660 MW超超臨界汽輪機啟動過程脹差偏大原因分析

張迎喜

（大唐東營發電有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

某廠二期2×660 MW 超超臨界燃煤發電機組，汽輪機為CCLN660-25/600/600 超超臨界、單軸、三缸四排汽、一次中間再熱凝汽式汽輪機，汽輪機本體監視設置有低壓缸脹差、缸脹，汽輪機設有脹差保護，報警值為+22.7 mm、-0.76 mm，跳閘值為+23.5 mm、-1.52 mm。機組啟動加熱、停運冷卻以及負荷發生變化時，汽缸和轉子會產生熱膨脹或冷卻收縮，轉子與汽缸之間的相對膨脹差稱為脹差。脹差過大或過小，意味著汽輪機動靜部分相對間隙發生了變化，如果脹差值超過了規定值，動靜間隙消失，就會發生動靜摩擦，可能引起機組振動增大，甚至葉片斷裂、大軸彎曲等事故［1］。因此，在汽輪機啟動、停運以及發生事故過程中應該嚴密監視和控制高低壓缸脹差在規定的范圍內。

1 汽輪機脹差偏大原因分析

1.1 軸封供汽溫度對脹差的影響

汽輪機掛閘沖轉前，主汽門關閉，對汽輪機本體能夠產生影響的只有軸封系統。當汽輪機軸封投入、建立真空后，軸封蒸汽直接與轉子軸頸接觸，通過軸封齒一部分進入氣缸，一部分經軸封回汽到軸加。

對某次冷態啟動進行分析。如圖1 所示，06：03軸封投入，機組點火升溫升壓，此時脹差為-0.344 mm，缸脹為6.364 mm，第一級金屬溫度88.159 ℃。至13：52，脹差6.505 mm，缸脹7.047 mm，第一級金屬溫度85.88 ℃，主汽溫度362 ℃，主汽壓力10.18 MPa。投入軸封抽真空后，經過7.8 h，脹差從-0.344 mm 增加到6.505 mm，增加了6.849 mm，缸脹從6.364 mm增加到7.047 mm，增加了0.683 mm。

圖1 冷態啟動時軸封溫度對脹差的影響

因為機組未掛閘，第一級金屬溫度基本沒有變化。由此可以得出，此階段脹差、缸脹變化的主要影響因素是軸封供汽溫度。從缸脹和脹差變化的幅度看出，軸封供汽溫度對缸脹影響不大，對脹差影響明顯，即此時軸封投入對轉子軸頸加熱使轉子明顯伸長。

1.2 泊桑效應對脹差的影響

泊桑效應在材料力學中指一個桿件被縱向拉伸邊長的時候，其橫向寬度就要變小。對汽輪機而言，轉子在升速的時候，受到離心力的作用，而變粗、變短，轉速下降的時候，而變細、變長［2］。

為了分析泊桑效應對脹差的影響，分別調取了機組冷態和熱態啟動時的曲線，對汽輪機從盤車轉速至3 000 r/min 時相關參數的變化進行對比，如圖2和圖3所示。

圖2 冷態啟動時泊桑效應對脹差的影響

圖3 溫態啟動時泊桑效應對脹差的影響

如圖2 所示，機組冷態啟動沖轉分為兩個階段，一階段從盤車轉速到中速暖機2 250 r/min，并進行暖機120 min；二階段中速暖機至3 000 r/min，定速。每一階段升速過程時間較短，且參數基本穩定，可以忽略汽輪機進汽對脹差的影響。第一階段脹差由6.734 mm降至4.374 mm，減小2.36 mm。第二階段脹差由8.778 mm 降至6.602 mm，減小2.176 mm。即冷態情況下，從盤車轉速到2 250 r/min，泊桑效應使轉子收縮2.36 mm，2 250 r/min 至3 000 r/min 泊桑效應使轉子收縮2.176 mm。

如圖3 所示，溫態啟動沖轉過程中主汽壓力、主汽溫度、真空、軸封壓力、軸封溫度基本穩定，因為溫態啟動沒有中速暖機，從掛閘到轉速3 000 r/min，共用時46 min，從圖中曲線可以看出，隨著轉速升高脹差成比例下降，整個升速過程脹差因泊桑效應從5.857 mm降至0.262 mm，減小了5.519 mm。

2 機組啟動過程脹差偏大原因分析及控制措施

5月12日，3號機組停運，5月13日00：11，破壞真空、退軸封，解列輔汽。5月14日18：30，軸封暖管，軸封系統投入。20：45，啟動真空泵，開始抽真空。5月15日05：30蒸汽品質合格，主汽溫度440 ℃，主汽壓力8.9 MPa，調節級金屬溫度356 ℃，汽輪機沖車。

2.1 機組啟動時脹差變化分析

1）投入軸封時脹差減小。如圖4所示，5月14日軸封投入初期脹差減小了1 mm，此時高壓軸封溫度218 ℃，低壓軸封溫度44.96 ℃，經提高軸封壓力后，低壓軸封溫度顯示值達到88.8 ℃，此時高壓軸封溫度未變。

圖4 溫態啟動時軸封溫度對脹差的影響

原因分析：1）溫態情況下軸封供汽暖管不充分，投入軸封時有部分冷汽進入軸封系統，引起軸頸受冷收縮。2）軸封供汽壓力不足，低壓軸封處密封不足，真空負壓情況下將環境中冷空氣抽吸至軸頸處，引起軸頸冷卻［3］。軸封溫度顯示44.96 ℃，分析原因為低壓軸封溫度測點安裝位置在低壓缸排氣口附近，受低壓缸噴水減溫的影響，顯示失真。

