摘要： 從相對(duì)膨脹產(chǎn)生的理論出發(fā)， 針對(duì)焦作韓電發(fā)電有限公司1 號(hào)機(jī)的實(shí)際情況， 分啟動(dòng)和運(yùn)行2 個(gè)過程， 對(duì)汽輪機(jī)相對(duì)膨脹值大的原因進(jìn)行了分析， 并介紹了所采取的相應(yīng)控制措施或注意事項(xiàng)， 以及在實(shí)際生產(chǎn)中起到的作用作出了舉例證明。

　　1 前言

　　我公司1 號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)是C C50-8.83/4。22/1。57， 系哈爾賓汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的雙缸、單軸、雙抽汽凝汽式汽輪機(jī)， 進(jìn)汽溫度535℃， 額定進(jìn)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(jī)組投運(yùn)后， 相對(duì)膨脹值及機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲明顯偏大， 特別是在啟動(dòng)過程中， 相對(duì)膨脹值超過規(guī)定值， 影響開機(jī)升速和升負(fù)荷時(shí)間， 是制約順利開機(jī)的主要因素。投運(yùn)初期， 開機(jī)時(shí)間在10h以上， 開機(jī)時(shí)間明顯偏長(zhǎng)。

　　2 控制相對(duì)膨脹的重要性

　　金屬物件在受熱后， 向各個(gè)方向膨脹， 高溫高壓汽輪機(jī)從冷態(tài)啟動(dòng)到帶額定負(fù)荷運(yùn)行， 金屬溫度的變化很大 400～ 500℃ 。因此， 汽缸及汽輪機(jī)各部件的軸向、垂直、水平各個(gè)方向的尺寸都會(huì)因受熱明顯增大。汽輪機(jī)各部件膨脹量不同， 使得各部件的相對(duì)位置發(fā)生變化， 其變化量超過汽輪機(jī)動(dòng)靜部分的允許間隙后， 動(dòng)靜部件將會(huì)發(fā)生磨擦， 導(dǎo)致汽輪機(jī)損壞， 甚至報(bào)廢等嚴(yán)重后果。為了控制汽輪機(jī)的動(dòng)靜部分不摩擦， 汽缸的軸向膨脹和汽缸與轉(zhuǎn)子的相對(duì)膨脹就成為開機(jī)過程中重要的控制指標(biāo)。汽輪機(jī)在啟動(dòng)暖機(jī)過程， 轉(zhuǎn)子以推力軸承 機(jī)頭，1號(hào)瓦處為死點(diǎn)向后膨脹， 汽缸以后軸承座中點(diǎn)2 號(hào)瓦處為死點(diǎn)向前膨脹， 二者的膨脹差值即為相對(duì)膨脹 習(xí)慣稱為脹差 。當(dāng)轉(zhuǎn)子膨脹值大于汽缸膨脹值時(shí)， 相對(duì)膨脹為正值， 該值過大時(shí)可造成動(dòng)葉片出口處與下級(jí)噴嘴摩擦。當(dāng)轉(zhuǎn)子膨脹值小于汽缸膨脹值時(shí)， 相對(duì)膨脹為負(fù)值， 該值過大時(shí)可造成動(dòng)葉片進(jìn)口處與噴嘴摩擦。因此， 汽輪機(jī)的相對(duì)膨脹值的控制相當(dāng)重要。1號(hào)汽輪機(jī)的相對(duì)膨脹測(cè)量裝置安裝在2 號(hào)瓦附近， 即汽缸死點(diǎn)處。

　　3 1 號(hào)汽輪機(jī)的相對(duì)膨脹大的原因

　　3. 1理論分析

　　金屬受熱膨脹值有如下關(guān)系：

　　ΔL=Lσ（ti-t0） （1）

　　式中 ΔL 為金屬的絕對(duì)膨脹值;

　　L 為金屬的長(zhǎng)度;

　　σ為該金屬的線膨脹系數(shù);

　　ti 為金屬材料的平均溫度;

　　to 為冷態(tài)溫度， 通常取 20℃。

　　由式 1 可以看出汽缸與轉(zhuǎn)子熱膨脹的差值相對(duì)膨脹 取決于：

　　a. 由于轉(zhuǎn)子與汽缸金屬材料的不同， 其線脹系數(shù)σ的不同， 其在設(shè)計(jì)制造已確定， 這里不予討論。

　　b.由于熱力過程的影響， 轉(zhuǎn)子與汽缸的平均溫度的不同。

　　此外， 機(jī)組熱膨脹值還受非熱力過程的影響。如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受泊松效應(yīng)影響膨脹值會(huì)變小， 但3000 r min 后影響較小， 而汽缸受到滑銷系統(tǒng)和抽汽管道能否自由膨脹的影響是比較大的。

