大型汽轮机胀差变化的分析与对策

程永峰

(华电国际电力股份有限公司莱城发电厂，山东 莱芜 271100)

0 引言

转子轴系和汽缸在机组启停时都会受到很大的热应力，发生很大的热变形，从而产生胀差。如果转子膨胀大于汽缸，就产生正胀差；如果转子膨胀小于汽缸，就产生负胀差。胀差的大小反应了汽轮机内部级间、隔板汽封等轴向间隙的变化。如果胀差超限，级间的轴向间隙消失，汽轮机就会发生动静摩擦、叶片损坏、机组振动、转子弯曲等恶性事故。因此，研究和控制汽轮机启停时胀差的变化对汽轮机的安全运行具有非常重要的意义，制定控制胀差变化的措施尤其迫切。

1 胀差产生的原因

1.1 产生机理

金属构件在受热后体积会发生膨胀，即沿长、宽、高3个方向增大，具体的膨胀值与金属的膨胀系数有关。在对流换热中，对流换热系数和流体流速会对金属的受热情况产生影响。高压汽轮机从冷态到正常运行，金属温度的变化非常大，因此汽缸的轴向、水平和垂直方向的尺寸都会发生很大改变。

在机组启动时，汽缸的质量很大，而转子的质量相对较小，一般只有汽缸的1/3～1/4，但是在运行中转子接触蒸汽的面积却是汽缸的5倍。由质面比的定义可知，在汽轮机启动过程中，转子被蒸汽以较快的速度加热，平均温度升高较快，膨胀值也较大；但是汽缸的底部疏水很多，平均温度升高较慢，这样在汽轮机转子与高中压缸之间就会产生温差，进而产生膨胀差值，即胀差。汽轮机滑销系统如图1所示。

1.2 胀差的计算公式

汽轮机的轴向膨胀相对值是由汽轮机转子和轴承座之间的推力轴承确定的，汽缸猫爪下面的横、纵销确定了汽缸与轴承的相对位置变化范围，推力轴承的位置就是转子和汽缸轴向膨胀差值的相对平衡点。假如汽轮机转子相对高中压缸进汽中心截面推力瓦的距离为l，并且汽轮机转子从推力瓦面距离此截面位置一段的汽轮机转子的平均温升为那么汽轮机转子相对该截面上产生的膨胀值高中压缸相对该截面上产生的膨胀值因此可以计算出汽轮机转子与高中压缸的膨胀差值：

在计算过程中可将汽缸和转子看成是由多段组成的，因此每段的膨胀差值可以通过其在常温下的长度和平均温差求出，末端的膨胀差值为固定点到该处中间各段平膨胀差值的代数和。

1.3 胀差的允许范围

胀差对汽轮机的安全运行影响很大，带来的危害性也很大。它不仅会缩短汽轮机主机寿命，严重时甚至会造成机组损坏事故。为此一般汽轮机都有规定的胀差报警值、手动停机值，如表1所示。

2 影响胀差的因素

2.1 机组运行工况对胀差的影响

2.1.1 冷态启动时胀差的变化

图1 汽轮机滑销系统

汽轮机冷态启动时，汽轮机汽缸、转子逐渐被加热，温度逐渐升高，汽轮机胀差总体表现为正胀差。从冲转到定速阶段，因为转子温升快，汽轮机的正胀差呈上升趋势，对于采取中压缸启动的机组，该阶段胀差变化主要发生在中压缸。低压缸的胀差变化不仅受到摩擦鼓风热量的影响，还受到离心力的影响。当汽轮机转子转速达到3 000 r/min，启动过程结束时，转子和汽缸正胀差值达到最高值。

表1 300 MW汽轮机的胀差允许范围

冷态冲转时，主汽压力一般选取4.2 MPa，主汽温选择420 ℃，采用高压缸启动方式的过程为：汽轮机挂闸后，首先开启1，2号中联门，输入阀限100 %后，中压主汽门打开，在DEH(汽轮机数字电液控制系统)冲转画面上选择TV控制，输入300 r/min的升速率，1～6号高压调门全开，在大机转速600 r/min时进行摩擦检查，摩擦检查结束后，继续冲转至2 400 r/min时进行中速暖机。当再热汽温达到260 ℃时，计算中速暖机时间，一般为3 h。暖机结束后，升速到2 900 r/min进行TV/GV切换，然后升速至目标转速3 000 r/min。

2.1.2 热态启动时胀差的变化

热态启动时汽轮机转子、高中压缸和低压缸的金属温度尚未冷却下来，此时温度比较高。如果冲转时蒸汽温度低于汽缸温度，则蒸汽进入汽轮机后会对转子和汽缸起到冷却作用，使汽轮机出现负胀差。尤其对极热态启动，几乎不可避免地会出现负胀差。

