秩名 發表於 2012-05-25 15:28:14
摘要： 從相對膨脹產生的理論出發， 針對焦作韓電發電有限公司1 號機的實際情況， 分啟動和運行2 個過程， 對汽輪機相對膨脹值大的原因進行了分析， 並介紹了所採取的相應控制措施或注意事項， 以及在實際生產中起到的作用作出了舉例證明。
1 前言
我公司1 號汽輪機型號是C C50-8.83/4。22/1。57， 系哈爾賓汽輪機廠生產的雙缸、單軸、雙抽汽凝汽式汽輪機， 進汽溫度535℃， 額定進汽量為224t， 中壓額定抽汽量為30噸， 最大抽汽量為60噸。低壓抽汽量為50噸，最大抽汽量為50噸。該機組投運後， 相對膨脹值及機組轉動產生的噪聲明顯偏大， 特別是在啟動過程中， 相對膨脹值超過規定值， 影響開機升速和升負荷時間， 是制約順利開機的主要因素。投運初期， 開機時間在10h以上， 開機時間明顯偏長。
2 控制相對膨脹的重要性
金屬物件在受熱後， 向各個方向膨脹， 高溫高壓汽輪機從冷態啟動到帶額定負荷運行， 金屬溫度的變化很大 400～ 500℃ 。因此， 汽缸及汽輪機各部件的軸向、垂直、水平各個方向的尺寸都會因受熱明顯增大。汽輪機各部件膨脹量不同， 使得各部件的相對位置發生變化， 其變化量超過汽輪機動靜部分的允許間隙後， 動靜部件將會發生磨擦， 導致汽輪機損壞， 甚至報廢等嚴重後果。為了控制汽輪機的動靜部分不摩擦， 汽缸的軸向膨脹和汽缸與轉子的相對膨脹就成為開機過程中重要的控制指標。汽輪機在啟動暖機過程， 轉子以推力軸承 機頭，1號瓦處為死點向後膨脹， 汽缸以後軸承座中點2 號瓦處為死點向前膨脹， 二者的膨脹差值即為相對膨脹 習慣稱為脹差 。當轉子膨脹值大於汽缸膨脹值時， 相對膨脹為正值， 該值過大時可造成動葉片出口處與下級噴嘴摩擦。當轉子膨脹值小於汽缸膨脹值時， 相對膨脹為負值， 該值過大時可造成動葉片進口處與噴嘴摩擦。因此， 汽輪機的相對膨脹值的控制相當重要。1號汽輪機的相對膨脹測量裝置安裝在2 號瓦附近， 即汽缸死點處。
3 1 號汽輪機的相對膨脹大的原因
3. 1理論分析
金屬受熱膨脹值有如下關係：
ΔL=Lσ（ti-t0） （1）
式中 ΔL 為金屬的絕對膨脹值;
L 為金屬的長度;
σ為該金屬的線膨脹係數;
ti 為金屬材料的平均溫度;
to 為冷態溫度， 通常取 20℃。
由式 1 可以看出汽缸與轉子熱膨脹的差值相對膨脹 取決於：
a. 由於轉子與汽缸金屬材料的不同， 其線脹係數σ的不同， 其在設計製造已確定， 這裡不予討論。
b.由於熱力過程的影響， 轉子與汽缸的平均溫度的不同。
此外， 機組熱膨脹值還受非熱力過程的影響。如轉子轉動時受泊松效應影響膨脹值會變小， 但3000 r min 後影響較小， 而汽缸受到滑銷系統和抽汽管道能否自由膨脹的影響是比較大的。
3. 2 運行中相對膨脹值大原因分析及控制措施機組在穩定工況運行時， 各區段的溫度分布是有規律的， 且轉子和汽缸的金屬溫度接近同級的蒸汽溫度， 理論上相對膨脹值應接近於0。而1 號汽輪機在30 MW ， 抽汽90， t h 真空93 kPa的穩定工況長期運行時， 相對膨脹值仍為2.15 mm其原因分析如下：
3. 2. 1汽缸的平均溫度低於轉子的平均溫度， 其影響主要有2 方面：
1 保溫不良。
2 環境影響： 由於空氣對流等引起汽輪機外缸產生溫差， 從而降低了汽缸的平均溫度。
3. 2. 2由於轉子與汽缸的金屬材料的不同， 轉子的線脹係數大於汽缸的線脹係數， 線脹係數在汽輪機的設計、製造過程中已確定， 故不予討論。
