论文部分内容阅读
摘 要：台山电厂2号机在冷态启动过程中，多次出现汽轮机高压胀差大甚至超越设计值的现象，当高压胀差超越设计值时，将会拖延机组的启动，严重时将会被迫停炉及造成汽轮机设备损坏等。现对一次高压胀差增大事件进行分析，以总结积累经验、吸取教训。
关键词：汽轮机;胀差;膨胀;转速
1 本次机组启动背景
台山电厂2号机为上汽600 MW亚临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机，无法兰加热装置，设计允许的高压胀差为-5.5～16.5 mm。启动前机组经历了近一个月的小修，各测量装置与热控仪表均已按启动要求准确投入，缸胀在2.58 mm，高压胀差仍在10.71 mm，检修后正温差冷态启动。
汽轮机高压胀差增大事件发生在汽轮机2 370 r/min中速暖机时，高压正胀差由启动初期真空建立的10.65 mm增大到15.43 mm。
2 高压胀差大的危害
胀差数值是很重要的运行参数，若胀差超限，则热工保护动作使主机脱扣。由于汽轮机静叶与动叶间的间隙比动叶与下一级静叶间的间隙小得多，因此负胀差比正胀差更危险。如胀差趋向负值，会引起动静之间的摩擦，造成恶性事故;当然正胀差增大到一定程度时也势必造成动静碰磨，严重威胁汽轮机动静部件安全，所以严格控制正负胀差值在一定的范围内是非常必要的。
3 启动过程中影响胀差的因素
（1）主汽、再热汽温升（温降）速度。（2）轴封供汽温度。（3）汽缸法兰、螺栓加热装置。（4）凝汽器真空。（5）机组负温差启动。（6）胀差指示器零点不准或触点磨损。（7）推力轴承磨损，轴向位移增大。（8）汽缸保温层的保温效果不佳或保温层脱落。（9）滑销系统或轴承台板的滑动性能差，易卡涩。（10）双层缸的夹层中流入冷汽（或冷水）。（11）各级抽汽量变化。（12）轴承油温太高。
4 汽轮机胀差大过程
结合表1所示的本次启动背景、启动过程中影响胀差的因素和胀差的实际反映，认为以下几个方面是影响本次启动过程中高压正胀差增大较快的重要原因。
4.1 轴封供汽的影响
15：00，未抽真空之前，缸胀2.576 mm，高压胀差10.709 mm。
16：09，轴封暖管，背压88.37 kPa，缸胀2.545 mm，高压胀差10.648 mm。
17：06，低压轴封汽暖至94.35 ℃时，缸胀2.545 mm，高压胀差10.643 mm，此时汽缸略有收缩。
18：33，低壓轴封汽暖至232.92 ℃时，缸胀2.551 mm，高压胀差11.526 mm，此时汽缸开始膨胀，而转子仍因被加热而持续膨胀。
19：00，低压轴封汽调节至226.86 ℃稳定，缸胀2.565 mm，高压胀差11.721 mm，此时汽缸与转子均因被加热而膨胀。
19：59，低压轴封汽调节至229.08 ℃稳定，缸胀2.641 mm，高压胀差11.980 mm，此时汽缸与转子均因被加热而膨胀。
23：06，汽轮机进汽冲转前，从19：00至此时低压轴封汽在225～230 ℃较稳定，缸胀3.787 mm，高压胀差11.694 mm，此时汽缸仍在膨胀，但高压胀差却变小。
由以上数据可得到如下结论：在汽轮机没有进汽冲转之前，唯一影响到缸胀及胀差的热源只有低压轴封供汽，在低压轴封供汽投入6 h后，汽缸与转子均受到不同程度的加热而膨胀，且由于汽缸质量较大，没有达到膨胀稳定，相对质量较小的转子却在230 ℃的低压热源作用下达到了膨胀稳定。
4.2 主再热汽温的影响
