對350MW汽輪機脹差影響因素與控制方法探討

劉志健

摘要：對于350MW汽輪機而言，脹差變化是影響機組啟動與運轉的關鍵性因素，隨著汽輪機內熱應力變化，可對機體造成一定磨損，甚至發生惡性事故?；诖耍疚氖紫葒@350MW汽輪機脹差的影響因素展開分析，繼而結合350MW汽輪機結構提出控制350MW汽輪機脹差的具體方法，以期進一步控制脹差變化，結合整體汽輪機脹差變化提高安全運轉保障，降低事故發生頻率。

關鍵詞：350MW汽輪機;脹差;控制

引言：350MW汽輪機內部構件受到溫度變化產生金屬膨脹現象，并在對流換熱過程中造成水平、垂直、軸向方向的尺寸變化，隨著機組啟動蒸汽環境隨之改變，進一步產生安全運轉隱患。脹差作為350MW汽輪機重要運行參數，機組動、靜軸摩擦可造成內部轉子彎曲變形，繼而引起惡性振動，嚴重時甚至可能造成較大運行事故，繼而造成較大經濟損失，因此圍繞350MW汽輪機脹差展開研究是必要的。

一、350MW汽輪機脹差影響因素分析

在機組運行中，轉子與軸承之間作用力發生變化，導致相對平衡點產生偏移，，即 ，其中轉子平均升溫為 ，相對膨脹值為 。

（一）沖轉定速

沖轉定速對于脹差的影響主要存在于350MW汽輪機冷態啟動時，由沖轉到定速實現了正脹差變化，隨著轉子加熱速度不斷變快，正脹差仍持續上升，在這一階段，受到離心力與低壓缸摩擦鼓風影響，導致啟動機組溫度急劇變化，至350MW汽輪機冷態啟動完畢時，達到正脹差最高值。受到正常運轉影響，冷態沖轉需維持以下狀態：主汽壓力4.2MPa、主汽溫420℃，首先在掛閘基礎上開啟中聯門并達到100%輸入閥限，控制DEH畫面沖轉升速率，機組轉速達到600r/min后摩擦加劇，沖轉速度達到2500r/min時適當暖機，這時脹差隨著沖轉速度的變化已產生較大脹差變化，當沖轉溫度所產生蒸汽溫度低于汽缸溫度時，冷卻效果作用下導致負脹差出現，同時蒸汽溫度與350MW汽輪機金屬機體溫度產生較大差值，進一步造成了汽輪機脹差現象[1]。

（二）水平法蘭結構

現階段350MW汽輪機內部結構均采用水平法蘭方式安裝，機組汽缸膨脹受到結構制約，升速過程溫度導致脹差增大，同時水平法蘭結構導致機組滑動面阻力加大，此時350MW汽輪機保溫措施無法發揮作用，抽汽管道進一步分散結構內部溫度熱量，導致汽缸溫度無法穩步提升，汽缸膨脹效果受阻，下缸疏水不暢導致溫度隨之降低，受到膨脹效果與疏水冷卻影響導致汽缸變形，當轉子持續轉動時，離心力作用于轉子結構，導致發生泊松效應，即受到力的作用發生徑向、軸向結構變形，在水平法蘭結構與離心力限制下，脹差持續增大。

（三）真空變化

汽輪機脹差變化可受到結構真空影響，350MW汽輪機在冷態環境下啟動時，軸封供汽導致溫度與轉子溫度存在差值，導致轉子受熱不均勻，產生局部變形現象，繼而出現正脹差，若情況不加以控制，轉子結構受到軸封摩擦影響造成350MW汽輪機磨損，嚴重損害其使用壽命。真空環境變化時，為確保汽輪機穩定運轉，需確保機組進汽量，在此基礎上無法控制結構內部摩擦現象，隨轉子運轉產生局部高壓，使整體機組受熱面積增大，實現正脹差值提高，當轉子轉速與溫度下降后，正脹差值隨之降低，但隨著真空環境變化高壓轉子脹差減小，繼而導致脹差進一步擴大。

二、控制350MW汽輪機脹差的具體方法討論

為更好地控制350MW汽輪機脹差變化，以下主要從冷態啟動控制、熱態啟動控制展開分析，并結合在線監測系統實現全面控制。

（一）冷態啟動控制

1.法蘭螺栓加熱

350MW汽輪機冷態啟動條件下，主要受到汽缸與轉子的膨脹作用影響產生正脹差，這時可借助法蘭螺栓加熱裝置縮短沖轉供汽時間與溫度，其中需持續控制速率變化與溫度變化，以此確保汽輪機內部結構實現均勻受熱，同時為緩解高壓環境下脹差持續增高現象，可通過中速暖機運轉時間與速率控制實現脹差控制。法蘭螺栓加熱裝置可借助蒸汽溫度控制降低整體機組脹差，此方式對于小型機組尤為使用，蒸汽參數隨法蘭螺栓加熱程度而出現波動，造成法蘭螺栓、汽缸內外部之間的溫差趨于穩定，加熱膨脹程度導致后續收縮變化增大，繼而可實現脹差范圍控制。值得一提的是有效的法蘭螺栓加熱需規避溫度過熱現象，溫度約80℃最為適宜，最高不得超過110℃，避免過熱導致脹差增大。