　　3. 2 運(yùn)行中相對(duì)膨脹值大原因分析及控制措施機(jī)組在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)， 各區(qū)段的溫度分布是有規(guī)律的， 且轉(zhuǎn)子和汽缸的金屬溫度接近同級(jí)的蒸汽溫度， 理論上相對(duì)膨脹值應(yīng)接近于0。而1 號(hào)汽輪機(jī)在30 MW ， 抽汽90， t h 真空93 kPa的穩(wěn)定工況長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)， 相對(duì)膨脹值仍為2.15 mm其原因分析如下：

　　3. 2. 1汽缸的平均溫度低于轉(zhuǎn)子的平均溫度， 其影響主要有2 方面：

　　1 保溫不良。

　　2 環(huán)境影響： 由于空氣對(duì)流等引起汽輪機(jī)外缸產(chǎn)生溫差， 從而降低了汽缸的平均溫度。

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　　3. 2. 2由于轉(zhuǎn)子與汽缸的金屬材料的不同， 轉(zhuǎn)子的線脹系數(shù)大于汽缸的線脹系數(shù)， 線脹系數(shù)在汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造過程中已確定， 故不予討論。

　　3. 2. 3滑銷系統(tǒng)的影響。當(dāng)機(jī)組的滑銷系統(tǒng)受阻時(shí)， 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(xiàn)象。在大修時(shí)對(duì)滑銷系統(tǒng)進(jìn)行了檢查清理， 熱膨脹值變小的現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)， 但仍須在開機(jī)過程中對(duì)汽缸的熱膨脹進(jìn)行監(jiān)視， 監(jiān)測(cè)有無跳躍式的變化， 以便停機(jī)檢修時(shí)進(jìn)行處理。

　　3. 2. 4汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中， 各抽汽管道能否自由膨脹， 其抽汽管道膨脹的熱應(yīng)力會(huì)影響汽缸熱自身膨脹的變化。

　　以上對(duì)汽缸膨脹有影響的因素， 有待于大修時(shí)予以確證和排除， 以降低運(yùn)行中相對(duì)膨脹值。

　　3. 3啟動(dòng)階段相對(duì)膨脹值偏大的原因分析及控制

　　1 號(hào)機(jī)汽缸和轉(zhuǎn)子可以看成是由很多段組成的， 每段的膨脹差值可由其長(zhǎng)度和該段平均溫差求出， 而該段末端的相對(duì)膨脹值為固定點(diǎn) 推力軸承處 至該處中間各段膨脹差值的代數(shù)和。因此， 汽輪機(jī)各段的脹差對(duì)機(jī)組整個(gè)相對(duì)膨脹各有其影響。

　　3. 3. 1主汽參數(shù)及金屬溫升率的影響

　　汽輪機(jī)啟停過程中， 由于汽缸和轉(zhuǎn)子材料、結(jié)構(gòu)尺寸以及受熱條件的不同， 即使是在相同的蒸汽參數(shù)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(yīng)壓力的飽和溫度后， 即蒸汽不會(huì)發(fā)生凝結(jié)放熱后， 蒸汽對(duì)金屬的單位時(shí)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為放熱系數(shù);

　　A金屬為金屬的受熱面積。

　　金屬的單位時(shí)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(zhì)量; c 為金屬的比熱; b金屬為金屬的溫升速度。

　　如果不計(jì)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(zhì)面比。

　　當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)升速或加負(fù)荷暖機(jī)前， 轉(zhuǎn)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(fù)荷暖機(jī)過程中， 由于放熱系數(shù)α和質(zhì)面比A金屬m金屬的不同， 轉(zhuǎn)子與汽缸就會(huì)產(chǎn)生溫差。汽缸的質(zhì)量大， 接觸蒸汽面積小; 轉(zhuǎn)子質(zhì)量小， 接觸蒸汽的面積大， 另外， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子的放熱系數(shù)比汽缸的要大， 所以轉(zhuǎn)子溫度變化快， 轉(zhuǎn)子更接近于蒸汽溫度， 因此， 在汽輪機(jī)啟停和工況變化時(shí)， 轉(zhuǎn)子隨蒸汽溫度的變化膨脹或收縮更為迅速。在每個(gè)暖機(jī)階段， 轉(zhuǎn)子溫度逐漸升到比較接近周圍蒸汽的溫度之后， 溫升率明顯下降， 而汽缸則仍以接近于原來的溫升率升高溫度。因此經(jīng)過一段時(shí)間后，汽缸與轉(zhuǎn)子的溫差縮小， 這樣就可以升速或升負(fù)荷到下一暖機(jī)階段。

　　在滑參數(shù)啟動(dòng)過程中， 對(duì)主汽參數(shù)的控制和金屬的溫升率的控制是防止汽輪機(jī)的正脹差值過大的主要手段。要防止蒸汽參數(shù)過高， 蒸汽參數(shù)過高會(huì)引起進(jìn)汽量少， 暖機(jī)不均勻， 使轉(zhuǎn)子加熱過快， 汽缸加熱相對(duì)過慢， 汽缸和轉(zhuǎn)子的溫差加大， 使得相對(duì)膨脹正值增加過快。