2.1.3 甩负荷或正常停机时胀差的变化

当汽轮机甩负荷或正常停机时，随着机组负荷的降低，流过汽轮机通流部分和转子的蒸汽温度低于金属温度。由于转子质量比较小，与蒸汽接触面积相对较大，所以转子比汽缸冷却得快，即转子比汽缸收缩得多，因而出现负胀差。现在停机普遍采用滑参数停机方式，主再热蒸汽温度随着负荷的降低逐渐降低，直至主再热汽温达到350 ℃、负荷最低时停机解列。这样既缩短了机组检修工期，又提高了经济效益。

在采用滑参数停机时，随着负荷的下降，主再热汽温逐渐下降，胀差也下降。虽然汽温会出现升高的反复现象，但对汽缸的膨胀下降没有影响。因此，只要控制好汽温的变化速率就能控制好胀差的变化。

2.2 汽缸结构对胀差的影响

(1)大多数汽缸都设有水平法兰，水平法兰在升速过程中温度比汽缸要低，阻碍了汽缸的膨胀，引起胀差增大。

(2)运行中滑销系统的滑动面之间存在阻力，会引起胀差增大。

(3)由于汽缸保温措施不完善、抽汽管道多，可能引起汽缸温度分布不合理且偏低，从而造成汽缸膨胀不完全，使汽轮机胀差增大。汽缸疏水不畅也可能导致下缸疏水冷却、温度降低，使得汽缸膨胀受影响，从而引起上缸变形、向上拱起，致使相对胀差发生变化。

(4)转子高速旋转时，受离心力作用，转子发生径向和轴向的变形，即转子在离心力的作用下变短、变粗(泊松效应)。对于大容量机组，因转子很长，离心力会对胀差产生影响。

2.3 汽轮机初参数和真空对胀差的影响

(1)汽轮机冲转前，向轴封供汽时，由于冷态启动时轴封供汽温度高于转子温度，转子局部受热而伸长，不仅会出现正胀差，还可能出现轴封摩擦的现象。

(2)真空的变化会引起胀差值的改变。当真空降低时，为了保持机组转速不变，必须增加进汽量，导致摩擦鼓风损失增大，进而使高压转子受热加大，其正胀差值也随之增大，低压转子鼓风摩擦造成的正胀差有所减少；当真空提高时，则相反，会使高压转子胀差减小。

3 减小胀差的措施

(1)在机组冷态启动时，主要是控制机组的正胀差。可以通过合理使用汽缸法兰螺栓加热装置，使汽缸与转子的膨胀相适应。缩短冲转前汽封供汽时间，并采用较低温度的汽源，控制好温升率和升速率以及加负荷速率，使机组均匀受热。延长中速暖机时间，暖机时要采用有利于高压胀差降低的方法。如果是低压胀差大，可适当提高排汽缸温度。

(2)汽轮机热态启动时，为减少胀差变化应采取的措施是：热态启动前，胀差一般是负值，启动时转子和汽缸温度高，若冲转时蒸汽温度偏低，则蒸汽进入汽轮机后对转子和汽缸起到冷却作用，会增大负胀差。所以，在启动的前一阶段，应主要控制负胀差，防止其过大；在后一阶段则应注意胀差向正的方向变化。

(3)机组正常启动过程中，应采取措施来控制胀差过大，冲转前应保持汽温高于汽缸金属温度50～100 ℃,如果汽压较高，则应适当再提高汽温，以防转子过度收缩；轴封供汽采用高温汽源，以补偿转子的过度收缩。

(4)真空维持更高，升速更快，避免在低速时多停留而导致机组冷却，从而使负胀差增大。

(5)采用合适的法兰和螺栓加热系统，使法兰温度也能随着蒸汽温度上升，从而使胀差减少。在汽轮机启停过程中使用汽缸法兰和螺栓加热装置，小型机组主要采用汽缸法兰和螺栓的温度随蒸汽参数的变化来提高或降低，来尽量减小汽缸外部和内部、法兰里外、汽缸和法兰、螺栓与法兰的温差，使得汽缸在膨胀或收缩时都能迅速把胀差控制在正常范围内。

4 结论

对汽轮机暖机、升负荷和滑参数停机过程中胀差的变化进行分析，可以看出：汽轮机的运行工况、汽轮机汽缸结构以及汽轮机的初参数和真空不同，导致其胀差的控制方式也不完全一样。在300 MW汽轮机启停过程中，合理地控制主、再热汽温的变化速率，控制好暖机的初参数和时间以及轴封供汽参数和法兰螺栓加热装置的投切时机等，合理保证暖机的效果，就能将胀差控制在安全范围内，保证汽机的安全运行，避免引起恶性的安全事故。

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