45MW汽輪機脹差超限原因分析及控制策略研究

石二陽

（中海油阜寧熱電有限責任公司）

0 引言

在汽輪機處于工作狀態(tài)時，務必保證其轉(zhuǎn)子與氣缸之間保持基本一致的軸向熱脹速率[1-2]。脹差這個參數(shù)就能夠從數(shù)值上對轉(zhuǎn)子與氣缸膨脹或收縮時，掌握軸向位置的瞬時變化情況[3-4]。脹差對于汽輪機的啟動加熱、停機冷卻，或是正常工況變換都是非常重要的參數(shù)，脹差參數(shù)過大或過小都不合適，可能導致汽輪機的軸向間隙出現(xiàn)異常，進而導致汽輪機的轉(zhuǎn)子與氣缸之間出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，進而導致汽輪機嚴重損壞[5-6]。因此，在汽輪機運行時，必須對汽輪機的脹差參數(shù)進行實時監(jiān)測，對脹差產(chǎn)生原因、變化規(guī)律進行深入研究。總結出一套科學、有效的脹差異常處理方法，對于技術人員來說意義重大[7-8]。

1 脹差的概念

汽輪機的轉(zhuǎn)子與氣缸之間所產(chǎn)生的熱膨脹差值就稱為汽輪機的脹差。汽輪機在啟動、停機、調(diào)載、變參數(shù)運行時，轉(zhuǎn)子和氣缸分別以各自的死點為基準進行膨脹和收縮[9]。氣缸本身的質(zhì)量大，與蒸汽接觸的面積又比較小，而轉(zhuǎn)子本身質(zhì)量小，與蒸汽接觸的面積又比較大，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，蒸汽對于轉(zhuǎn)子的放熱系數(shù)要遠大于蒸汽對于氣缸的放熱系數(shù)，這樣就造成轉(zhuǎn)子隨著蒸汽溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮的速度要遠大于氣缸隨著蒸汽溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮的速度，氣缸與轉(zhuǎn)子之間發(fā)生的熱膨脹值稱為汽輪機的相對脹差。如果轉(zhuǎn)子在軸向的膨脹值要大于氣缸在軸向的膨脹值，則稱為正脹差；轉(zhuǎn)子在軸向的膨脹值要小于氣缸在軸向的膨脹值，則稱為負脹差。汽輪機調(diào)節(jié)原理如下圖所示。

圖 汽輪機調(diào)節(jié)原理

軸向相對值由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與汽缸軸向膨脹差值的相對平衡點。如果將汽輪機轉(zhuǎn)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(shù)值的產(chǎn)生都是相對而言的，那么該橫截面上生成的相對膨脹值為：

2 脹差產(chǎn)生原因

2.1 正脹差產(chǎn)生原因

多種原因會導致汽輪機產(chǎn)生正脹差。當汽輪機在啟動的時候，暖機不夠充分，從而導致汽輪機的轉(zhuǎn)子速度提升過快，或負載的增加速度過快，引起正脹差的產(chǎn)生；氣缸夾層和法蘭的加熱裝置產(chǎn)生的加熱溫度不足或加熱氣量過低會導致氣加熱效果不顯著，引起正脹差產(chǎn)生；軸封氣溫過高或軸封供氣流量過大，從而導致肘頸部位過分拉伸，也會引起汽輪機的正脹差產(chǎn)生；除此之外，雙層鋼夾層中流入冷空氣、脹差檢測器為校準零點、真空變化、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化等都會引起正脹差。

2.2 負脹差產(chǎn)生原因

多種原因會導致汽輪機產(chǎn)生負脹差。負載迅速降低、主氣溫突然降低、汽輪機啟動時進氣溫度低于金屬溫度等；此外，軸封溫度過低、軸向位移改變，軸承油溫過低等都會導致汽輪機出現(xiàn)負脹差；當汽輪機啟動后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速突然快速升高，并且轉(zhuǎn)子由于離心力的作用，會導致軸向尺寸發(fā)生變化，由此便會產(chǎn)生顯著的負脹差；當氣缸的夾層中流入高溫蒸汽后，高溫蒸汽可能來自加熱裝置，也可能來自進氣套管的漏氣，這樣也會造成負脹差。