23：06，炉侧过热汽温362.94 ℃，再热汽温349.38 ℃，主汽压3.83 MPa，锅炉EF层4支油枪燃油9.59 t/h，汽轮机开始进汽，冲转至600 r/min，进汽量约15 t/h。
23：57，炉侧过热汽温392.76 ℃，再热汽温380.31 ℃，锅炉EF层4支油枪燃油9.59 t/h，汽轮机转速已到2 376 r/min，进汽量约43 t/h。此刻缸胀4.620 mm，高压胀差11.750 mm，汽缸与转子均因汽轮机的大量高温高压进汽而被加热膨胀。
次日00：08，炉侧主再热汽温仍在持续上升，过热汽温达396.40 ℃，再热汽温也达到384.87 ℃，主汽压5.37 MPa，锅炉燃油无变化，仍是EF层4支油枪燃油9.59 t/h，此时汽轮机在42.43 t/h蒸汽的作用下转速稳定在2 370 r/min。但此刻汽轮机金属在经历了十几分钟的延时之后，膨胀突然增大;00：09时缸胀4.874 mm，高压胀差达到12.152 mm，并且表现出了相当大的速率，有明显的抬头现象;00：09，撤出1支油枪，保留3支油枪，燃油控制在7.28 t/h。1 h之后过热汽温由396.40 ℃降到了375.52 ℃（温降明显），再热汽温由384.87 ℃降到了374.16 ℃，主汽压也由5.37 MPa降到了4.00 MPa。其间为控制胀差还采用了降低燃油压力的办法，将燃油减至7.00 t/h，加大了锅炉炉水的排补，以降低轴封供汽温度。
01：09，缸胀6.372 mm，高压胀差14.417 mm，胀差较大;01：10，继续撤出1支油枪，此时锅炉仅有2支油枪，燃油仅4.82 t/h。
01：55，在炉侧过热汽温降至341.26 ℃，再热汽温也降至338.34 ℃后，高压胀差在15.431 mm并趋于稳定。
由以上数据可得，汽轮机在大量蒸汽进入并冲转至2 370 r/min后，高压胀差有了明显的突增，随后在保持蒸汽通流量稳定的情况下，采用降低蒸汽温度的办法，使胀差的上升趋势得到了有效抑制。 4.3 蒸汽流量的影响
冲转升速过程中，蒸汽流量的突增是高压胀差产生明显抬头现象的主要原因。未冲转之前主汽流量为0 t/h，600 r/min时主汽流量约为15 t/h，2 370 r/min时主汽流量约为42 t/h，蒸汽流量的突增，使得蒸汽与汽缸及转子发生了强烈的珠状态凝结换热，汽缸与转子迅速被加热，但由于汽缸与转子自身的膨胀特性不同，转子膨胀要远远大于汽缸膨胀，于是高压胀差迅速增加。
从2 370 r/min到3 000 r/min的升速过程中，由于蒸汽流量变化小、时间短，胀差没能体现出变化。高压胀差再一次发生抬头增大现象是在发电机并网后的一段时间，主要原因仍然是蒸汽通流量的巨大变化。
4.4 主机润滑油温的影响
启动中汽轮机冲转前，主机润滑油温相对较低，且主机润滑油温波动不是很大，与低压轴封汽一样直接加热转子，相对于低压轴封汽源来说，主机润滑油并没有对转子起到加热作用，相反，主机润滑油起到带走转子与轴承产生的热量的作用，因此主机润滑油温并不是影响高压胀差的重要因素。
4.5 凝汽器真空及抽汽的影响
凝汽器真空的影响主要体现在对蒸汽流量的改变，从表1可以看出，相对于冲转、并网引起的蒸汽流量的改变，凝汽器真空的影响很小。启动冲转过程中，高加汽侧并没有投入，因此三段高压抽汽没有对高压胀差造成实质影响。
5 汽轮机胀差大分析总结及对策
5.1 启动分析总结
从送轴封抽真空到挂闸冲转至2 370 r/min、从3 000 r/min定速到发电机并网带上初负荷，都是汽轮机转子与汽缸被加热的过程。