2.汽源溫度選擇

汽封供汽可通過汽源溫度二次選擇實現供汽狀態控制，一般而言，供汽時間愈長則會導致汽源溫度劇烈，繼而實現350MW汽輪機內部機組脹差變化，冷態環境下啟動為保障脹差控制效果，需盡量選擇溫度較低的汽源，實現沖轉軸封送汽時間與溫度控制，此時需注意停機狀態下的溫度與脹差波動，為全面避免脹差負值現象，可控制機組轉子轉動狀態，向內部汽封環境下輸入高壓汽源，以此完成轉子加熱，此方式可有效緩解脹差，無法實現徹底消除。

（二）熱態啟動控制

1.定速并網操作

相較于350MW汽輪機冷態啟動，熱態啟動主要造成蒸汽壓力與流速波動現象，由于內部結構蒸汽壓力顯著高于平衡狀態，調速汽門調節效率較低，雖可通過蒸汽節流實現汽溫與壓力控制，但實際操作中節流后的汽溫處于降低狀態，由此可知熱態啟動下無法實現轉子與汽缸的均衡冷卻控制，負脹差現象無法規避，由于汽輪機金屬溫度存在差異，其受熱程度與脹差變化規律不同，若汽缸溫度已達350℃以上，汽封供汽狀態下的脹差在低壓、中壓、高壓條件下均呈現降低趨勢，但同時受到高溫蒸汽影響與差異變化，導致脹差控制效果并不明顯，需加強對于高溫蒸汽溫度的控制，若汽缸溫度處于200～250℃范圍內，脹差可穩步降低，但降緩速率并不顯著[2]。

熱態啟動后的定速并網操作可通過負荷速度降低脹差，尤其對于溫度較高時效果更為顯著，轉子受到冷卻作用可實現進一步收縮，導致動葉入口間隙縮小，甚至消失，以此實現脹差控制，面對低溫汽缸，需借助低負荷暖機提高脹差，并投入加熱裝置控制脹差變化，使脹差始終處于可控狀態。

2.調動蒸汽溫度

受到熱態啟動影響蒸汽溫度產生波動，受到脹差變化規律影響，導致展開脹差控制時僅汽門調速階段才可實現溫度調節，尤其對于主蒸汽溫度而言，隨著溫度降低轉子受到冷卻作用而持續收縮，導致脹差降低，此時可通過調動蒸汽溫度升速，配合低溫混合蒸汽與加熱裝置，以此中和脹差變化，縮小脹差降低幅度，以此實現有效脹差控制。

（三）在線監測系統

為更好地實現350MW汽輪機脹差控制，可借助DCS系統實現實時檢測控制，DCS系統集計算機站、操作站、高速網絡、管理網關、工程師站、現場控制站為一體，實現全面數值控制，其中在線監測系統作為DCS系統中關鍵功能，能夠通過汽輪機壓缸脹差數據采集與分析實現在線監控，并借助計算機系統完成決策規劃。首先需在350MW汽輪機運轉時進行傳感器固定，與被測金屬表面形成統一溫度變化，可借助受熱膨脹相對差值實現數據采集，并借助渦流傳感器數值正負關系實現線性測量，例如：350MW汽輪機轉子與被測表面加工呈8°坡角，借助 公式展開數值換算，其中δ為傳感器與被測斜坡表面的垂直距離，L為脹差，若δ處于4mm內，其脹差為28.74，經公式換算可知在8°斜坡條件下可將4mm作為線性測量范圍展開換算驗證，其脹差結果為28.74，進一步將斜坡垂直距離轉換為直流電壓信號傳輸至脹差監測器，借助DCS在線監測系統展開實時檢測，最大化確保脹差控制[3]。

結束語：綜上所述，350MW汽輪機脹差具有一定危害，且受到不同因素的多重作用，展開脹差控制時，需結合機組狀態展開針對性措施，經研究可知為滿足不同情況下的運行需求汽輪機內部結構存在一定差異，因此為進一步延長350MW汽輪機使用壽命，需借助不同措施展開調節，另外可借助一定在線監測系統輔助控制，結合脹差計算公式，以此環節脹差影響，提高350MW汽輪機工作效率。

參考文獻：

[1]段金鵬，李興華，徐殿吉.350MW超臨界汽輪機通流改造熱力設計[J].汽輪機技術，2020，62（04）：251-254.

[2]王國成.350MW供熱機組采用背壓汽輪機供工業蒸汽方案探討[J].價值工程，2019，38（35）：156-157.

[3]戴建剛.350 MW機組汽輪機中壓缸排汽供熱改造分析[J].發電設備，2019，33（03）：217-219+222.