區間內。當機組正式運行后，就需要關注脹差的正負變化。

（3）在機組的正常運行當中，可以按照以下步驟來防止脹差的持續增大：沖轉需要將汽溫的溫度保持在金屬汽缸之上，并將溫度的范圍控制在50℃～100℃。出現汽壓較大的情況，汽源的溫度則需要上升，防止轉子發生過度收縮，通常情況下軸封使用的供汽都為高溫汽源，就是為了避免出現這類情況。

（4）真空維持的時間需要加長，并且注意加熱的速度需要提升，防止因為低速的停留而導致機組溫度的下降，將脹差進一步加大。

4 結語

隨著汽輪機的使用需求不同、汽缸機構上的不同、以及輪機參數上的不同，致使應對脹差變化的方式也不能一概而論。脹差對于汽輪機的影響程度巨大，無論是在日常使用還是維修養護中，都需要采用科學的方法進行控制，才能盡量的延長汽輪機的使用壽命，避免其工作效率因為錯誤的使用而降低。同時，建議設置脹差在線檢測系統，將脹差的調整原理與高科技技術相結合，及時地監控脹差變化情況，及時地做出反應。對于脹差的控制方式，也應從脹差的計算公式著手理解，才能在實際應用中做到靈活、從容地面對脹差帶來的影響。

參考文獻

[1] 劉敏.50MW汽輪機組起動過程中脹差正向增大原因分析[J].通用機械，2017（10）：50-52.

[2] 張小剛.火電廠超臨界機組汽輪機脹差控制分析[J].中國高新區，2017（11X）：99.

[3] 張振宇，戚夢瑤.600MW機組超臨界汽輪機低壓缸脹差大的原因分析及處理[J].浙江電力，2017，36（3）：59-61.

[4] 李鵬剛.1000MW機組脹差變化原因分析及控制措施[J].現代制造，2017（15）：20-21.