热电厂汽轮机的热膨胀及其控制方法研究

1、热电厂汽轮机的热膨胀及其控制方法研究 摘 要：当今时代背景下，能源紧张和可持续发展已成为亟需解决的问题，我国电能供应的主要来源还以火力发电为主，发电厂的主要核心部分汽轮机的重要性不言而喻。保证电力的可靠、高效、安全供应，已成为发电人员，特别是运行、检修人员工作的重要职责所在。文章针对汽轮机运行中常见的汽轮机热膨胀问题从不同角度进行了原因分析，并探究了其控制的方法，为相关人员提供解决此类问题提供参考和帮助。 关键词：热电厂；汽轮机；热膨胀；控制 引言 汽轮机是热电厂发电过程中能量转换的重要部分，其能否正常运行，关键是看能否启动好汽轮机，然而在启动时汽轮机很容易因热膨胀而致使启动失败，从而不能或延

2、迟正常发电。汽轮机在启动、负荷变化和停机过程中，各级前后的温度和蒸汽压力将发生变化，其通流部分、汽缸和转子的金属温度相应变化。热胀冷缩是一切物体的共性，在零件金属被加热时，产生膨胀；被冷却时，零件收缩。当零件内温度不均，且不对称时，零件将产生变形；如果膨胀或收缩受阻，零件内部将产生热应力。所以汽轮机这样运行复杂的动力机械在运行中会出现热膨胀，不仅给发电带来困扰，更有甚者会出现安全事故，因此有必要分析出可能产生热膨胀的各种原因，以找出解决问题的方法。 1 汽轮机的热膨胀 1.1 汽轮机的热膨胀分析 汽轮机是一种安装过程在室温下进行，工作过程则在高温条件下进行的动力机械。在启动时会因温度快速升高而

3、膨胀；备用和停机时，因温度所降低而收缩。汽轮机及其主要的部件，必须能自由收缩和膨胀。例如公司汽轮机在室温条件下启动，至额定负荷，其膨胀量可达到36mm（计算值）。 1.2 机组膨胀不合适则会发生振动的危险工况 影响振动的原因一般有以下两点： （1）由于机组在运行中中心不正而引起振动。（2）由于转子质量不平衡而引起振动。 在机组启动初期，机组的膨胀是造成振动增大的主要原因之一。动静摩擦、转子热弯曲和膨胀不畅等都将使振动加大。前者发生故障一般在转动部件，而后者发生故障则一般在静止部件。 在膨胀不畅发生以后，振动先是呈一段上升的阶段。当上升到一定的程度后，机组的膨胀和温度逐渐呈稳定状态，但已经形成的

4、膨胀不畅无法消除，此时振动稳定在较大值处。之后阶段的振动变化趋势可能有两种，如图1所示：（1）是振动始终维持在较大值处，不能恢复到初始的状态如图（a）中所示；（2）是振动值逐渐可以回落，直到恢复到初始状态如图（b）中所示。第1种是因为膨胀受阻部位没有疏通，或有导致缸体变形其它的因素；第2种状况因通过运行可以使膨胀受阻得到逐渐的疏通。 2 汽缸与转子的绝对膨胀 2.1 绝对膨胀产生的原因及其计算方法 汽缸以及转子的热膨胀，不仅与金属材料的线膨胀系数和汽长度尺寸有关，还取决于各段金属温度的变化值及通流部分的热力过程，一般常用下列方法进行近似计算。 首先根据零件的结构特点沿轴向分成若干区段，用下式计

5、算各区段沿轴线的绝对膨胀值； 式中li-零部件第i段的绝对膨胀；i（t）-按第i段平均温度查得材料的线膨胀系数，毫米/毫米；tavi-第i段平均温度，；t0-冷态温度，通常t0=20；yi-第i段轴向长度，毫米。 求出汽缸和转子的绝对膨胀值后，整个汽缸或转子的绝对膨胀值等于各区段膨胀之和。 2.2 控制绝对膨胀的措施 因汽轮机的轴向长度比径向宽度大很多，所以汽缸和转子的绝对膨胀值也非常大。因此机组在运行中一定要对汽轮机绝对膨胀进行实时监控。又因汽轮机轴向温度分布状况呈现一定的规律性，所以可以找出汽缸上各个位置的热膨胀值和与之相对应点温度的关系。在机组运行过程中，只需把监视点的温度控制在适当的范

6、围内；即可保证汽缸的膨胀量在机组启动、正常运行和停机时符合相应的要求。 3 汽缸与转子的相对膨胀差 3.1 相对胀差产生的原因 汽轮机启停过程中，由于汽缸和转子的材料结构尺寸及受热条件不同，即使在相同的蒸汽参数下两者之间也存在明显的温差。现以启动加热过程为例分析汽缸和转子沿轴向某区段的温差大小。 经过热平衡计算，转子和汽缸在某一区段的温差可用下式计算： 式中tr、tc-分别为该区段内转子和汽缸的平均温度，；mr、mc-分别为该区段内转子和汽缸的质量，kg；r、c-分别为该区段内蒸汽对转子汽缸的放热系数，kj/（m2kmin）；arac-分别为该区段内转子汽缸的受热面积，m2；c-分别为该区段内

7、转子、汽缸的平均比热，kj/kg；bs-该区段内蒸汽的温升速度，/min。 由于上述特点，在启动和升负荷过程中，加热了机组的汽缸和转子，相对应段转子的金属温升速度比汽缸的金属温升速度快，平均温度高于汽缸对应段的平均温度，因此相应的膨胀量较大，转子的相对胀差为正值；在停机和降低负荷过程中，各级的蒸汽温度下降，冷却了汽缸和转子，转子的金属温度降低也较快，使转子的相对胀差减小，甚至出现负胀差。 3.2 影响转子相对胀差的因素 所有影响气缸和转子加热和冷却过程的因素，均会对转子的相对胀差产生影响。 （1）通流部分各级蒸汽温度的变化速度；（2）轴封供汽温度；（3）汽缸法兰内、外壁温差；（4）汽缸夹层的蒸

