汽轮机快速启动的探讨

陆旭明

(南京汽轮电机(集团)有限责任公司，江苏南京 210037)

随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的提高，电网峰谷差越来越大，对电力系统的要求也相应提高。因此需制定出更为合理的汽轮机启动方案，在保证其安全的前提下，全面优化机组启动过程，缩短机组启动时间，降低消耗，以充分满足电网的运行要求。

汽轮机启动是一个剧烈的零部件加热过程，因此需考虑零部件的热变形、机组的振动等因素。根据这些因素设计汽轮机结构，并通过调整进汽参数和流量来优化启动过程。

汽轮机的启动过程，就是使各部分机件的温度提高到它们工作温度的过程。而提高温度，则是利用使汽轮机转动的蒸汽来进行的，现将可能影响汽轮机启动速度的主要因素列举如下：(1)静止部分及转动部分的不同膨胀;(2)汽缸的热挠曲;(3)转子的热膨胀;(4)轴承、联轴节及其他。

1 静止部分及转动部分的不同膨胀

汽轮机动叶片处于静止的喷嘴之间，而轴封的各个尖齿间，通常还有静止的环状突起。叶片围带处不大的轴向间隙，在很大程度上有利于汽轮机的经济性，叶片围带通常削尖，使得在碰触时不会产生任何危害;不过叶片本身和轴封的齿都要求有比较大的轴向间隙，以避免当转子相对于汽缸伸长或缩短时产生碰触。通常转子比汽缸热，因为它处于热介质的中部，转子在工作时，对汽缸而言，是有相对“膨胀”的。在冲动式汽轮机中，动叶片的出口边应具有较大的间隙。

设计汽轮机时，各种间隙要联系起来考虑，以避免由于不同的轴向膨胀而引起事故。进一步的预防方法可采用可靠的测量设备。该设备能在工作条件下，连续地显示出实际的胀差并加以记录。按一般惯例，在汽轮机汽缸水平分界面处开有特殊的纵向槽(如图1所示)，通进蒸汽后即可加速汽缸的加热和膨胀。这些沟槽只有在汽轮机加热时才使用，当这些沟槽在加热完成了自己的任务后，即使仅考虑经济性方面的原因，也应该停止再向其送汽。

图1 加热高压缸分界面法兰处的沟槽

在图2所示的汽轮机类型中，无论有无加热法兰的蒸汽，动静胀差都会在允许范围之内。

2 汽缸的热挠曲

图2 135MW3 000r/min双缸汽轮机的纵剖面图

汽缸水平分界面处法兰的外表面温度比其内表面低33℃，这一点在横切面上并无影响，因为法兰的“弯角”具有很大的膨胀自由性。如果在水平面内来分析该汽缸，那么就应该产生弯曲，随之产生挠曲，当径向间隙很大时，这种挠曲应是无关紧要的。但是，不均匀的加热、金属材料不均匀的分布以及汽缸形状的影响，可能会引起汽缸的挠曲。这种挠曲不一定会影响到汽缸的使用年限，但它会使不大的径向间隙暂时全部消失，并在轴封处引起碰触。如果这种碰触很严重，就可能使转子产生剧烈的局部加热。如果局部加热又不均匀，就会出现热挠度，并产生很大的振动，振动的结果可能使挠度成为永久性的。因此，在汽轮机运行初期(最初几次启动)应多加注意，当一出现振动现象时，即降低其速度，以避免事故。由于汽缸挠曲所引起的碰触，其特征就是在几次非常小心的启动过程中，碰触处逐渐地建立起了自己所固有的“工作”间隙，并且以后这种碰触不再出现。

汽缸的良好构造是避免其发生挠曲的主要手段。因此汽缸构造应做到简单并对称，汽缸壁厚度尽量小，并尽可能地使之均匀，与热介质的接触也尽可能均匀，汽缸前端形状简单和对称，可使之对不可避免的温差敏感性最小，并且支座和键的位置应恰当布置。

在汽轮机的冷却过程中，由于汽轮机基础内部空气的流动以及机壳与热蒸汽管道的布置，在汽缸上部及下部之间，可能形成高达56℃的温差，这也是汽缸产生挠曲的一个重要因素。

充分注意到上述各个因素，汽缸金属材料又很好，并且在仔细小心地操作机器的条件下，轴封中较小的间隙是可以允许的。这样不仅兼顾了启动速度，也可提高机组运行的经济性。

3 转子的热膨胀

假设在最初几次启动过程中，汽轮机操作很正确：留有了间隙，导向滑键正常，局部应力一定，冷却情况也予以正确检查等等。在随后的汽轮机高速度启动下，也没有任何警报信号，汽缸即可转入正常的运行。