3. 2. 3滑銷系統的影響。當機組的滑銷系統受阻時， 汽缸的熱膨脹值變化有跳躍式變化或汽缸的膨脹值存在變小的現象。在大修時對滑銷系統進行了檢查清理， 熱膨脹值變小的現象有所好轉， 但仍須在開機過程中對汽缸的熱膨脹進行監視， 監測有無跳躍式的變化， 以便停機檢修時進行處理。
3. 2. 4汽輪機啟動過程中， 各抽汽管道能否自由膨脹， 其抽汽管道膨脹的熱應力會影響汽缸熱自身膨脹的變化。
以上對汽缸膨脹有影響的因素， 有待於大修時予以確證和排除， 以降低運行中相對膨脹值。
3. 3啟動階段相對膨脹值偏大的原因分析及控制
1 號機汽缸和轉子可以看成是由很多段組成的， 每段的膨脹差值可由其長度和該段平均溫差求出， 而該段末端的相對膨脹值為固定點 推力軸承處 至該處中間各段膨脹差值的代數和。因此， 汽輪機各段的脹差對機組整個相對膨脹各有其影響。
3. 3. 1主汽參數及金屬溫升率的影響
汽輪機啟停過程中， 由於汽缸和轉子材料、結構尺寸以及受熱條件的不同， 即使是在相同的蒸汽參數下， 兩者之間也明顯存在溫差。
從傳熱的角度分析：
在金屬溫度已上升到該段蒸汽相應壓力的飽和溫度後， 即蒸汽不會發生凝結放熱後， 蒸汽對金屬的單位時間的放熱量Q1 為：
Q1= （t蒸汽-t金屬） αA金屬 （2 ）
式中t蒸汽為該段蒸汽的平均溫度;
t金屬為金屬的平均溫度;
α為放熱係數;
A金屬為金屬的受熱面積。
金屬的單位時間的吸熱量Q2 為：
Q2 = m金屬cb金屬 （3）
式中m金屬為金屬的質量; c 為金屬的比熱; b金屬為金屬的溫升速度。
如果不計散熱損失， 由Q1 = Q2 ， 整理公式 （2 ），（3）得：
b金屬=（ t蒸汽- t金屬） αA金屬/（m金屬c ） （4）
A金屬/m金屬稱為質面比。
當機組啟動升速或加負荷暖機前， 轉子和汽缸與蒸汽的溫差 （t蒸汽- t金屬 ）可以視為相等， 但在升速或加負荷暖機過程中， 由於放熱係數α和質面比A金屬m金屬的不同， 轉子與汽缸就會產生溫差。汽缸的質量大， 接觸蒸汽面積小; 轉子質量小， 接觸蒸汽的面積大， 另外， 轉子轉動時蒸汽對轉子的放熱係數比汽缸的要大， 所以轉子溫度變化快， 轉子更接近於蒸汽溫度， 因此， 在汽輪機啟停和工況變化時， 轉子隨蒸汽溫度的變化膨脹或收縮更為迅速。在每個暖機階段， 轉子溫度逐漸升到比較接近周圍蒸汽的溫度之後， 溫升率明顯下降， 而汽缸則仍以接近於原來的溫升率升高溫度。因此經過一段時間後，汽缸與轉子的溫差縮小， 這樣就可以升速或升負荷到下一暖機階段。
在滑參數啟動過程中， 對主汽參數的控制和金屬的溫升率的控制是防止汽輪機的正脹差值過大的主要手段。要防止蒸汽參數過高， 蒸汽參數過高會引起進汽量少， 暖機不均勻， 使轉子加熱過快， 汽缸加熱相對過慢， 汽缸和轉子的溫差加大， 使得相對膨脹正值增加過快。
如在 2007年1號機開機， 主汽溫度320℃， 壓力2.7 MPa 時衝轉。主汽溫度365℃， 壓力3.2 MPa 時併網， 相對膨脹增大至3.0 mm。鍋爐蒸汽溫度降至350℃時， 相對膨脹回落0.2 mm。
3. 3. 2控制軸封供汽對脹差的影響
高壓汽輪機從調節汽室沿前軸封漏出的蒸汽，故前軸封段的轉子溫度較高， 且在汽輪機軸封處由於蒸汽流速高蒸汽的放熱係數也大。再者， 高溫高壓汽輪機汽封段轉子長度較大， 如果有效地降低軸封供汽溫度， 對軸封段的正脹差減小是有利的。
