汽轮机差胀及机组噪声过大原因分析与改进

摘要： 从相对膨胀产生的理论出发， 针对焦作韩电发电有限公司1 号机的实际情况， 分启动和运行2 个过程， 对汽轮机相对膨胀值大的原因进行了分析， 并介绍了所采取的相应控制措施或注意事项， 以及在实际生产中起到的作用作出了举例证明。

　　1 前言

　　我公司1 号汽轮机型号是C C50-8.83/4。22/1。57， 系哈尔宾汽轮机厂生产的双缸、单轴、双抽汽凝汽式汽轮机， 进汽温度535℃， 额定进汽量为224t， 中压额定抽汽量为30吨， 最大抽汽量为60吨。低压抽汽量为50吨，最大抽汽量为50吨。该机组投运后， 相对膨胀值及机组转动产生的噪声明显偏大， 特别是在启动过程中， 相对膨胀值超过规定值， 影响开机升速和升负荷时间， 是制约顺利开机的主要因素。投运初期， 开机时间在10h以上， 开机时间明显偏长。

　　2 控制相对膨胀的重要性

　　金属物件在受热后， 向各个方向膨胀， 高温高压汽轮机从冷态启动到带额定负荷运行， 金属温度的变化很大 400～ 500℃ 。因此， 汽缸及汽轮机各部件的轴向、垂直、水平各个方向的尺寸都会因受热明显增大。汽轮机各部件膨胀量不同， 使得各部件的相对位置发生变化， 其变化量超过汽轮机动静部分的允许间隙后， 动静部件将会发生磨擦， 导致汽轮机损坏， 甚至报废等严重后果。为了控制汽轮机的动静部分不摩擦， 汽缸的轴向膨胀和汽缸与转子的相对膨胀就成为开机过程中重要的控制指标。汽轮机在启动暖机过程， 转子以推力轴承 机头，1号瓦处为死点向后膨胀， 汽缸以后轴承座中点2 号瓦处为死点向前膨胀， 二者的膨胀差值即为相对膨胀 习惯称为胀差 。当转子膨胀值大于汽缸膨胀值时， 相对膨胀为正值， 该值过大时可造成动叶片出口处与下级喷嘴摩擦。当转子膨胀值小于汽缸膨胀值时， 相对膨胀为负值， 该值过大时可造成动叶片进口处与喷嘴摩擦。因此， 汽轮机的相对膨胀值的控制相当重要。1号汽轮机的相对膨胀测量装置安装在2 号瓦附近， 即汽缸死点处。

　　3 1 号汽轮机的相对膨胀大的原因

　　3. 1理论分析

　　金属受热膨胀值有如下关系：

　　ΔL=Lσ（ti-t0） （1）

　　式中 ΔL 为金属的绝对膨胀值;

　　L 为金属的长度;

　　σ为该金属的线膨胀系数;

　　ti 为金属材料的平均温度;

　　to 为冷态温度， 通常取 20℃。

　　由式 1 可以看出汽缸与转子热膨胀的差值相对膨胀 取决于：

　　a. 由于转子与汽缸金属材料的不同， 其线胀系数σ的不同， 其在设计制造已确定， 这里不予讨论。

　　b.由于热力过程的影响， 转子与汽缸的平均温度的不同。

　　此外， 机组热膨胀值还受非热力过程的影响。如转子转动时受泊松效应影响膨胀值会变小， 但3000 r min 后影响较小， 而汽缸受到滑销系统和抽汽管道能否自由膨胀的影响是比较大的。

　　3. 2 运行中相对膨胀值大原因分析及控制措施机组在稳定工况运行时， 各区段的温度分布是有规律的， 且转子和汽缸的金属温度接近同级的蒸汽温度， 理论上相对膨胀值应接近于0。而1 号汽轮机在30 MW ， 抽汽90， t h 真空93 kPa的稳定工况长期运行时， 相对膨胀值仍为2.15 mm其原因分析如下：