而对于转子来说，情况就完全不同了。只要转子有任何不正常处，那么它们就有可能在某次启动过程中暴露出来。

由于这些不正常，转子就会产生振动。这种振动可能成为转子弯曲及其他一些严重破损的原因。现在借助图3来讨论与转子有关的一些问题。图3展示了一典型的高压转子，其重约4～6t，在初温约482℃下工作。图3中的A部分指出，如果转子弯曲时，其重心从回转轴线位置移动了0．100mm，那么在3 000r/min下所产生的离心力将等于转子本身的重力。图3的曲线表示，在与转子重力相等的离心力作用下，重心位移与转速的关系。从图3中的B部分可知，如果转子轴径为380mm，两个轴承中心之间的跨度为2 840mm，而其“上部”温度比“下部”高出1．7℃(见图3中 B部分的示意图)，则转子的弯曲将使其重心移动约0．025mm。

图3 汽轮机转子、温度梯度、径向位移及与之相应的离心力

转子尺寸的精度、轴承的稳定性以及温度的均匀分布，是转子工作的重要条件，其中某些品质可以在转子加工时加以保证，但是温度分布则与汽轮机工作情况有关。当汽轮机中没有蒸汽时，静止转子中的温度分布与汽轮机其他各部分的冷却情况有关。

这时，汽缸的上部通常比下部要热些，因此转子的上部也比下部要热些，转子也就不可避免地向上弯曲。有时转子的弯曲方向会相反。总之静止支撑在热汽缸中的转子是弯曲着的。

近些年来，一直使用电子仪器“偏心监测”来观察转子的动作情况，依靠这一仪器，已经收集了许多有价值的资料。通常“偏心监测”安装在功率较大的汽轮机上，而其他功率在2万kW以下的汽轮机，大多数会在离轴承不远的某一比较方便的地方安装有主轴挠度的表盘指示器，这种安装在轴承箱上的指示器，可以观察到静止转子或在低速下旋转转子的挠度变化情况。

在转子达到额定转速之前就消除其挠度是特别重要的。不遵守这条规程，就会造成由于主轴挠度而引起的多次停车，在没有盘车设备的汽轮机中更是如此。

挠度的大小视汽缸中温度梯度以及转子静止不动的时间长短而定。温度梯度与温度高低有一定关系。由此可知，转子的静挠度在停车后很快即达到最大值，然后随着总的温度下降而减小，这就说明了为什么在暂短的停车之后很难启动。而在较长的停车之后反而容易。每个汽轮机要求有其自己独特的处理方法，但下面这一条则是一般通用的：如果想尽快启动，就应该在停机期间，避免转子不均匀的冷却。

表盘指示器可以指出低转速下转子的状态，而在高转速下，由于指针的振动，即指针在表盘上快速摆动而无法辩读数值。即使如此，至少在600r/min以前，指示器一直是有效的。图4所示为许多指示器中的一种，其在汽轮机中总的位置可以参见图1。

到目前为止，在分析启动问题时，只研究汽缸、转子等，至于润滑、真空度以及疏水等方面的问题，本文并没有提及，但对它们都应给予应有的注意。

在某种情况下，“偏心监测”也证实了这一点，即虽然主轴最初回转得很平稳，而当增加转速及提高温度后，却发生了振动。随着转速的提高，振动更加剧烈。当然可以用转子的原始不平衡来解释。没有完全平衡了的转子，在额定转速及带负荷下也会振动加剧。在转子中一定还有其他一些暂时性的、引起振动的因素，这些因素当加负荷运行时即自行消失。现有的“偏心监测”只是指示出主轴是偏心回转，还没有一种仪器能确定主轴为什么弯曲或是怎样弯曲。而大量的试验、记录结果及运行实践可以说明：提升转速时，在多种情况下，暂时性的挠度是热挠度。

图4 装在轴承箱上用以指示转子偏心度的指示器

经过多次试验，确定了当轴套及主轴间的温差足以使轴套的过盈消失时，就可能在主轴上产生显著的温度梯度，因为在这种情况下，轴套与主轴将只沿着一条线彼此接触，该条线上的热传导将为最大。而试验还未能说明温差不足以使过盈消失时所产生的温度梯度。不过，可以认为，主轴及轴套间的接触如果很不均匀，以致在过盈消失之前，就已经产生了很大的温度梯度。

启动过程中，主轴有弯曲趋势的原因，可能是经过轴套处的热流不均匀所致。因为热弯曲按温度差的大小而定，所以控制这一温度差，并将其限制在允许范围之内，就可以把提升转速的速度加快到司机的能力和注意力所及范围。在如今的汽轮机结构中，如整锻主轴，不再采用轴封轴套(图5)，因此由于这些轴套而产生的暂时挠度也就不再出现。不过，最好还是把蒸汽及金属间的温度差保持在一定限度之内，以保证启动的平稳。

