提高汽缸壽命保證汽輪機安全經濟運行的措施

胡 楊，張 龍，吳 磊

（中國石油天然氣股份有限公司熱電廠，遼寧沈陽 111003）

0 引言

汽輪機在運行期間可以將蒸汽熱能轉化為動能，以此為相關設備提供運行動力，因此被廣泛應用到電站中，能夠全面促進熱電廠的經濟效益發展。某熱電廠現有8 臺汽輪機，均帶動發電機供電，此外汽輪機將抽汽或背壓排汽輸送至熱力管網以及冬季采暖，在實際生產期間可以按照環境與需求不同選擇對應的運行方式。在熱電廠中，汽輪機具備重要作用，運行質量會極大影響生產效益，因此必須維護汽輪機運行安全性和經濟性。

1 汽缸與汽輪機

在汽輪機運行期間汽缸具備重要作用，能夠有效隔離汽輪機通流與大氣，確保蒸汽在汽輪機內實現做功，還能夠支持汽輪機汽封套、噴嘴室和隔板等靜止部位的運行，還能夠承受徑向溫度以及汽缸軸向不均勻分布所導致的熱應力。所以必須深入分析和討論延長汽缸壽命的有效措施。

2 汽缸裂紋變形原因

從大量實踐運行經驗能夠看出，導致汽缸出現裂紋和變形的原因主要是由于應力變化所致，在運行過程中汽缸應力變化的原因如下。

（1）蒸汽參數變化大于預設值。汽缸反復多次承受冷熱交替運行方式，法蘭內壁與外壁之間存在溫度差，應力大于薄弱點強度，容易發生疲勞裂紋現象。在負荷減低時，蒸汽參數存在較大變化，此時汽缸內會出現熱應力，從而引發負脹差，持續減小軸向間隙，動靜部件摩擦過大而產生損壞影響。

（2）過快啟動暖機，負荷變化控制不當。暖機啟動時間過長；熱態啟動操作不合理，會加大汽缸上溫度與下溫度差值。汽輪機長期處于空負荷運行狀態，蒸汽節流，減少蒸汽流量進入量，引發鼓風摩擦。

（3）長時間振動引發應力大于疲勞極限值。汽缸材料存在缺陷問題，會導致汽缸內部應力比較大，運行方式不合理會加大應力，葉片斷裂所產生的強力會對汽缸產生沖擊力。

3 冷態啟動與停機時的應力變化

3.1 冷態啟動應力變化

在啟動冷態時，內壁溫度會顯著高于外壁溫度，此時內壁遭受熱壓應力。盡管受到工作蒸汽會引發拉應力，但是熱壓應力會顯著大于拉應力，在熱壓力最大時會導致內壁出現塑性變形問題，在溫度均勻之后會殘留拉應力，此時外壁表面會承受拉伸應力。通過公式（1）可以計算汽缸壁表面熱應力。在計算汽缸壁外熱應力時可以應用公式（2）。

式中 μ——泊桑比

a——線脹系數

E——彈性模數

Δt——汽缸外壁與內壁的溫度差

3.2 停機時的應力變化

在停機狀態下，汽缸受到冷卻內壁溫度比外壁溫度低，此時內壁會受到熱拉應力和靜拉應力影響，此時就會導致內部應力強度顯著加大，進而產生裂紋。當汽缸內壁快速冷卻時，產生的拉應力比外壁拉應力大。

通過上述分析能夠看出，在啟動汽缸冷態會受到壓應力，在停機狀態下會受到拉應力。當金屬材料多次反復遭受壓應力和拉應力交互作用，極易超過疲勞強度，此時就會提升疲勞斷裂發生率。從有限壽命疲勞極限與循環次數關系（圖1）可以看出，循環次數小于循環基數時，隨著應力循環次數的增加，會影響降低疲勞極限。即循環次數的增加，會使材料發生斷裂問題。

4 汽缸變形裂紋危害性分析

4.1 主汽溫度過高所致變形問題

汽輪機主汽溫度比較高時，極易導致汽缸變形，還會持續惡化金屬的性能，導致金屬出現蠕變現象，縮短各部件使用壽命。汽輪機運行期間如果出現汽溫驟降，就會產生熱應力和熱變形現象。金屬部件在遭受冷卻影響之后會出現收縮現象，特別是轉子收縮程度，顯著加大汽缸脹差負值，導致動靜部分出現嚴重摩擦，還會加大葉片負荷，導致其出現水蝕問題。汽缸壓力比較高時，調節級葉片會出現大負荷情況，相應增加各部件內應力，還會加大法蘭螺栓和汽缸法蘭之間的承受應力，縮短汽缸運行壽命，對汽輪機安全運行造成極大影響。