3 脹差變化與汽輪機運行的關系

3.1 汽輪機不同工況下脹差變化

汽輪機在不同的運行工況下所產(chǎn)生的脹差變化情況也是不盡相同的，具體可以概括為如下幾種情況：

1）當汽輪機處于正常運行狀態(tài)時，汽輪機轉(zhuǎn)子和氣缸之間的溫度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其膨脹值也是相對穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)較大的脹差變化。

2）當汽輪機處于異常運行狀態(tài)時，其膨脹值也是不穩(wěn)定的，如果汽輪機的進氣量發(fā)生變化或進行其他錯誤的操作時，轉(zhuǎn)子和氣缸的膨脹值也會隨著進氣量的變化而發(fā)生變化，從而脹差值也出現(xiàn)變化。

3）汽輪機的啟動或停止也會對脹差值產(chǎn)生一定程度的影響，如果汽輪機在冷狀態(tài)下啟動其轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速提升的過程中，加熱速度會很快，其脹差為正脹差并且上升速度也很快。但汽輪機在熱狀態(tài)下啟動時，汽輪機的氣缸內(nèi)整體溫度較高，轉(zhuǎn)沖時的蒸汽進入氣缸后，由于蒸汽的溫度要低于氣缸本身的溫度，所以會產(chǎn)生冷卻效果，產(chǎn)生的脹差是負脹差。

4）當汽輪機負載降低或者停機，汽輪機內(nèi)的蒸汽溫度也會隨之降低，轉(zhuǎn)子的溫度變化更為劇烈，所以溫度下降更快，從而導致轉(zhuǎn)子與氣缸之間出現(xiàn)了負脹差。

5）在汽輪機的負載增加的過程中，汽輪機轉(zhuǎn)子于氣缸之間也會形成正脹差，正脹差會隨汽輪機的啟動而上升，當汽輪機停機時，其脹差值也會呈現(xiàn)下降趨勢。

3.2 脹差變化對汽輪機運行的影響

汽輪機的脹差是影響汽輪機運行的一項重要參數(shù)。汽輪機的脹差對汽輪機的運行會產(chǎn)生十分顯著的影響，脹差參數(shù)的大小也能夠反應汽輪機內(nèi)部轉(zhuǎn)子與氣缸之間軸向間隙的變化，無論哪個軸方向間隙發(fā)生變化都可能會導致轉(zhuǎn)子與氣缸之間出現(xiàn)摩擦，從而損壞汽輪機內(nèi)部的機械部件，降低汽輪機的使用壽命，甚至造成后果嚴重的安全事故。

4 汽輪機脹差控制方法

汽輪機在不同運行工況產(chǎn)生的脹差變化會對汽輪機的正常運行造成影響。因此在汽輪機處于運行狀態(tài)時，必須對脹差進行科學、合理的控制。首先在汽輪機蒸汽溫度升高和降低的過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和負載也會出現(xiàn)變化，因此需要對氣缸和轉(zhuǎn)子之間的溫度差進行嚴格的控制，務必保證轉(zhuǎn)子和氣缸的溫度差保持在允許的范圍內(nèi)；其次對汽輪機相關的加熱裝置進行科學運用，還應當利用氣封供氣實現(xiàn)脹差控制，由于氣封供氣是通過軸溫度產(chǎn)生影響的，需要通過收縮方式進行脹差控制，所以說在汽輪機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，一旦脹差發(fā)生變化，則可以通過供氣時間和供氣溫度進行脹差控制。

4.1 選擇合理的啟動參數(shù)

汽輪機轉(zhuǎn)子和氣缸的熱狀態(tài)的變化都會與進氣參數(shù)的變化相關聯(lián)，并且轉(zhuǎn)子的熱狀態(tài)變化更快，這樣就導致脹差的變化，所以合理的啟動參數(shù)才能夠保證汽輪機的順利沖轉(zhuǎn)。

4.2 合理運用軸封抽汽器

汽輪機大軸直接與軸封抽汽器相連，所以軸封抽汽器的溫度會直接影響汽輪機大軸伸縮，進而影響到脹差。汽輪機的軸封抽汽器與軸封風機相連，這樣便可以通過軸封風機抽取汽封中多余的蒸汽。在汽輪機冷態(tài)啟動狀態(tài)下沖轉(zhuǎn)前投入軸封風，這樣就能夠有效抑制脹差值的正向增大。如果正向脹差值增長過快，則需要同時開啟兩臺風機。在汽輪機處于熱態(tài)啟動狀態(tài)下時會出現(xiàn)沖轉(zhuǎn)前工況，為了保證轉(zhuǎn)子正常狀態(tài)，此時要禁止啟用軸封風機。