2）軸封投入后脹差增加量較以往速度變緩。軸封投入后5 h僅增加0.367 mm，此時低壓軸封溫度一直顯示45 ℃，通過提高軸封壓力低壓軸封溫度顯示值至92 ℃，4 h 脹差增加1.221 mm。

原因分析：軸封壓力控制的偏小導致低壓軸封供汽量不足，低壓轉子軸頸加熱量不足，低壓轉子軸封部分區域可能存在抽吸冷空氣的現象。

3）此次沖轉前脹差值較以往機組啟動時偏小。在軸封溫度、壓力值均達到以往機組啟動值時，脹差最大到沖轉前3.83 mm，此后一直到沖車時脹差都沒有繼續增加。

原因分析：1）缸脹下降較以往停機慢。此次停機為臨停，停機前控制汽溫較高，汽輪機缸體溫度較以往停機偏高，汽缸收縮慢，缸脹到機組再次啟動時僅降至19.98 mm。2）停機后軸封退出早，轉子失去加熱源，收縮加快。因輔汽系統有檢修，軸封、輔汽退出時間較以往停機提前10 h。綜合缸脹減小慢、轉子收縮快，導致機組到啟動前脹差也沒有暖到與以往水平，為機組沖轉過程中脹差負值超報警值埋下了隱患。

4）升速過程中脹差隨轉速升高而下降。如圖5所示，汽機掛閘22 min 內沖轉至2 250 r/min，脹差減小至1.128 mm，轉速由2250 r/min 至2 900 r/min，脹差下降至-0.953 mm，經暖機后，轉速由2 900 r/min 沖至3 000 r/min，脹差由-0.511mm降至-0.755 mm。

圖5 溫態啟動時泊桑效應對脹差的影響

原因分析：沖轉時主汽溫度459 ℃，調節金屬溫度356 ℃，第一級蒸汽溫度348 ℃，主蒸汽過熱度111 ℃，沖轉過程中主汽溫度、調節級金屬溫度及調節級蒸汽溫度基本沒有變化，對汽輪機轉子及缸體的影響忽略，脹差變化的主導因素為泊松效應，3 次升速脹差分別下降了2.253 mm、2.081 mm、0.244 mm。通過曲線還可以看到轉速在900 r/min以前脹差基本沒有變化，即泊松效應在900 r/min 以后開始影響轉子伸縮。

綜上所述，該660 MW 超超臨界一次再熱汽輪機，沖轉過程中脹差的變化主要有以下特點。

1）冷態啟動時，機組掛閘前，軸封是影響汽輪機缸脹及脹差的主要因素，且對脹差的影響顯著［4］。軸封投入7 h，脹差增加6.849 mm，缸脹增加0.683 mm。

2）在機組沖轉升速過程中，泊桑效應是影響機組脹差的主要因素。熱態時影響5.519 mm，冷態啟動時因中速暖機的因素，泊桑效應影響脹差4.536 mm。

3）泊桑效應對轉子的影響在900 r/min以后才明顯顯現，并且明顯與轉速升速率成比例。1 000 r/min 以后，轉速平均每升高100 r/min，因泊松效應收縮約0.25 mm。

4）汽輪機停機后，汽缸及轉子因冷卻收縮，軸封退出后轉子冷卻收縮速率明顯大于汽缸。

2.2 控制脹差偏大的應對措施

1）合理控制沖轉參數，增加機組沖轉時進汽量。降低沖轉時主汽壓力，通過鍋爐升溫生壓時與旁路相配合維持沖轉壓力5.6～7.5 MPa。提高主汽溫度，根據汽輪機調節級金屬溫度，調整主再熱汽溫至446 ℃。降低機組背壓，在汽輪機沖轉、升速和初負荷暖機期間，維持凝汽器真空在85～88 kPa。高加、低加隨機組沖轉及時投入，亦能增加汽輪機進氣量，有利于汽輪機暖機。

2）選擇合適的軸封供汽溫度［5］。調整軸封供汽汽源，提高軸封供汽溫度、壓力，將軸封供汽壓力由28 kPa 提高至40 kPa，低壓軸封溫度提高了40 ℃后，脹差明顯增加。

3）合理安排軸封投退時間。針對本類形式的汽輪機，如果是短時間停機，汽輪機可以保持軸封、真空系統連續投入，減緩轉子收縮。機組檢修后啟動前脹差偏小時，應將投軸封、抽真空時間提前。

4）汽輪機沖轉時，充分考慮泊桑效應對脹差的影響。根據機組特點，從盤車轉速至3 000 r/min，泊桑效應使脹差減小5.5 mm，機組設置的脹差報警值為-0.76 mm，跳閘值為-1.52 mm，應保證在沖轉前機組脹差在4.7 mm以上，否則應在中速暖機時增加暖機時間。本次為溫態啟動，不需要中速暖機，但為了保證脹差裕度并避開臨界轉速，在中速暖機6 min，并在2 900 r/min 暖機24 min，避免了脹差負值大停機的發生。

3 結語

針對某660 MW 超超臨界汽輪機在啟動過程中遇到負脹差超報警值而影響機組正常啟動的問題，通過對機組多次啟動過程中脹差變化的對比、分析，找出了汽輪機沖轉過程中影響機組脹差變化的主要因素并制定了相應的控制措施，機組啟動時脹差超限問題得以解決。