圖1 有限壽命疲勞極限與循環次數關系

4.2 汽輪機啟動，停機和負荷變化所致危害

汽輪機啟動，停機和負荷變化狀態下，不同金屬部件均處于不穩定傳熱狀態，此時若沒有進行合理控制，將會導致汽缸橫截面產生溫度差，由此引發熱變形和熱應力問題。在汽缸下部設置疏水管道或回熱蒸汽管道，散熱面積比較大。同條件下上缸溫度會顯著高于下缸溫度，此時上汽缸會向上供起，產生拱背現象。若汽缸與轉子之間存在較大撓曲度，將會導致下缸底部通流部分動靜部件的徑向間隙消失，動靜部件間的摩擦擴大了汽封徑向間隙，降低汽輪機運行經濟性。動靜部件之間的摩擦也會導致機組出現強烈振動，還會產生大軸彎曲問題。

4.3 法蘭內部溫度過高所致危害

在汽缸法蘭內壁溫度比外部溫度高時，內部金屬會出現較多伸長情況，此時就會導致法蘭水平面出現熱彎曲。汽缸中部橫截面會變為立橢圓，相應出現內張口，導致水平側動靜部件徑向間隙縮小；前后橫截面會從變為橫橢圓，此時法蘭結合面會產生外張口，導致垂直側動靜部件徑向間隙縮小。在停機冷卻期間，汽輪機會產生反變形，此時汽缸中段橫截面會轉為橫橢圓，導致前后橫截面變為立橢圓。以上問題都會導致動靜部件出現嚴重摩擦問題。

5 提升汽缸壽命，維護汽輪機安全運行的有效措施

5.1 進汽參數控制措施

汽輪機操作人員必須按照生產廠家和材料對進汽參數進行控制，確保汽壓符合廠家技術要求中規定的壓力、溫度，禁止汽輪機長期處于高汽壓和汽溫條件下運行。汽輪機啟動與停機時必須嚴格控制內壁與外壁溫度差，避免出現溫度驟然升高或降低。負荷變化趨于穩定降低汽缸與轉子之間的溫度差，確保不同部件能夠均勻加熱，將振動、脹差與熱變形控制在合理范圍內，防止對汽缸造成損壞影響，進而對汽輪機運行安全性和經濟性造成影響。

5.2 控制進汽與排汽溫度

采用全周進氣方式啟動汽輪機時，必須控制排汽溫度，高于80 ℃時，應及時開啟后汽缸噴霧降溫，嚴禁后汽缸超過120 ℃運行。在啟動熱態時應當確保進入汽輪機蒸汽溫度比上缸溫度高，差值在65 ℃，防止內壁產生比較大的熱拉應力。隨著升速持續進行下，傳動轉子會受到熱壓應力影響，提升機組疲勞度，導致運行壽命遭受影響。在壓應力和拉應力交互作用下，汽缸極易產生裂紋問題，還會進一步導致動靜摩擦問題出現。為了達到汽缸溫度所對應的工況點啟動參數值，防止部件在高狀態下出現急速冷卻問題，此時就合理匹配金屬溫度和蒸汽溫度，還能夠降低熱態啟動。在生產運行期間還應當確保高低壓加熱器溫度差隨著汽缸機啟動而減少，在啟動期間確保汽缸排水效果，禁止出現積水問題。對于下汽缸則需要應用保溫結構性能良好的材料。

5.3 汽缸內外壁溫度差控制

如果汽缸內壁溫度變化幅度比較大，則汽缸內壁與外壁之間的溫度差也會越大，此時就會產生比較大的熱應力。汽缸內壁溫度變化率情況會對汽輪機轉速和負荷變化造成影響，也會進一步影響汽輪機啟動速度和停機速度。在生產運行期間，汽缸壁與法蘭過渡位置極易產生最大溫度差，因此在啟動汽輪機時，必須對蒸汽溫度變化情況進行嚴格控制。

5.4 負荷變化控制

在汽輪機運行期間，需要對負荷變化情況進行嚴格控制，避免改變運行狀態，并且導致汽缸出現冷熱交替影響。確保滑銷清潔度，以免出現卡澀問題，影響汽缸運行穩定性。在運行期間還應當對汽缸膨脹情況進行監視和檢查，注重檢測機組振動情況，及時處理異常振動和異常響動情況。通過有效措施確保汽缸周邊受熱均勻，當使用旁路門啟動方式時，必須確保負荷效果的穩定性，并且按照實際情況合理應用變化工況方式。由于在運行過程中，法蘭的厚度與寬度顯著高于汽缸，則法蘭內外壁溫度差也會高于汽缸溫度差，此時就必須合理控制法蘭內外壁溫度差。此外，還應當確保汽缸保溫效果，通過應用擋風板和保溫層加設方式，防止冷風直接吹向汽輪機，造成一側過度冷卻問題。

6 結束語

此次研究主要是圍繞提高汽缸壽命保證汽輪機安全經濟運行展開討論，通過熱電廠的實踐應用能夠看出，此次所提出的技術措施能夠確保汽輪機組需求，滿足各項生產工序需求。在實際生產期間，存在多種因素影響汽輪機運行安全性和經濟性，所以必須深入分析和研究汽缸變形損壞問題，并且注重實際生產運行期間容易產生的故障問題，以此維護汽輪機的運行效果。在現代化技術快速發展過程中，可以應用微機技術對汽輪機運行進行控制，注重技術優化創新，以此提升汽輪機運行效率。