　　3. 2. 1汽缸的平均温度低于转子的平均温度， 其影响主要有2 方面：

　　1 保温不良。

　　2 环境影响： 由于空气对流等引起汽轮机外缸产生温差， 从而降低了汽缸的平均温度。

3. 2. 2由于转子与汽缸的金属材料的不同， 转子的线胀系数大于汽缸的线胀系数， 线胀系数在汽轮机的设计、制造过程中已确定， 故不予讨论。

　　3. 2. 3滑销系统的影响。当机组的滑销系统受阻时， 汽缸的热膨胀值变化有跳跃式变化或汽缸的膨胀值存在变小的现象。在大修时对滑销系统进行了检查清理， 热膨胀值变小的现象有所好转， 但仍须在开机过程中对汽缸的热膨胀进行监视， 监测有无跳跃式的变化， 以便停机检修时进行处理。

　　3. 2. 4汽轮机启动过程中， 各抽汽管道能否自由膨胀， 其抽汽管道膨胀的热应力会影响汽缸热自身膨胀的变化。

　　以上对汽缸膨胀有影响的因素， 有待于大修时予以确证和排除， 以降低运行中相对膨胀值。

　　3. 3启动阶段相对膨胀值偏大的原因分析及控制

　　1 号机汽缸和转子可以看成是由很多段组成的， 每段的膨胀差值可由其长度和该段平均温差求出， 而该段末端的相对膨胀值为固定点 推力轴承处 至该处中间各段膨胀差值的代数和。因此， 汽轮机各段的胀差对机组整个相对膨胀各有其影响。

　　3. 3. 1主汽参数及金属温升率的影响

　　汽轮机启停过程中， 由于汽缸和转子材料、结构尺寸以及受热条件的不同， 即使是在相同的蒸汽参数下， 两者之间也明显存在温差。

　　从传热的角度分析：

　　在金属温度已上升到该段蒸汽相应压力的饱和温度后， 即蒸汽不会发生凝结放热后， 蒸汽对金属的单位时间的放热量Q1 为：

　　Q1= （t蒸汽-t金属） αA金属 （2 ）

　　式中t蒸汽为该段蒸汽的平均温度;

　　t金属为金属的平均温度;

　　α为放热系数;

　　A金属为金属的受热面积。

　　金属的单位时间的吸热量Q2 为：

　　Q2 = m金属cb金属 （3）

　　式中m金属为金属的质量; c 为金属的比热; b金属为金属的温升速度。

　　如果不计散热损失， 由Q1 = Q2 ， 整理公式 （2 ），（3）得：

　　b金属=（ t蒸汽- t金属） αA金属/（m金属c ） （4）

　　A金属/m金属称为质面比。

　　当机组启动升速或加负荷暖机前， 转子和汽缸与蒸汽的温差 （t蒸汽- t金属 ）可以视为相等， 但在升速或加负荷暖机过程中， 由于放热系数α和质面比A金属m金属的不同， 转子与汽缸就会产生温差。汽缸的质量大， 接触蒸汽面积小; 转子质量小， 接触蒸汽的面积大， 另外， 转子转动时蒸汽对转子的放热系数比汽缸的要大， 所以转子温度变化快， 转子更接近于蒸汽温度， 因此， 在汽轮机启停和工况变化时， 转子随蒸汽温度的变化膨胀或收缩更为迅速。在每个暖机阶段， 转子温度逐渐升到比较接近周围蒸汽的温度之后， 温升率明显下降， 而汽缸则仍以接近于原来的温升率升高温度。因此经过一段时间后，汽缸与转子的温差缩小， 这样就可以升速或升负荷到下一暖机阶段。

　　在滑参数启动过程中， 对主汽参数的控制和金属的温升率的控制是防止汽轮机的正胀差值过大的主要手段。要防止蒸汽参数过高， 蒸汽参数过高会引起进汽量少， 暖机不均匀， 使转子加热过快， 汽缸加热相对过慢， 汽缸和转子的温差加大， 使得相对膨胀正值增加过快。

　　如在 2007年1号机开机， 主汽温度320℃， 压力2.7 MPa 时冲转。主汽温度365℃， 压力3.2 MPa 时并网， 相对膨胀增大至3.0 mm。锅炉蒸汽温度降至350℃时， 相对膨胀回落0.2 mm。

　　3. 3. 2控制轴封供汽对胀差的影响

　　高压汽轮机从调节汽室沿前轴封漏出的蒸汽，故前轴封段的转子温度较高， 且在汽轮机轴封处由于蒸汽流速高蒸汽的放热系数也大。再者， 高温高压汽轮机汽封段转子长度较大， 如果有效地降低轴封供汽温度， 对轴封段的正胀差减小是有利的。