从高压胀差数据（24 h）来看，胀差变化上总共有3个明显的拐点。
第一个拐点是轴封供汽投用时。轴封供汽从稳定投用到汽轮机冲转共历时6 h，这期间转子已被加热到一个稳定的水平，但汽缸由于质量过大，缸胀仍因汽缸被持续加热而不断地增大。
第二个拐点是在汽轮机冲转至2 370 r/min中速暖机时。由于汽轮机内蒸汽通流量明显增加，相对于低压轴封汽源来说，过热汽是高温高压蒸汽，过热蒸汽的突然到来，打破了转子之前的热平衡状态，由于这巨大而突然的热冲击，致使转子与汽缸迅速被加热，而由于二者自身的膨胀特性不一致，高压胀差表现出明显增大。
第三个拐点发生在发电机并网之后的一小段时间，带上初负荷的汽轮发电机组，蒸汽流量明显增大，对汽轮机转子與汽缸来说，需要建立新的热平衡。
整个过程中，无论是低参数的轴封供汽还是高参数的主再热汽，对汽轮机来说都是一个巨大的热源，对汽轮机的金属都是一个巨大的热冲击，这些热冲击都表现在汽缸与转子的膨胀上。在汽轮机启动的过程中，这些热冲击在汽轮机工作原理的限制下是无法避免的，但是由于热冲击带来的膨胀峰值却可以人为控制。最主要的影响因素是蒸汽流量和主再热蒸汽温度，汽轮机冲转后特别是在2 370 r/min中速暖机后低压轴封汽温对胀差的影响比较有限。
5.2 胀差大对策
汽轮机冷态启动是汽轮机金属被过热蒸汽剧烈加热的过程。特别是汽轮机进汽冲转的瞬间，汽缸与转子迅速被加热，但由于汽缸与转子自身的膨胀特性不同，产生胀差是必然的。针对启机过程中胀差的控制，经过以上分析，总结出如下几点行之有效的措施：
（1）控制主再热汽温稳定且不至于过高。从以上分析可得，除去测量装置故障、滑销卡涩等设备异常因素，从汽轮机被加热的源头来看，控制汽轮机的最大热源——汽轮机的动力源泉——主再热蒸汽，才是最有效的措施。理论上讲，转子与汽缸最终都会被加热到与其接触的蒸汽温度，在保证过热度的安全原则下，控制主再热汽温度，尽量缩小主再热汽与转子及汽缸的温差，转子与汽缸就会以最小的速率膨胀，不至于使胀差过度增大。控制主再热汽温的手段：1）改变油枪数量。2）调整炉前供油压力。3）互换流量大小不同的油枪。4）调整二次风配比，改变炉膛温度场。5）调节总风量。
（2）控制蒸汽流量。由以上分析可知，蒸汽流量的巨大变化是汽轮机高压胀差产生、迅速增大的主要原因。如果能够以最小的蒸汽流量产生同样的冲转效果，那么势必可以减少蒸汽对汽轮机金属的热冲击。控制蒸汽流量的手段：1）改变凝汽器真空。2）提高初参数压力。
（3）延长投轴封至冲转的时间。从以上分析可知，在投入轴封供汽至汽轮机冲转前，转子可以很快就达到一个热平衡状态，但汽缸却不行。也就是说，可以利用这段时间使得汽缸充分预热，让汽缸提前膨胀，高压胀差势必会减小。
（4）高压加热器不要随机启动，以避免增加影响胀差的因素而加大控制的难度与复杂性。
6 结语
由于汽轮机工作原理的限制，冲转、并网等突变工况给汽轮机带来的巨大热冲击无法消除，但仍可以想方设法来限制并缓解巨大热冲击造成的影响，毕竟汽轮机启动是一个相当长的加热过程，只要方法得当及时，高压胀差等影响汽轮机安全运行的重要参数都是可以控制在设计的安全范围之内的。
[参考文献]
[1] 彭博伟.汽轮机高压缸胀差偏大的故障分析[J].电力安全技术，2012，14（1）：54-56.
[2] 初明辉.如何控制汽轮机启停中胀差的变化[J].中国电力教育，2008（S3）：705-706.
[3] 鲁超，杨爱平.N200-12.7/535/535型汽轮机胀差变化规律与控制[J].江苏电机工程，2004，23（4）：22-24.