軸封供汽有2 種來源： 廠用汽 壓力0.89 MPa溫度約280℃ 和高除汽平衡汽 壓力約為0.5 MPa溫度約158℃ 。運行中7 號機一般採用廠用汽作為軸封供汽的熱源。在啟動過程中， 轉子軸封段溫升率較快， 膨脹大， 應儘可能採用高除汽平衡汽源， 以低溫蒸汽降低轉子溫升率。
在1 號機開機中， 儘快將高除壓力升至正常， 將軸封汽源由廠用汽 280℃ 倒為汽平衡
158℃ 汽源， 對脹差的控制起到了較好的效果。
3. 3. 3汽缸、法蘭螺栓加熱裝置投運對相對膨脹的影響
汽輪機在啟動過程中， 使用汽缸法蘭和螺栓加熱裝置可以提高汽缸、法蘭和螺栓的溫度， 有效地減少汽缸內外壁、法蘭內外、汽缸與法蘭、法蘭與螺栓的溫差， 提高汽缸的平均溫度， 加速汽缸的膨脹。法蘭加熱裝置的正確使用， 對高壓汽輪機啟動控制相對膨脹值有較明顯的作用。
值得注意的是， 如果啟動時加熱過度， 汽輪機中間幾級的軸向間隙小於允許的範圍， 而相對膨脹表的指示仍然可能在正常範圍內， 對機組的安全構成威脅， 所以法蘭螺栓加熱裝置的投入時間和溫度的控制是相當重要的。只有在時間合適和溫度恰當
的情況下， 法蘭螺栓加熱裝置才能起到控制相對膨脹的作用。
在1 號機開機中，7 號機衝轉後， 脹差在0 mm 以上， 立即投法蘭加熱裝置， 汽源溫度260℃，
此時新蒸汽溫度320℃。併網後倒為新蒸汽， 溫度350℃， 法蘭溫度為170℃， 調節級溫度為225℃， 相對膨脹值下降至0.19 mm ， 汽缸法蘭平均溫升由原來的0.41 ℃/ min升至0.744 ℃/ min。
3. 3. 4凝汽器真空對控制相對膨脹的影響
在汽輪機啟動過程中， 當機組維持一定轉速或負荷時， 改變凝汽器真空可以在一定範圍內調整脹差。當真空降低時欲保持機組轉速或負荷不變， 必須增加進汽量， 使高壓轉子溫升率加快， 其高壓缸正脹差隨之增大。由於進汽量的增加， 中、低壓部分摩擦鼓風的熱量被蒸汽帶走， 因而轉子被加熱的程度減少， 正脹差減小。另外， 真空降低， 排汽缸溫度的上升， 也會使中低壓缸加快膨脹， 減少脹差。
在開機中， 真空控制在80～ 85 kPa， 排汽溫度為100℃以內， 相對膨脹值有明顯的回落。
3. 3. 5加熱器和抽汽投入的影響
由於轉子、汽缸與蒸汽的熱交換以對流換熱的形式進行， 當機組啟動達到一定負荷後， 轉子的溫度已接近該段蒸汽溫度， 轉子的溫升較慢， 而汽缸受質面比的影響， 尚未達到工作溫度， 膨脹不完全，此時投入高加和抽汽， 增加高、中壓缸的蒸汽流量，由於流量、流速的變化， 對汽缸的放熱係數 增大，α在同樣的蒸汽與汽缸金屬溫度差下， 汽缸的加熱程度增加， 溫升率上升， 汽缸的溫升率比轉子快， 從而汽缸熱膨脹加快， 相對膨脹值減小。
3. 3. 6疏放水對暖機的影響
充分的疏放水可以提高下汽缸的溫度， 降低上下缸的溫差， 也就提高了汽缸整體的平均溫度。
各抽汽管道的充分疏放水， 提高了各抽汽口的溫度， 相應提高了汽缸的整體平均溫度。再者， 能使各抽汽管道充分膨脹， 減少了抽汽管道阻礙汽缸熱膨脹現象的發生。
4 結論
4. 1 1 號機在運行中相對膨脹值偏大， 應在停機檢修時確證並排除;
4. 2開機啟動過程中應採取多個措施的配合使用。歷次開機證明了能夠控制好相對膨脹值不超過+4 mm ， 且開機時間大大縮短， 採取以上措施後，開機時間由原來的10h 縮短到現在的5h～ 6h ， 其效益是可觀的。
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