图5 不用轴套的前轴封的汽轮机

如果汽轮机对温度差并不敏感，就可以把加热速度作为启动的指标，对所要求的加热速度可以通过调节蒸汽流量及温度差的办法得以实现。当汽轮机从冷态下启动时，除非确信所有热膨胀都很正常，司机才可把汽轮机转速提高到工作转速。因此，蒸汽流量应该受到限制，而较大的温度梯度却是有利的，因为它增加了加热速度。当汽轮机从热态下启动时，这时汽轮机已经部分地膨胀，因而在汽轮机升速及带负荷阶段中，可缩短其加热时间。此时，可以允许较大的蒸汽流量，采用温差较小而蒸汽流量较大的加热方式，可使整个汽轮机均匀加热。

当汽轮机由蒸汽母管启动而不是单元制启动时，是否能将温度差保持在规定范围内，就要根据蒸汽管道内及汽轮机内的相对蒸汽流量，以及在这些流量下管道、汽轮机的相对加热速度和所允许的温度差而定。

如果蒸汽的进汽温度可以调节，即在具有良好控制过热温度的单元制电厂中，就很容易把温度控制在既定的范围内，并保证平稳及高速启动。

由于轴封轴套或其他原因产生的横向温度梯度而引起的暂时性挠度，与许多特定的条件有关，因此对每一个汽轮机，应具体加以研究。

4 轴承、联轴节及其他

主轴在轴承中回转时所占据的位置与润滑油的粘度及主轴的重力有关。假如有一个不平衡力，就会引起一个数值及方向在回转时都改变的合力。在此作用力的影响下，主轴轴颈的中心在轴承中将按一椭圆而运动。汽轮机及发电机轴承的正常间隙为0．25～0．38mm。为了保证稳定回转，此间隙通常认为是大了些。因此，轴承衬套应该设计成具有不大的间隙，并且应尽量消除干扰力。

挠性联轴节很可能是这种回转干扰力的来源之一。如果挠性联轴节中有偏心，则两个联轴节半体及两个主轴间将出现一角度，这就成为振动的原因。当扭矩逐次增加时，会将轴心线拉直。因此，通常在低负荷时振动较为显著。此种类型振动的特点就在于：主轴某一端运动的轨迹被其最靠近的轴承所限制，而在另一轴承处，此振动企图以相反的相位出现。这种振动不是很严重，因为主轴的质量中心对振动轴线的偏差不大。

但是也有另一种现象，当突然甩去负荷而后再次增加负荷时，这种振动随即消除，可以认为这种联轴器的中心还有进一步对准的可能性。

由于快速启动的重要性，以及为了满足平衡运行而提出的各项更高要求，目前用刚性联轴器代替挠性联轴器来连接主轴已成为一种趋势。

5 结束语

在以上所述的基础上可得结论如下：汽缸的热变形以及由于热方面的原因而引起的转子振动，通常就可能成为限制启动速度的两个因素。

有理由这样假设，当汽轮机达到自己的工作温度工况以后，即将平稳地工作。因此，只要控制加热速度，汽轮机可以在安全条件所允许的情况下启动，又快又平稳。加热速度可以靠限制蒸汽流量及温度差来调节。

允许的加热速度视汽轮机构造而定。从经济性的要求考虑，应使这一速度尽量高，只要能操纵汽轮机，使之在极为良好的情况下工作即可。

在大多数情况下，汽轮机低压转子均制成挠性的，启动时，只有经过转子临界转速时的那一瞬间，才须加以注意。通常，转子的平衡情况很好，以至于汽轮机在接近于临界转速时振动也不明显。

至于高压转子，可能破坏平衡的外力因素较多，因此在提升转速的时候，最好在稍低于临界转速时停止继续增加转速，检查转子的挠度并证明转子是直的，当快速增加温度没有危险时，可以很快地通过临界转速。应该避免在临界转速附近发生挠度增加的现象，应避免在高于临界转速时，挠度增加。在后一种情况下，企图用降低转速的方法来消除振动，将会导致事故的发生。采用挠性轴的优点很多，但启动速度慢的缺点却是不可避免的。

总而言之，启动过程是一个加热过程，而转子的振动则是启动的主要准绳。与此相关的许多工作因素是随着不同的汽轮机而改变的，它们的影响可能是彼此相加，也可能互相抵消。因此，对一个新机器，在还没有确定其加热速度之前，应予以很好的关注。经过一个时期的适应之后，就容易操纵了，并且最好以固定的人员来操作它。当提高汽轮机平稳工作的一切措施都已做到(如结构问题，审慎地加工制造以及在良好基础上精确地安装等)，重点就在于积累该机器的运行经验了。为了使汽轮机能很好地工作，没有任何东西可以代替这些经验。

［1］ 陆颂元．汽轮发电机组振动［M］．北京：中国电力出版社，2000．

［2］ 西安电力学校．大功率汽轮机设备及运行［M］．北京：电力工业出版社，1980．

［3］ 胡念苏．汽轮机设备及其系统［M］．北京：中国电力出版社，2003．

［4］ 纪昌宏，丁立波，李文霞．汽轮机及汽轮机装置［M］．北京：化学工业出版社，2012．