收稿日期：2021-04-16
作者简介：唐道朋（1979—），男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，研究方向：发电厂集控运行。
关键词：汽轮机;胀差;膨胀;转速
1 本次机组启动背景
台山电厂2号机为上汽600 MW亚临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机，无法兰加热装置，设计允许的高压胀差为-5.5～16.5 mm。启动前机组经历了近一个月的小修，各测量装置与热控仪表均已按启动要求准确投入，缸胀在2.58 mm，高压胀差仍在10.71 mm，检修后正温差冷态启动。
汽轮机高压胀差增大事件发生在汽轮机2 370 r/min中速暖机时，高压正胀差由启动初期真空建立的10.65 mm增大到15.43 mm。
2 高压胀差大的危害
胀差数值是很重要的运行参数，若胀差超限，则热工保护动作使主机脱扣。由于汽轮机静叶与动叶间的间隙比动叶与下一级静叶间的间隙小得多，因此负胀差比正胀差更危险。如胀差趋向负值，会引起动静之间的摩擦，造成恶性事故;当然正胀差增大到一定程度时也势必造成动静碰磨，严重威胁汽轮机动静部件安全，所以严格控制正负胀差值在一定的范围内是非常必要的。
3 启动过程中影响胀差的因素
（1）主汽、再热汽温升（温降）速度。（2）轴封供汽温度。（3）汽缸法兰、螺栓加热装置。（4）凝汽器真空。（5）机组负温差启动。（6）胀差指示器零点不准或触点磨损。（7）推力轴承磨损，轴向位移增大。（8）汽缸保温层的保温效果不佳或保温层脱落。（9）滑销系统或轴承台板的滑动性能差，易卡涩。（10）双层缸的夹层中流入冷汽（或冷水）。（11）各级抽汽量变化。（12）轴承油温太高。
4 汽轮机胀差大过程
结合表1所示的本次启动背景、启动过程中影响胀差的因素和胀差的实际反映，认为以下几个方面是影响本次启动过程中高压正胀差增大较快的重要原因。
4.1 轴封供汽的影响
15：00，未抽真空之前，缸胀2.576 mm，高压胀差10.709 mm。
16：09，轴封暖管，背压88.37 kPa，缸胀2.545 mm，高压胀差10.648 mm。
17：06，低压轴封汽暖至94.35 ℃时，缸胀2.545 mm，高压胀差10.643 mm，此时汽缸略有收缩。
18：33，低壓轴封汽暖至232.92 ℃时，缸胀2.551 mm，高压胀差11.526 mm，此时汽缸开始膨胀，而转子仍因被加热而持续膨胀。
19：00，低压轴封汽调节至226.86 ℃稳定，缸胀2.565 mm，高压胀差11.721 mm，此时汽缸与转子均因被加热而膨胀。
19：59，低压轴封汽调节至229.08 ℃稳定，缸胀2.641 mm，高压胀差11.980 mm，此时汽缸与转子均因被加热而膨胀。
23：06，汽轮机进汽冲转前，从19：00至此时低压轴封汽在225～230 ℃较稳定，缸胀3.787 mm，高压胀差11.694 mm，此时汽缸仍在膨胀，但高压胀差却变小。
由以上数据可得到如下结论：在汽轮机没有进汽冲转之前，唯一影响到缸胀及胀差的热源只有低压轴封供汽，在低压轴封供汽投入6 h后，汽缸与转子均受到不同程度的加热而膨胀，且由于汽缸质量较大，没有达到膨胀稳定，相对质量较小的转子却在230 ℃的低压热源作用下达到了膨胀稳定。
4.2 主再热汽温的影响
23：06，炉侧过热汽温362.94 ℃，再热汽温349.38 ℃，主汽压3.83 MPa，锅炉EF层4支油枪燃油9.59 t/h，汽轮机开始进汽，冲转至600 r/min，进汽量约15 t/h。
