汽轮机组启动过程中胀差的控制

王雷

摘 要：本文从胀差产生的原理，差胀的重要性，影响差胀的因素及如何控制等方面进行了详细的分析，对汽轮机在启动、停运及正常运行时如何控制胀差有一定的指导作用。

关键词：胀差；膨胀死点；泊桑效应

一、胀差的认识

大功率汽轮机组由于长度增加，机组膨胀死点多，汽缸多采用双层缸、分流缸等结构。在启停过程中，转子与汽缸因材质、形状、结构以及与蒸汽的接触面积等不同，使得金属与蒸汽进行的热交换条件不同，从而造造成汽缸与转子在轴向的膨胀程度不一致，即出现相对膨胀，相对膨胀通常也俗称为胀差。

胀差是机组启停与甩负荷等过程中需要重点关注的一项重要指标，胀差的大小反应了汽轮机轴向动静间隙的变化情况。胀差过大或过小，均有造成汽缸与转子的动静部分发生碰磨的可能性，会给机组安全运行造成很大的影响，严重时可能会造成设备毁坏。因此胀差值做了热工保护，若胀差超限，则热工保护动作使机组紧急停机，可避免发生事故，损坏设备。

二、胀差的分类

胀差分为正胀差与负胀差。一般规定转子膨胀大于汽缸膨胀时为正胀差，表明动叶与静叶入口的间隙减小，通常这一间隙设计得较大。当进入汽轮机的蒸汽温度明显升高或汽轮机暖机时，转子和汽缸同时受热膨胀，转子由于质量相对汽缸要小，受热后膨胀要快，在轴向上膨胀量要大于汽缸的膨胀量，表现为正胀差。汽缸膨胀大于转子膨胀时为负胀差，说明静叶与动叶入口间隙减小。当进入汽轮机的蒸汽温度明显降低或汽轮机滑参数停机时，转子和汽缸同时受冷收缩，转子由于质量相对汽缸要小，受冷后收缩要快，在轴向上收缩量要大于汽缸的收缩量，表现为负胀差。

三、胀差产生的原因

胀差产生的原因大致可分为以下几点：

（1）转子和汽缸的制造材料不同，金属热膨胀系数不同。

（2）转子与汽缸质量不同，转子与蒸汽接触面积大，汽缸大与蒸汽接触面积小；转子质量轻、表面积大，质面比较小，汽缸质量大、表面积小，则质面比较大。

（3）转子转动时蒸汽对转子表面的放热系数高于对汽缸表面的放热系数，因此温升速率不一致。

四、胀差的影响因素及控制方法

（一）机组启动状态

汽轮发电机组启动状态对胀差的影响非常大，不同的状态对应着不同的金属温度，对冲转蒸汽参数的要求也不同，对胀差的影响也不尽相同。火力发电厂习惯于将启动工况仅按启动前汽轮机金属温度的高低分为热态和冷态。对无中心孔的高中压转子，金属温度大于204℃为热态，金属温度小于204℃为冷态。

（二）轴封供汽温度和供汽时间的影响

冷态启动时轴封供汽温度高于转子表明金属温度，转子受热而变长，表现为正胀差，可能引起轴封摩擦。为了不使胀差值过大，应选择温度较低的供汽源，并缩短轴封送汽时间至冲转的时间。热态启动时，轴封供汽应选用高温汽源，要轴封先供汽，后抽真空，这样可以防止汽缸进冷气使得转子受冷收缩，防止轴封供汽后出现负值，应尽量缩短冲轴封供汽与转子冲转之间的间隔时间。

（三）真空的影响

机组冲转前应将真空控制在低值，在汽轮机升速暖机的过程中，真空变化会引起胀差值改变。如真空下降，为保持转速不变必须增加进汽量，因而摩擦鼓风损失增大，高压转子受热膨胀增加，则胀差值随之增加。反之，若真空升高时，高压转子胀差减少。中、低压转子叶片较长，真空高低对中、低压缸通流部分的胀差影响与高压转子相反。其鼓风摩擦热量比高压转子大，在升速和暖机过程中，当真空降低时，如需要维持转速不变，必须增加进汽量，中低压转子因鼓风摩擦增加的热量被蒸汽带走，胀差随之减少。在机组停机打闸前适当降低真空是防止机组降速时的泊桑效应（解释见下段）过大致使高低压胀差（尤其是低压胀差）突变的一个手段，因此升速暖机过程中慎用提真空的办法来控制中、低压通流部分的胀差。

泊桑效应：转子高速旋转时，转子径向和轴向受离心力的作用变形变粗变短，这种现象称为泊桑效应。转子的离心力与转速的平方成正比；在离心力作用下，因转子沿径向拉伸，而轴向则缩短，胀差减小（因弹性材料的应力变化径向与轴向有一定比例关系，当转子径向伸长时，轴向就会随之缩短）。随着流量增大、转速上升，高压转子的胀差逐渐增大，而中低压转子胀差先随转速升高而增加，达到中速后，胀差又随转速增加而减小。

（四）进汽参数影响

当进入汽缸的蒸汽参数发生变化时，首先对转子造成影响，而对汽缸的影响要稍微滞后，因此会引起胀差变化，蒸汽参数变化速度越快，影响越大。在汽轮机启停过程中，应选择适当的冲转参数，保持蒸汽温度和流量变化速度线性变化，避免波动，如此可以控制差胀大幅增加。

（五）汽缸和法兰加热的影响

某些大型机组设计有法兰螺栓加热装置，启动过程中要选择合理的时机，并注意调整加热装置的进汽温度和进汽量，当高、中压缸胀差达到一定数值时及时投入法兰加热装置，以满足加热要求。同事为了避免法兰加热过度，有效的加热法兰，应控制加热蒸汽温度高于外壁温度控制在80℃左右（最高不超过100℃）

（六）汽缸滑销系统的影响

滑销系统合理布置和使用以满足汽缸多个方向自由膨胀，如轴承座台板充油不重视，油脂质量控制不严以及台板起毛刺等原因，造成启动过程膨胀不畅，一般造成胀差大、延长启动时间。膨胀受阻表现为膨胀值达不到设计值或是膨胀曲线出现跳跃，甚至有明显碰磨声响。

（七）汽缸疏水的影响

大型机组对汽缸保温的要求较高，如汽缸保温做的不好，会造成汽缸温度偏低且分布不均，进而影响汽缸的膨胀，使汽机膨胀差增大；而汽缸疏水系统因安装或管道堵塞等原因，疏水不畅可能使得下缸温度偏低，上下缸溫差较大，影响汽缸膨胀，并可引起汽缸变形，从而使得差胀的变大，严重时甚至发生转子与汽缸的碰磨事故。

五、总结

胀差控制是汽轮机组启动、停机中比较难控制的一个参数，但是只要严格控制好真空、进汽温度和温升速度等重要参数，维护好滑销系统和法兰加热系统，即可将差胀控制在安全的范围内，保障机组安全稳定的启动。正常运行时，差胀基本无需重点关注，只需在机组停机或跳闸时关注即可。如发生汽轮机进水等严重事故则需要严明监视胀差变化情况，必要时手动紧急停机。

参考文献：

[1]广东国华粤电台山发电有限公司集控运行规程.