對300MW汽輪機脹差影響因素與控制方法探討

劉晨 韓爭

摘要：300MW汽輪機被廣泛應用于各大火力發電廠中，可以將蒸汽中的熱能轉化為機械功，是維持電力系統正常運轉的重要設備。300MW汽輪機運行時不可避免的會產生脹差，影響著300MW汽輪機的功率和使用壽命，本文對300MW汽輪機中脹差產生的原因、影響因素還有控制方法進行了討論。

關鍵詞：300MW汽輪機;脹差;冷啟動階段

引言：300MW汽輪機有單機功率大、轉換效率高、使用壽命長等優點，近年來被各大火力發電廠廣泛使用。其中，汽輪機轉子與汽缸會發生相對膨脹，這種膨脹的差值被稱為脹差，脹差是監控300MW汽輪機能否正常運行、有無風險的重要參考因素，脹差的研究和控制，對汽輪機的安全運轉有著非常重要的作用。

一、汽輪機脹差的定義及產生原因

在汽輪機運行中，汽缸與轉子間相對熱膨脹的差值，被稱為汽輪機的相對脹差。脹差的產生原因非常復雜，汽輪在啟動階段、調整負荷階段、停機階段，汽輪機轉子和氣缸都會以死點為基準，發生膨脹或者收縮。這個過程中，氣缸的質量大，與蒸汽接觸的面積小，轉子的質量小，而與蒸汽的接觸面積大。而且，汽輪機運轉時，轉子的放熱系數大，氣缸的放熱系數小。這些原因導致蒸汽升溫時，轉子的變化速度要超過氣缸的變化速度，兩者同時膨脹或縮小的過程中就會產生差距，也就是所謂的脹差。脹差分為正脹差和負脹差，當啟動階段，隨著蒸汽不斷增加和升溫，汽輪機轉子的膨脹超過氣缸的膨脹時，兩者之間差值被稱為正脹差。在汽輪機停止階段，進氣量和氣溫不斷降低時，汽輪機轉子的收縮值大于氣缸，這個差值就被稱為負脹差。正脹差和負脹差都是影響汽輪機運轉的重要因素，會縮短汽輪機的使用壽命，甚至留下安全隱患，威脅員工的生命安全和企業的經濟利益，對汽輪機脹差問題不斷研究和改進，具有非常重要的意義。

二、300MW汽輪機脹差的影響因素

300MW汽輪機的結構復雜，影響300MW汽輪機脹差的因素有很多，其中汽輪機負荷的變化是一個主要的影響因素。負荷可以影響蒸汽的流量和溫度，在低負荷范圍內，蒸汽溫度的變化較大，溫度會隨著負荷增長而飛速升高，直接導致金屬表層的溫度差距加大，汽輪機轉子和氣缸的升溫速度也就相差越大。如果負荷降低，正脹差的數值將會逐漸減小，甚至可能出現負脹差，如果負荷穩定運行，300MW汽輪機轉子和氣缸間的脹差就會逐漸縮小，直至在某一狀態平穩下來。主蒸汽溫度變化速率也是影響脹差的重要因素，在300MW汽輪機的運轉過程中，主蒸汽溫度將會影響各級蒸汽的溫度，主蒸汽升溫速率越大，汽輪機轉子和氣缸間的脹差也就越大。在沖轉階段前，要向各軸封供氣，以防止空氣進入氣缸，這個過程中，如果軸封的供氣溫度高于軸封溫度，300MW汽輪機轉子的軸封體就會被加熱并且膨脹。軸封體在氣缸的兩端，其膨脹后會影響轉子的長度，使其正脹差加大。在汽輪機運轉過程中，葉輪和蒸汽產生摩擦會使熱量增加，從而導致鼓風損失的熱量減少，這部分熱量被蒸汽吸收，使蒸汽溫度升高，也會影響脹差。300MW汽輪機運轉過程中，排氣系統也會隨著一同運轉，排氣溫度會對排氣缸的膨脹產生影響，如果排氣溫度過高，排氣缸的膨脹量就會超過汽輪機轉子，減少了低壓缸的相對脹差。除了這些因素之外，轉子回轉效應、潤滑油溫、疏水調節、滑銷系統、氣缸保溫效果等都會對300MW汽輪機的脹差產生影響。

