提高汽缸寿命保证汽轮机安全经济运行的措施

胡 杨，张 龙，吴 磊

（中国石油天然气股份有限公司热电厂，辽宁沈阳 111003）

0 引言

汽轮机在运行期间可以将蒸汽热能转化为动能，以此为相关设备提供运行动力，因此被广泛应用到电站中，能够全面促进热电厂的经济效益发展。某热电厂现有8 台汽轮机，均带动发电机供电，此外汽轮机将抽汽或背压排汽输送至热力管网以及冬季采暖，在实际生产期间可以按照环境与需求不同选择对应的运行方式。在热电厂中，汽轮机具备重要作用，运行质量会极大影响生产效益，因此必须维护汽轮机运行安全性和经济性。

1 汽缸与汽轮机

在汽轮机运行期间汽缸具备重要作用，能够有效隔离汽轮机通流与大气，确保蒸汽在汽轮机内实现做功，还能够支持汽轮机汽封套、喷嘴室和隔板等静止部位的运行，还能够承受径向温度以及汽缸轴向不均匀分布所导致的热应力。所以必须深入分析和讨论延长汽缸寿命的有效措施。

2 汽缸裂纹变形原因

从大量实践运行经验能够看出，导致汽缸出现裂纹和变形的原因主要是由于应力变化所致，在运行过程中汽缸应力变化的原因如下。

（1）蒸汽参数变化大于预设值。汽缸反复多次承受冷热交替运行方式，法兰内壁与外壁之间存在温度差，应力大于薄弱点强度，容易发生疲劳裂纹现象。在负荷减低时，蒸汽参数存在较大变化，此时汽缸内会出现热应力，从而引发负胀差，持续减小轴向间隙，动静部件摩擦过大而产生损坏影响。

（2）过快启动暖机，负荷变化控制不当。暖机启动时间过长；热态启动操作不合理，会加大汽缸上温度与下温度差值。汽轮机长期处于空负荷运行状态，蒸汽节流，减少蒸汽流量进入量，引发鼓风摩擦。

（3）长时间振动引发应力大于疲劳极限值。汽缸材料存在缺陷问题，会导致汽缸内部应力比较大，运行方式不合理会加大应力，叶片断裂所产生的强力会对汽缸产生冲击力。

3 冷态启动与停机时的应力变化

3.1 冷态启动应力变化

在启动冷态时，内壁温度会显著高于外壁温度，此时内壁遭受热压应力。尽管受到工作蒸汽会引发拉应力，但是热压应力会显著大于拉应力，在热压力最大时会导致内壁出现塑性变形问题，在温度均匀之后会残留拉应力，此时外壁表面会承受拉伸应力。通过公式（1）可以计算汽缸壁表面热应力。在计算汽缸壁外热应力时可以应用公式（2）。

式中 μ——泊桑比

a——线胀系数

E——弹性模数

Δt——汽缸外壁与内壁的温度差

3.2 停机时的应力变化

在停机状态下，汽缸受到冷却内壁温度比外壁温度低，此时内壁会受到热拉应力和静拉应力影响，此时就会导致内部应力强度显著加大，进而产生裂纹。当汽缸内壁快速冷却时，产生的拉应力比外壁拉应力大。

通过上述分析能够看出，在启动汽缸冷态会受到压应力，在停机状态下会受到拉应力。当金属材料多次反复遭受压应力和拉应力交互作用，极易超过疲劳强度，此时就会提升疲劳断裂发生率。从有限寿命疲劳极限与循环次数关系（图1）可以看出，循环次数小于循环基数时，随着应力循环次数的增加，会影响降低疲劳极限。即循环次数的增加，会使材料发生断裂问题。

4 汽缸变形裂纹危害性分析

4.1 主汽温度过高所致变形问题

汽轮机主汽温度比较高时，极易导致汽缸变形，还会持续恶化金属的性能，导致金属出现蠕变现象，缩短各部件使用寿命。汽轮机运行期间如果出现汽温骤降，就会产生热应力和热变形现象。金属部件在遭受冷却影响之后会出现收缩现象，特别是转子收缩程度，显著加大汽缸胀差负值，导致动静部分出现严重摩擦，还会加大叶片负荷，导致其出现水蚀问题。汽缸压力比较高时，调节级叶片会出现大负荷情况，相应增加各部件内应力，还会加大法兰螺栓和汽缸法兰之间的承受应力，缩短汽缸运行寿命，对汽轮机安全运行造成极大影响。