8、汽温度；（5）摩擦鼓风损失；（7）转子的回转效应。 汽缸和转子之间的膨胀差，是上述各因素综合影响的结果，其中任意一个因素变化，都会对转子相对胀差产生影响。 3.3 相对胀差的控制方法 在运行过程中，可以通过控制蒸汽及再热蒸汽的温升速度，加上控制升负荷速度，来实现转子胀差的控制。同时避免汽缸排气温度过高，轴封供气温度偏低，而出现过大的负胀差。但轴封供气温度和气缸排气温度只影响转子和气缸的局部膨胀量。 4 汽轮机启动阶段胀差控制要点 汽轮机的冷态启动指的是其在室温静止状态，慢慢被加热到高温高压的状态时，在汽轮机组内部动静间隙非常小的情况下进行自由的膨胀。所以要想正常完成机组的启停，在认识到金属膨胀

9、的危险性和重要性的基础上，必须按照标注严格控制金属的温升速率，保证大轴、汽缸和各部金属可以自由膨胀。 4.1 启动时主参数的选择 采用一种新蒸汽来启动机组，这种方法既不会使机组各部分金属产生较大应力，又能使其各部分均匀的加热。 通常情况下，汽压参数可以选择的范围较大，具体用多少需要综合机炉两方面系统能力来考虑。首先汽压和汽温应保证能互相匹配，控制机组运行如能得到合适的汽温（与汽缸相比），便可得到与之匹配的汽压。公司汽轮机启动时，给定了机组启动曲线，理论上通过此曲线选择不同参数即可启动机组，但通过现场实践发现，启动汽轮机组时，进入机组的新蒸汽温度必须高于汽缸的温度，且达到56的过热度，并在这中间

10、需考虑到蒸汽节流之后的温度下降量，才可正常启动机组。 通过实践发现：（1）在机组启动时，逐渐的加热汽缸，可以有效避免机组启动时新蒸汽进入汽轮机后带来负胀差的弊端。启动时应避免使汽缸冷却，如出现冷却现象，原因是新蒸汽的温度选择偏低，此时应迅速提高蒸汽温度，从而使金属膨胀；否则此时机组极易出现故障，使机组无法正常启动。 （2）机组启动后，应该联系锅炉巡检人员，便于监控制锅炉燃烧状态，保证初参数呈相对稳定状态。初参数忽高忽低将直接影响到机组的温升、转速，甚至导致轴瓦振动加剧。在启动时，间隙最小位置在轴封处，汽温对它的影响最为敏感，且随主汽温变化而变化，此时机组的胀差会随之发生改变。汽轮机大轴在加速过

11、程时，受力很大，工况非常不稳定，因此在机组启动过程中必须控制汽压、汽温保持稳定否则容易发生状况导致机组无法正常启动。 4.2 低速暖机 用全周进汽的方式冲转来启动汽轮机组，可使汽缸均匀受热膨胀均匀。在启动瞬间为克服转子所受的较大的阻力，冲转时可以加大一点加速度，之后再按原来的规律控制加速度。大轴转动起来时，汽轮机处于一种动态变化的状态，因此时大量的新蒸汽涌入汽轮机使其被加热、膨胀作功，又因转子受热面积大于汽缸受热面积（约3/4），转子膨胀值大于汽缸膨胀值，所以高中压缸的胀差有正值增大趋势。反之，在热态启动中，进入汽轮机内的汽温低、蒸汽少时，会使汽轮机呈负胀差，为解决此类问题，此时须增大进汽量，

12、来提高汽温。 汽轮机冲转到每分钟600转时，汽轮机进汽必须停止下来，以便全面执行机组的检查。究其原因有： （1）转速高于每分钟600转时，难以控制转速；转速低于每分钟600转时，较难形成轴承的油膜。（2）汽轮机启动时在气缸和转子留有残余应力，停机一段时间相当于进行了一段时间的时效处理，可以消除一定的金属残余应力。（3）整体的汽轮机金属膨胀呈稳定状态，高中压缸的正胀差可以消除一点儿。（4）对调速系统和动静部分的运转情况进行全面检查，为下一步机组的启动做好准备工作。 应该给机组在低负荷运行下留足够的暖机时间，因之后机组要处于长时间的稳定运行状态，需要将所有部件的金属膨胀开，此时可以在适当的蒸汽流量

13、下让机组进行一段时间的暖机。以便使金属进一步的膨胀，消除汽缸内外缸壁的温差。 4.3 升速阶段 汽轮机启动的必要条件是升速的平稳性，避免升速不稳定，如升速高低变换，会导致大轴不稳，使其和蒸汽吹动叶片的振频重合，产生共振现象，导致启机失败。伴随汽轮机进汽量增大，加大了锅炉的蒸发量，此时需增加锅炉燃料来迎合初参数的变化，而使初参数呈上升的趋势。在此机组启动的关键时刻，如忽略此情况，会导致汽轮机组胀差正值过大，造成机组启动失败。此时应控制汽压和汽温的稳定性，才能使机组正常启动。 4.4 总结 总而言之，机组启动的关键在于控制金属膨胀，而非控制汽轮机负荷和转速。汽轮机的启动过程中，温度一直在发生变化，控制好以上要点，注意其它细节，才能使汽轮机组的金属部位合理的膨胀，高低压缸的差胀便会被控制在合理的范围，从而保证汽轮机稳定安