三、對汽輪機脹差控制方法的探討

（一）在冷態啟動階段控制脹差

影響300MW汽輪機脹差的因素有很多，在冷啟動極端對脹差進行控制是一個不錯的方法。冷啟動階段主要分為沖轉、暖機升速、并網帶負荷幾個步驟。在300MW汽輪機沖轉時，要嚴格控制金屬的升溫速率，一般為2℃/min～2.5℃/min。蒸汽升溫速率與蒸汽的放熱系數、流量成線性關系，蒸汽流量可以通過控制機組的升速和增加負荷的速度來調整，通常300MW汽輪機的主氣壓要控制在3.45MPa左右，主氣溫320℃～ 340℃，再熱汽壓要控制在0.1MPa～0.2MPa，再熱汽溫237℃～257℃，控制好金屬的升溫速率可減小金屬的熱應力，使金屬膨脹得到有效控制[1]。

在汽輪機機組升速時，升速率要低，要注意觀察氣缸溫度的變化，如果脹差數值超過標準，可以讓氣缸中的蒸汽停放時間延長一些，達到暖機的效果。暖機后，隨著轉子轉速提高，離心力也會增加，使軸向位移增加，轉子變粗而且縮短，相對縮小了轉子的膨脹值，減小了脹差。在300MW汽輪機并網帶負荷時，隨著調節氣閥打開，氣溫上升會迅速加快，對脹差的影響較大，因此在并網后要緩緩開啟調節氣門，并注意氣溫變化，應在負荷狀態下暖機一段時間，防止脹差變化過快，在脹差數值的下降10%后，再逐漸增加負荷，當脹差上漲到并網時的數值后，再次降低升負荷速度，等待脹差數值下降，如此反復，直到機組負荷達到額定值為止。

（二）在熱態啟動階段控制脹差

在熱啟動階段，給封軸供氣時要避免使用低溫氣源，盡量使用高溫氣源，低溫氣源會造成高壓軸封收縮過快，反應不出脹差情況。在輸送高溫氣源時，氣缸溫度應該維持在350℃左右，為了提高軸封溫度，可以將主蒸汽接入高壓軸封之中，提高前軸封溫度，蒸汽的流量要根據脹差的數值變化來調整，當脹差達到+0.15 - 0.18mm時，停止供應高溫氣源，同時適度輸送低溫氣源[2]。

（三）機組甩負荷階段對負脹的控制

在300MW汽輪機甩負荷階段，也可以對脹差進行控制，機組甩負荷時，氣溫會降低，導致汽輪機轉子的收縮速率比氣缸快，在這個過程中要盡快回復氣溫，使負荷回復到正常狀態，防止負脹差的產生。在調峰低負荷時，應該采用定溫滑壓的調整方式，防止轉子冷卻過劇，負脹差過大。在鼓風時，應該提高背壓，將背壓控制在0.15MPa左右，讓轉子充分受熱加快膨脹，抵消鼓風摩擦帶來的熱量損失，從而減小脹差。在停機過程中，要注意控制溫度降低和蒸汽流量變化的速率，避免蒸汽流量和溫度變化速度過快，導致300MW汽輪機轉子與氣缸溫度相差過大，引起脹差。

（四）在設備檢修上對脹差的控制

300MW汽輪機機構復雜，在運行中經常會出現部件損壞、性能缺失、無法正常運行等問題，經常對300MW汽輪機進行檢修，也可以有效控制脹差。如果在啟動和暖機時，汽輪機正脹差數值有明顯的升高，可以對氣缸夾層進行檢查，觀察是否有漏氣、空洞等缺陷，并及時修補。在升負荷時，工作人員應該對滑銷進行檢查，確定滑銷系統和軸承臺班沒有卡澀的現象，如果發現，應立即停止汽輪機，通知專業人員進行修理。汽輪機運行中，推理軸承經常會出現磨損的情況，導致軸向位移增大。

（五）引用脹差檢測系統

電力企業還可以引用脹差檢測系統，施行全面、智能的實時檢測，準確監控脹差的變化情況。比如大型電站可以引用DCS系統對300MW汽輪機進行全程監控，DCS系統由數據網絡、操作站、系統服務器、現場控制站等幾部分組成，可以對汽輪機內的脹差數據進行全面監控，并采集進、處理，通過大數據技術，分析300MW汽輪機的脹差是否超過安全標準，降低潛在風險，保護企業和工作人員的安全[3]。

結論：300MW汽輪機是我國電力企業中經常使用的供電設備，是電力系統的重要組成，結構復雜，危險性高，其中脹差對汽輪機有著非常重要的影響，關乎汽輪機的使用壽命和能否安全運行，可以從汽輪機運轉的冷態啟動階段、熱態啟動階段、設備檢修等幾個方面，對300MW汽輪機的脹差進行控制。

參考文獻：

[1]王滄海.300MW汽輪機脹差變化的原因分析與控制[J].科技資訊，2019，17（03）：45+47.

[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（11）：99.

[3]杜中梁.汽輪機脹差原理及控制[J].能源與節能，2017（01）：108-109.