　　如在 2007年1號(hào)機(jī)開機(jī)， 主汽溫度320℃， 壓力2.7 MPa 時(shí)沖轉(zhuǎn)。主汽溫度365℃， 壓力3.2 MPa 時(shí)并網(wǎng)， 相對(duì)膨脹增大至3.0 mm。鍋爐蒸汽溫度降至350℃時(shí)， 相對(duì)膨脹回落0.2 mm。

　　3. 3. 2控制軸封供汽對(duì)脹差的影響

　　高壓汽輪機(jī)從調(diào)節(jié)汽室沿前軸封漏出的蒸汽，故前軸封段的轉(zhuǎn)子溫度較高， 且在汽輪機(jī)軸封處由于蒸汽流速高蒸汽的放熱系數(shù)也大。再者， 高溫高壓汽輪機(jī)汽封段轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度較大， 如果有效地降低軸封供汽溫度， 對(duì)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(yùn)行中7 號(hào)機(jī)一般采用廠用汽作為軸封供汽的熱源。在啟動(dòng)過程中， 轉(zhuǎn)子軸封段溫升率較快， 膨脹大， 應(yīng)盡可能采用高除汽平衡汽源， 以低溫蒸汽降低轉(zhuǎn)子溫升率。

　　在1 號(hào)機(jī)開機(jī)中， 盡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(duì)脹差的控制起到了較好的效果。

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　　3. 3. 3汽缸、法蘭螺栓加熱裝置投運(yùn)對(duì)相對(duì)膨脹的影響

　　汽輪機(jī)在啟動(dòng)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(nèi)外壁、法蘭內(nèi)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(duì)高壓汽輪機(jī)啟動(dòng)控制相對(duì)膨脹值有較明顯的作用。

　　值得注意的是， 如果啟動(dòng)時(shí)加熱過度， 汽輪機(jī)中間幾級(jí)的軸向間隙小于允許的范圍， 而相對(duì)膨脹表的指示仍然可能在正常范圍內(nèi)， 對(duì)機(jī)組的安全構(gòu)成威脅， 所以法蘭螺栓加熱裝置的投入時(shí)間和溫度的控制是相當(dāng)重要的。只有在時(shí)間合適和溫度恰當(dāng)

　　的情況下， 法蘭螺栓加熱裝置才能起到控制相對(duì)膨脹的作用。

　　在1 號(hào)機(jī)開機(jī)中，7 號(hào)機(jī)沖轉(zhuǎn)后， 脹差在0 mm 以上， 立即投法蘭加熱裝置， 汽源溫度260℃，

　　此時(shí)新蒸汽溫度320℃。并網(wǎng)后倒為新蒸汽， 溫度350℃， 法蘭溫度為170℃， 調(diào)節(jié)級(jí)溫度為225℃， 相對(duì)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(duì)控制相對(duì)膨脹的影響

　　在汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中， 當(dāng)機(jī)組維持一定轉(zhuǎn)速或負(fù)荷時(shí)， 改變凝汽器真空可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整脹差。當(dāng)真空降低時(shí)欲保持機(jī)組轉(zhuǎn)速或負(fù)荷不變， 必須增加進(jìn)汽量， 使高壓轉(zhuǎn)子溫升率加快， 其高壓缸正脹差隨之增大。由于進(jìn)汽量的增加， 中、低壓部分摩擦鼓風(fēng)的熱量被蒸汽帶走， 因而轉(zhuǎn)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(huì)使中低壓缸加快膨脹， 減少脹差。

　　在開機(jī)中， 真空控制在80～ 85 kPa， 排汽溫度為100℃以內(nèi)， 相對(duì)膨脹值有明顯的回落。

　　3. 3. 5加熱器和抽汽投入的影響

　　由于轉(zhuǎn)子、汽缸與蒸汽的熱交換以對(duì)流換熱的形式進(jìn)行， 當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)達(dá)到一定負(fù)荷后， 轉(zhuǎn)子的溫度已接近該段蒸汽溫度， 轉(zhuǎn)子的溫升較慢， 而汽缸受質(zhì)面比的影響， 尚未達(dá)到工作溫度， 膨脹不完全，此時(shí)投入高加和抽汽， 增加高、中壓缸的蒸汽流量，由于流量、流速的變化， 對(duì)汽缸的放熱系數(shù) 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(zhuǎn)子快， 從而汽缸熱膨脹加快， 相對(duì)膨脹值減小。

　　3. 3. 6疏放水對(duì)暖機(jī)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(yīng)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(xiàn)象的發(fā)生。

　　4 結(jié)論

　　4. 1 1 號(hào)機(jī)在運(yùn)行中相對(duì)膨脹值偏大， 應(yīng)在停機(jī)檢修時(shí)確證并排除;

　　4. 2開機(jī)啟動(dòng)過程中應(yīng)采取多個(gè)措施的配合使用。歷次開機(jī)證明了能夠控制好相對(duì)膨脹值不超過+4 mm ， 且開機(jī)時(shí)間大大縮短， 采取以上措施后，開機(jī)時(shí)間由原來的10h 縮短到現(xiàn)在的5h～ 6h ， 其效益是可觀的。