23：57，炉侧过热汽温392.76 ℃，再热汽温380.31 ℃，锅炉EF层4支油枪燃油9.59 t/h，汽轮机转速已到2 376 r/min，进汽量约43 t/h。此刻缸胀4.620 mm，高压胀差11.750 mm，汽缸与转子均因汽轮机的大量高温高压进汽而被加热膨胀。
次日00：08，炉侧主再热汽温仍在持续上升，过热汽温达396.40 ℃，再热汽温也达到384.87 ℃，主汽压5.37 MPa，锅炉燃油无变化，仍是EF层4支油枪燃油9.59 t/h，此时汽轮机在42.43 t/h蒸汽的作用下转速稳定在2 370 r/min。但此刻汽轮机金属在经历了十几分钟的延时之后，膨胀突然增大;00：09时缸胀4.874 mm，高压胀差达到12.152 mm，并且表现出了相当大的速率，有明显的抬头现象;00：09，撤出1支油枪，保留3支油枪，燃油控制在7.28 t/h。1 h之后过热汽温由396.40 ℃降到了375.52 ℃（温降明显），再热汽温由384.87 ℃降到了374.16 ℃，主汽压也由5.37 MPa降到了4.00 MPa。其间为控制胀差还采用了降低燃油压力的办法，将燃油减至7.00 t/h，加大了锅炉炉水的排补，以降低轴封供汽温度。
01：09，缸胀6.372 mm，高压胀差14.417 mm，胀差较大;01：10，继续撤出1支油枪，此时锅炉仅有2支油枪，燃油仅4.82 t/h。
01：55，在炉侧过热汽温降至341.26 ℃，再热汽温也降至338.34 ℃后，高压胀差在15.431 mm并趋于稳定。
由以上数据可得，汽轮机在大量蒸汽进入并冲转至2 370 r/min后，高压胀差有了明显的突增，随后在保持蒸汽通流量稳定的情况下，采用降低蒸汽温度的办法，使胀差的上升趋势得到了有效抑制。 4.3 蒸汽流量的影响
冲转升速过程中，蒸汽流量的突增是高压胀差产生明显抬头现象的主要原因。未冲转之前主汽流量为0 t/h，600 r/min时主汽流量约为15 t/h，2 370 r/min时主汽流量约为42 t/h，蒸汽流量的突增，使得蒸汽与汽缸及转子发生了强烈的珠状态凝结换热，汽缸与转子迅速被加热，但由于汽缸与转子自身的膨胀特性不同，转子膨胀要远远大于汽缸膨胀，于是高压胀差迅速增加。
从2 370 r/min到3 000 r/min的升速过程中，由于蒸汽流量变化小、时间短，胀差没能体现出变化。高压胀差再一次发生抬头增大现象是在发电机并网后的一段时间，主要原因仍然是蒸汽通流量的巨大变化。
4.4 主机润滑油温的影响
启动中汽轮机冲转前，主机润滑油温相对较低，且主机润滑油温波动不是很大，与低压轴封汽一样直接加热转子，相对于低压轴封汽源来说，主机润滑油并没有对转子起到加热作用，相反，主机润滑油起到带走转子与轴承产生的热量的作用，因此主机润滑油温并不是影响高压胀差的重要因素。
4.5 凝汽器真空及抽汽的影响
凝汽器真空的影响主要体现在对蒸汽流量的改变，从表1可以看出，相对于冲转、并网引起的蒸汽流量的改变，凝汽器真空的影响很小。启动冲转过程中，高加汽侧并没有投入，因此三段高压抽汽没有对高压胀差造成实质影响。
5 汽轮机胀差大分析总结及对策
5.1 启动分析总结
从送轴封抽真空到挂闸冲转至2 370 r/min、从3 000 r/min定速到发电机并网带上初负荷，都是汽轮机转子与汽缸被加热的过程。
从高压胀差数据（24 h）来看，胀差变化上总共有3个明显的拐点。
第一个拐点是轴封供汽投用时。轴封供汽从稳定投用到汽轮机冲转共历时6 h，这期间转子已被加热到一个稳定的水平，但汽缸由于质量过大，缸胀仍因汽缸被持续加热而不断地增大。