4.3 沖轉(zhuǎn)過程中實時調(diào)節(jié)空排氣閥開口幅度

汽輪機的背壓蒸汽排空后，其向空排氣閥的開口幅度會影響氣缸溫度和脹差。所以在汽輪機處于沖轉(zhuǎn)時，應當調(diào)節(jié)汽輪機進氣量，進而對空排氣閥的開口幅度進行調(diào)整，這樣就能夠?qū)γ洸钸M行很好的抑制。

4.4 控制負變化荷率及機組啟停過程中主蒸汽溫度變化率

沖轉(zhuǎn)程中應控制汽輪機脹差值變化趨勢，采取設備廠家說明書規(guī)定蒸汽參數(shù)及負荷升降速率，并嚴格控制機組暖機負荷及暖機時間，若發(fā)現(xiàn)汽輪機脹差異常，首先確認脹差異常方向，保持機組負荷，減少主蒸汽溫度波動，如發(fā)現(xiàn)正脹差增大，應降低主蒸汽溫度，或逐漸降低機組負荷；如發(fā)現(xiàn)負脹差增大，應提高主蒸汽溫度，或逐漸提升機組負荷。

4.5 及時將各部位的汽封漏氣放進去

汽輪機在啟動后，如果漏氣壓力達到了一定的程度，應及時將各段氣封漏氣投入，減少大軸的加熱汽量，從而有效控制脹差正值增長速度。

4.6 科學控制燃機溫度匹配

投運燃機溫度匹配功能，汽輪機冷態(tài)啟動，燃機發(fā)啟動令，燃機正常啟動至全速空載狀態(tài)，燃機發(fā)電機并網(wǎng)帶初負荷，投入燃機溫度匹配功能，溫度匹配溫度控制目標設定為燃機當前排氣溫度，在DCS溫度匹配畫面溫度匹配溫升降速率設置為0.2℃/s，溫度匹配溫度控制目標設為與燃機當前排氣溫度偏差5～25℃，燃機自動調(diào)整至目標值，通過控制燃機排氣溫度，匹配鍋爐升溫升壓及汽機冷態(tài)沖轉(zhuǎn)參數(shù)汽輪機滿速后脹差較不投運溫匹明顯降低，汽機帶負荷時間明顯縮短。

5 實例分析

某企業(yè)汽輪機工作異常情況：下半汽缸內(nèi)外壁溫度下降速度高于上半汽缸，上下汽缸溫差緩變其均勻增大超過60℃，負脹差也隨上下汽缸溫度差變化增加超過－1.5mm。停機后汽缸溫度沒有突變，說明氣缸內(nèi)基本不存在積水；真空和軸封壓力為零與惰走結束時間基本一致，這樣就排除了汽缸內(nèi)存在負壓吸入冷氣的可能；而下汽缸的溫度降低速度要高于上汽缸，并且轉(zhuǎn)子收縮速度更快，表明由冷氣帶走下汽缸和轉(zhuǎn)子的熱量。

基于上述分析，存在兩種較為合理的推測：

1）下汽缸連接管道存在積水，積水吸收下汽缸熱量，并產(chǎn)生低溫蒸汽，以很小流量持續(xù)灌入汽缸冷卻轉(zhuǎn)子；

2）止回閥基于反向壓差抑制蒸汽倒灌，停機后如果止回閥后存在低溫蒸汽，止回閥可能由于壓差不足而無法保證絕對嚴密，導致低溫蒸汽通過止回閥灌入汽缸，對下汽缸和轉(zhuǎn)子進行冷卻。

6 結束語

經(jīng)過本文的深入分析，可以知道汽輪機在啟動、停機、正常運行等工況時，其內(nèi)部的溫度差異會使轉(zhuǎn)子、氣缸產(chǎn)生形變，繼而嚴重影響汽輪機的工作。因此必須對汽輪機的脹差進行深入分析，從產(chǎn)生原因及影響結果深入展開。從而得到抑制汽輪機脹差現(xiàn)象的有效策略，保證脹差控制在允許范圍內(nèi)，從而延長汽輪機的使用壽命，最大程度實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。