图1 有限寿命疲劳极限与循环次数关系

4.2 汽轮机启动，停机和负荷变化所致危害

汽轮机启动，停机和负荷变化状态下，不同金属部件均处于不稳定传热状态，此时若没有进行合理控制，将会导致汽缸横截面产生温度差，由此引发热变形和热应力问题。在汽缸下部设置疏水管道或回热蒸汽管道，散热面积比较大。同条件下上缸温度会显著高于下缸温度，此时上汽缸会向上供起，产生拱背现象。若汽缸与转子之间存在较大挠曲度，将会导致下缸底部通流部分动静部件的径向间隙消失，动静部件间的摩擦扩大了汽封径向间隙，降低汽轮机运行经济性。动静部件之间的摩擦也会导致机组出现强烈振动，还会产生大轴弯曲问题。

4.3 法兰内部温度过高所致危害

在汽缸法兰内壁温度比外部温度高时，内部金属会出现较多伸长情况，此时就会导致法兰水平面出现热弯曲。汽缸中部横截面会变为立椭圆，相应出现内张口，导致水平侧动静部件径向间隙缩小；前后横截面会从变为横椭圆，此时法兰结合面会产生外张口，导致垂直侧动静部件径向间隙缩小。在停机冷却期间，汽轮机会产生反变形，此时汽缸中段横截面会转为横椭圆，导致前后横截面变为立椭圆。以上问题都会导致动静部件出现严重摩擦问题。

5 提升汽缸寿命，维护汽轮机安全运行的有效措施

5.1 进汽参数控制措施

汽轮机操作人员必须按照生产厂家和材料对进汽参数进行控制，确保汽压符合厂家技术要求中规定的压力、温度，禁止汽轮机长期处于高汽压和汽温条件下运行。汽轮机启动与停机时必须严格控制内壁与外壁温度差，避免出现温度骤然升高或降低。负荷变化趋于稳定降低汽缸与转子之间的温度差，确保不同部件能够均匀加热，将振动、胀差与热变形控制在合理范围内，防止对汽缸造成损坏影响，进而对汽轮机运行安全性和经济性造成影响。

5.2 控制进汽与排汽温度

采用全周进气方式启动汽轮机时，必须控制排汽温度，高于80 ℃时，应及时开启后汽缸喷雾降温，严禁后汽缸超过120 ℃运行。在启动热态时应当确保进入汽轮机蒸汽温度比上缸温度高，差值在65 ℃，防止内壁产生比较大的热拉应力。随着升速持续进行下，传动转子会受到热压应力影响，提升机组疲劳度，导致运行寿命遭受影响。在压应力和拉应力交互作用下，汽缸极易产生裂纹问题，还会进一步导致动静摩擦问题出现。为了达到汽缸温度所对应的工况点启动参数值，防止部件在高状态下出现急速冷却问题，此时就合理匹配金属温度和蒸汽温度，还能够降低热态启动。在生产运行期间还应当确保高低压加热器温度差随着汽缸机启动而减少，在启动期间确保汽缸排水效果，禁止出现积水问题。对于下汽缸则需要应用保温结构性能良好的材料。

5.3 汽缸内外壁温度差控制

如果汽缸内壁温度变化幅度比较大，则汽缸内壁与外壁之间的温度差也会越大，此时就会产生比较大的热应力。汽缸内壁温度变化率情况会对汽轮机转速和负荷变化造成影响，也会进一步影响汽轮机启动速度和停机速度。在生产运行期间，汽缸壁与法兰过渡位置极易产生最大温度差，因此在启动汽轮机时，必须对蒸汽温度变化情况进行严格控制。

5.4 负荷变化控制

在汽轮机运行期间，需要对负荷变化情况进行严格控制，避免改变运行状态，并且导致汽缸出现冷热交替影响。确保滑销清洁度，以免出现卡涩问题，影响汽缸运行稳定性。在运行期间还应当对汽缸膨胀情况进行监视和检查，注重检测机组振动情况，及时处理异常振动和异常响动情况。通过有效措施确保汽缸周边受热均匀，当使用旁路门启动方式时，必须确保负荷效果的稳定性，并且按照实际情况合理应用变化工况方式。由于在运行过程中，法兰的厚度与宽度显著高于汽缸，则法兰内外壁温度差也会高于汽缸温度差，此时就必须合理控制法兰内外壁温度差。此外，还应当确保汽缸保温效果，通过应用挡风板和保温层加设方式，防止冷风直接吹向汽轮机，造成一侧过度冷却问题。

6 结束语

此次研究主要是围绕提高汽缸寿命保证汽轮机安全经济运行展开讨论，通过热电厂的实践应用能够看出，此次所提出的技术措施能够确保汽轮机组需求，满足各项生产工序需求。在实际生产期间，存在多种因素影响汽轮机运行安全性和经济性，所以必须深入分析和研究汽缸变形损坏问题，并且注重实际生产运行期间容易产生的故障问题，以此维护汽轮机的运行效果。在现代化技术快速发展过程中，可以应用微机技术对汽轮机运行进行控制，注重技术优化创新，以此提升汽轮机运行效率。