660 MW超超临界汽轮机启动过程胀差偏大原因分析

2021-07-08张迎喜

山东电力技术 2021年6期

张迎喜

（大唐东营发电有限公司，山东东营 257000）

0 引言

某厂二期2×660 MW 超超临界燃煤发电机组，汽轮机为CCLN660-25/600/600 超超临界、单轴、三缸四排汽、一次中间再热凝汽式汽轮机，汽轮机本体监视设置有低压缸胀差、缸胀，汽轮机设有胀差保护，报警值为+22.7 mm、-0.76 mm，跳闸值为+23.5 mm、-1.52 mm。机组启动加热、停运冷却以及负荷发生变化时，汽缸和转子会产生热膨胀或冷却收缩，转子与汽缸之间的相对膨胀差称为胀差。胀差过大或过小，意味着汽轮机动静部分相对间隙发生了变化，如果胀差值超过了规定值，动静间隙消失，就会发生动静摩擦，可能引起机组振动增大，甚至叶片断裂、大轴弯曲等事故［1］。因此，在汽轮机启动、停运以及发生事故过程中应该严密监视和控制高低压缸胀差在规定的范围内。

1 汽轮机胀差偏大原因分析

1.1 轴封供汽温度对胀差的影响

汽轮机挂闸冲转前，主汽门关闭，对汽轮机本体能够产生影响的只有轴封系统。当汽轮机轴封投入、建立真空后，轴封蒸汽直接与转子轴颈接触，通过轴封齿一部分进入气缸，一部分经轴封回汽到轴加。

对某次冷态启动进行分析。如图1 所示，06：03轴封投入，机组点火升温升压，此时胀差为-0.344 mm，缸胀为6.364 mm，第一级金属温度88.159 ℃。至13：52，胀差6.505 mm，缸胀7.047 mm，第一级金属温度85.88 ℃，主汽温度362 ℃，主汽压力10.18 MPa。投入轴封抽真空后，经过7.8 h，胀差从-0.344 mm 增加到6.505 mm，增加了6.849 mm，缸胀从6.364 mm增加到7.047 mm，增加了0.683 mm。

图1 冷态启动时轴封温度对胀差的影响

因为机组未挂闸，第一级金属温度基本没有变化。由此可以得出，此阶段胀差、缸胀变化的主要影响因素是轴封供汽温度。从缸胀和胀差变化的幅度看出，轴封供汽温度对缸胀影响不大，对胀差影响明显，即此时轴封投入对转子轴颈加热使转子明显伸长。

1.2 泊桑效应对胀差的影响

泊桑效应在材料力学中指一个杆件被纵向拉伸边长的时候，其横向宽度就要变小。对汽轮机而言，转子在升速的时候，受到离心力的作用，而变粗、变短，转速下降的时候，而变细、变长［2］。

为了分析泊桑效应对胀差的影响，分别调取了机组冷态和热态启动时的曲线，对汽轮机从盘车转速至3 000 r/min 时相关参数的变化进行对比，如图2和图3所示。

图2 冷态启动时泊桑效应对胀差的影响

图3 温态启动时泊桑效应对胀差的影响

如图2 所示，机组冷态启动冲转分为两个阶段，一阶段从盘车转速到中速暖机2 250 r/min，并进行暖机120 min；二阶段中速暖机至3 000 r/min，定速。每一阶段升速过程时间较短，且参数基本稳定，可以忽略汽轮机进汽对胀差的影响。第一阶段胀差由6.734 mm降至4.374 mm，减小2.36 mm。第二阶段胀差由8.778 mm 降至6.602 mm，减小2.176 mm。即冷态情况下，从盘车转速到2 250 r/min，泊桑效应使转子收缩2.36 mm，2 250 r/min 至3 000 r/min 泊桑效应使转子收缩2.176 mm。

如图3 所示，温态启动冲转过程中主汽压力、主汽温度、真空、轴封压力、轴封温度基本稳定，因为温态启动没有中速暖机，从挂闸到转速3 000 r/min，共用时46 min，从图中曲线可以看出，随着转速升高胀差成比例下降，整个升速过程胀差因泊桑效应从5.857 mm降至0.262 mm，减小了5.519 mm。

2 机组启动过程胀差偏大原因分析及控制措施

5月12日，3号机组停运，5月13日00：11，破坏真空、退轴封，解列辅汽。5月14日18：30，轴封暖管，轴封系统投入。20：45，启动真空泵，开始抽真空。5月15日05：30蒸汽品质合格，主汽温度440 ℃，主汽压力8.9 MPa，调节级金属温度356 ℃，汽轮机冲车。

2.1 机组启动时胀差变化分析

1）投入轴封时胀差减小。如图4所示，5月14日轴封投入初期胀差减小了1 mm，此时高压轴封温度218 ℃，低压轴封温度44.96 ℃，经提高轴封压力后，低压轴封温度显示值达到88.8 ℃，此时高压轴封温度未变。