　　轴封供汽有2 种来源： 厂用汽 压力0.89 MPa温度约280℃ 和高除汽平衡汽 压力约为0.5 MPa温度约158℃ 。运行中7 号机一般采用厂用汽作为轴封供汽的热源。在启动过程中， 转子轴封段温升率较快， 膨胀大， 应尽可能采用高除汽平衡汽源， 以低温蒸汽降低转子温升率。

　　在1 号机开机中， 尽快将高除压力升至正常， 将轴封汽源由厂用汽 280℃ 倒为汽平衡

　　158℃ 汽源， 对胀差的控制起到了较好的效果。

3. 3. 3汽缸、法兰螺栓加热装置投运对相对膨胀的影响

　　汽轮机在启动过程中， 使用汽缸法兰和螺栓加热装置可以提高汽缸、法兰和螺栓的温度， 有效地减少汽缸内外壁、法兰内外、汽缸与法兰、法兰与螺栓的温差， 提高汽缸的平均温度， 加速汽缸的膨胀。法兰加热装置的正确使用， 对高压汽轮机启动控制相对膨胀值有较明显的作用。

　　值得注意的是， 如果启动时加热过度， 汽轮机中间几级的轴向间隙小于允许的范围， 而相对膨胀表的指示仍然可能在正常范围内， 对机组的安全构成威胁， 所以法兰螺栓加热装置的投入时间和温度的控制是相当重要的。只有在时间合适和温度恰当

　　的情况下， 法兰螺栓加热装置才能起到控制相对膨胀的作用。

　　在1 号机开机中，7 号机冲转后， 胀差在0 mm 以上， 立即投法兰加热装置， 汽源温度260℃，

　　此时新蒸汽温度320℃。并网后倒为新蒸汽， 温度350℃， 法兰温度为170℃， 调节级温度为225℃， 相对膨胀值下降至0.19 mm ， 汽缸法兰平均温升由原来的0.41 ℃/ min升至0.744 ℃/ min。

　　3. 3. 4凝汽器真空对控制相对膨胀的影响

　　在汽轮机启动过程中， 当机组维持一定转速或负荷时， 改变凝汽器真空可以在一定范围内调整胀差。当真空降低时欲保持机组转速或负荷不变， 必须增加进汽量， 使高压转子温升率加快， 其高压缸正胀差随之增大。由于进汽量的增加， 中、低压部分摩擦鼓风的热量被蒸汽带走， 因而转子被加热的程度减少， 正胀差减小。另外， 真空降低， 排汽缸温度的上升， 也会使中低压缸加快膨胀， 减少胀差。

　　在开机中， 真空控制在80～ 85 kPa， 排汽温度为100℃以内， 相对膨胀值有明显的回落。

　　3. 3. 5加热器和抽汽投入的影响

　　由于转子、汽缸与蒸汽的热交换以对流换热的形式进行， 当机组启动达到一定负荷后， 转子的温度已接近该段蒸汽温度， 转子的温升较慢， 而汽缸受质面比的影响， 尚未达到工作温度， 膨胀不完全，此时投入高加和抽汽， 增加高、中压缸的蒸汽流量，由于流量、流速的变化， 对汽缸的放热系数 增大，α在同样的蒸汽与汽缸金属温度差下， 汽缸的加热程度增加， 温升率上升， 汽缸的温升率比转子快， 从而汽缸热膨胀加快， 相对膨胀值减小。

　　3. 3. 6疏放水对暖机的影响

　　充分的疏放水可以提高下汽缸的温度， 降低上下缸的温差， 也就提高了汽缸整体的平均温度。

　　各抽汽管道的充分疏放水， 提高了各抽汽口的温度， 相应提高了汽缸的整体平均温度。再者， 能使各抽汽管道充分膨胀， 减少了抽汽管道阻碍汽缸热膨胀现象的发生。

　　4 结论

　　4. 1 1 号机在运行中相对膨胀值偏大， 应在停机检修时确证并排除;

　　4. 2开机启动过程中应采取多个措施的配合使用。历次开机证明了能够控制好相对膨胀值不超过+4 mm ， 且开机时间大大缩短， 采取以上措施后，开机时间由原来的10h 缩短到现在的5h～ 6h ， 其效益是可观的。