第二个拐点是在汽轮机冲转至2 370 r/min中速暖机时。由于汽轮机内蒸汽通流量明显增加，相对于低压轴封汽源来说，过热汽是高温高压蒸汽，过热蒸汽的突然到来，打破了转子之前的热平衡状态，由于这巨大而突然的热冲击，致使转子与汽缸迅速被加热，而由于二者自身的膨胀特性不一致，高压胀差表现出明显增大。
第三个拐点发生在发电机并网之后的一小段时间，带上初负荷的汽轮发电机组，蒸汽流量明显增大，对汽轮机转子與汽缸来说，需要建立新的热平衡。
整个过程中，无论是低参数的轴封供汽还是高参数的主再热汽，对汽轮机来说都是一个巨大的热源，对汽轮机的金属都是一个巨大的热冲击，这些热冲击都表现在汽缸与转子的膨胀上。在汽轮机启动的过程中，这些热冲击在汽轮机工作原理的限制下是无法避免的，但是由于热冲击带来的膨胀峰值却可以人为控制。最主要的影响因素是蒸汽流量和主再热蒸汽温度，汽轮机冲转后特别是在2 370 r/min中速暖机后低压轴封汽温对胀差的影响比较有限。
5.2 胀差大对策
汽轮机冷态启动是汽轮机金属被过热蒸汽剧烈加热的过程。特别是汽轮机进汽冲转的瞬间，汽缸与转子迅速被加热，但由于汽缸与转子自身的膨胀特性不同，产生胀差是必然的。针对启机过程中胀差的控制，经过以上分析，总结出如下几点行之有效的措施：
（1）控制主再热汽温稳定且不至于过高。从以上分析可得，除去测量装置故障、滑销卡涩等设备异常因素，从汽轮机被加热的源头来看，控制汽轮机的最大热源——汽轮机的动力源泉——主再热蒸汽，才是最有效的措施。理论上讲，转子与汽缸最终都会被加热到与其接触的蒸汽温度，在保证过热度的安全原则下，控制主再热汽温度，尽量缩小主再热汽与转子及汽缸的温差，转子与汽缸就会以最小的速率膨胀，不至于使胀差过度增大。控制主再热汽温的手段：1）改变油枪数量。2）调整炉前供油压力。3）互换流量大小不同的油枪。4）调整二次风配比，改变炉膛温度场。5）调节总风量。
（2）控制蒸汽流量。由以上分析可知，蒸汽流量的巨大变化是汽轮机高压胀差产生、迅速增大的主要原因。如果能够以最小的蒸汽流量产生同样的冲转效果，那么势必可以减少蒸汽对汽轮机金属的热冲击。控制蒸汽流量的手段：1）改变凝汽器真空。2）提高初参数压力。
（3）延长投轴封至冲转的时间。从以上分析可知，在投入轴封供汽至汽轮机冲转前，转子可以很快就达到一个热平衡状态，但汽缸却不行。也就是说，可以利用这段时间使得汽缸充分预热，让汽缸提前膨胀，高压胀差势必会减小。
（4）高压加热器不要随机启动，以避免增加影响胀差的因素而加大控制的难度与复杂性。
6 结语
由于汽轮机工作原理的限制，冲转、并网等突变工况给汽轮机带来的巨大热冲击无法消除，但仍可以想方设法来限制并缓解巨大热冲击造成的影响，毕竟汽轮机启动是一个相当长的加热过程，只要方法得当及时，高压胀差等影响汽轮机安全运行的重要参数都是可以控制在设计的安全范围之内的。
[参考文献]
[1] 彭博伟.汽轮机高压缸胀差偏大的故障分析[J].电力安全技术，2012，14（1）：54-56.
[2] 初明辉.如何控制汽轮机启停中胀差的变化[J].中国电力教育，2008（S3）：705-706.
[3] 鲁超，杨爱平.N200-12.7/535/535型汽轮机胀差变化规律与控制[J].江苏电机工程，2004，23（4）：22-24.
收稿日期：2021-04-16
作者简介：唐道朋（1979—），男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，研究方向：发电厂集控运行。