图4 温态启动时轴封温度对胀差的影响

原因分析：1）温态情况下轴封供汽暖管不充分，投入轴封时有部分冷汽进入轴封系统，引起轴颈受冷收缩。2）轴封供汽压力不足，低压轴封处密封不足，真空负压情况下将环境中冷空气抽吸至轴颈处，引起轴颈冷却［3］。轴封温度显示44.96 ℃，分析原因为低压轴封温度测点安装位置在低压缸排气口附近，受低压缸喷水减温的影响，显示失真。

2）轴封投入后胀差增加量较以往速度变缓。轴封投入后5 h仅增加0.367 mm，此时低压轴封温度一直显示45 ℃，通过提高轴封压力低压轴封温度显示值至92 ℃，4 h 胀差增加1.221 mm。

原因分析：轴封压力控制的偏小导致低压轴封供汽量不足，低压转子轴颈加热量不足，低压转子轴封部分区域可能存在抽吸冷空气的现象。

3）此次冲转前胀差值较以往机组启动时偏小。在轴封温度、压力值均达到以往机组启动值时，胀差最大到冲转前3.83 mm，此后一直到冲车时胀差都没有继续增加。

原因分析：1）缸胀下降较以往停机慢。此次停机为临停，停机前控制汽温较高，汽轮机缸体温度较以往停机偏高，汽缸收缩慢，缸胀到机组再次启动时仅降至19.98 mm。2）停机后轴封退出早，转子失去加热源，收缩加快。因辅汽系统有检修，轴封、辅汽退出时间较以往停机提前10 h。综合缸胀减小慢、转子收缩快，导致机组到启动前胀差也没有暖到与以往水平，为机组冲转过程中胀差负值超报警值埋下了隐患。

4）升速过程中胀差随转速升高而下降。如图5所示，汽机挂闸22 min 内冲转至2 250 r/min，胀差减小至1.128 mm，转速由2250 r/min 至2 900 r/min，胀差下降至-0.953 mm，经暖机后，转速由2 900 r/min 冲至3 000 r/min，胀差由-0.511mm降至-0.755 mm。

图5 温态启动时泊桑效应对胀差的影响

原因分析：冲转时主汽温度459 ℃，调节金属温度356 ℃，第一级蒸汽温度348 ℃，主蒸汽过热度111 ℃，冲转过程中主汽温度、调节级金属温度及调节级蒸汽温度基本没有变化，对汽轮机转子及缸体的影响忽略，胀差变化的主导因素为泊松效应，3 次升速胀差分别下降了2.253 mm、2.081 mm、0.244 mm。通过曲线还可以看到转速在900 r/min以前胀差基本没有变化，即泊松效应在900 r/min 以后开始影响转子伸缩。

综上所述，该660 MW 超超临界一次再热汽轮机，冲转过程中胀差的变化主要有以下特点。

1）冷态启动时，机组挂闸前，轴封是影响汽轮机缸胀及胀差的主要因素，且对胀差的影响显著［4］。轴封投入7 h，胀差增加6.849 mm，缸胀增加0.683 mm。

2）在机组冲转升速过程中，泊桑效应是影响机组胀差的主要因素。热态时影响5.519 mm，冷态启动时因中速暖机的因素，泊桑效应影响胀差4.536 mm。

3）泊桑效应对转子的影响在900 r/min以后才明显显现，并且明显与转速升速率成比例。1 000 r/min 以后，转速平均每升高100 r/min，因泊松效应收缩约0.25 mm。

4）汽轮机停机后，汽缸及转子因冷却收缩，轴封退出后转子冷却收缩速率明显大于汽缸。

2.2 控制胀差偏大的应对措施

1）合理控制冲转参数，增加机组冲转时进汽量。降低冲转时主汽压力，通过锅炉升温生压时与旁路相配合维持冲转压力5.6～7.5 MPa。提高主汽温度，根据汽轮机调节级金属温度，调整主再热汽温至446 ℃。降低机组背压，在汽轮机冲转、升速和初负荷暖机期间，维持凝汽器真空在85～88 kPa。高加、低加随机组冲转及时投入，亦能增加汽轮机进气量，有利于汽轮机暖机。

2）选择合适的轴封供汽温度［5］。调整轴封供汽汽源，提高轴封供汽温度、压力，将轴封供汽压力由28 kPa 提高至40 kPa，低压轴封温度提高了40 ℃后，胀差明显增加。

3）合理安排轴封投退时间。针对本类形式的汽轮机，如果是短时间停机，汽轮机可以保持轴封、真空系统连续投入，减缓转子收缩。机组检修后启动前胀差偏小时，应将投轴封、抽真空时间提前。

4）汽轮机冲转时，充分考虑泊桑效应对胀差的影响。根据机组特点，从盘车转速至3 000 r/min，泊桑效应使胀差减小5.5 mm，机组设置的胀差报警值为-0.76 mm，跳闸值为-1.52 mm，应保证在冲转前机组胀差在4.7 mm以上，否则应在中速暖机时增加暖机时间。本次为温态启动，不需要中速暖机，但为了保证胀差裕度并避开临界转速，在中速暖机6 min，并在2 900 r/min 暖机24 min，避免了胀差负值大停机的发生。