350 MW超临界供热机组胀差变化过程分析

谢昌亚 徐琳涛 陈凯亮 吴 昕

（华北电力科学研究院有限责任公司）

胀差是机组在启动、停运和正常运行过程中反映汽轮机运行状态的重要监视参数［1］，表示的是转子膨胀伸长值与汽缸膨胀伸长值之间的差值。胀差产生的根本原因是金属的热胀冷缩，由于转子与汽缸在质量、材料、质面比及换热过程等各方面均有所不同［2～4］，导致二者轴向膨胀长度不同，从而产生相对位移［5］。一般，转子膨胀伸长值大于汽缸膨胀伸长值时，胀差为正；反之，胀差为负［6］。胀差的测量通常采用电涡流传感器探头［7］，其安装位置与机组滑销系统和膨胀方向有关，根据汽轮机形式可分为高压缸胀差、中压缸胀差和低压缸胀差。为防止级间动叶和静叶相对位移过大，导致动静叶碰磨、机组损坏［8，9］，在ETS系统设置胀差保护［10］，当胀差值大于报警值或跳机值时，系统发出报警和停机指令。通常，机组运行时监视的胀差值是汽轮机死点至测量点转子与汽缸膨胀的差值，但该值并不能直接反映机组各级动叶与静叶之间实际的轴向间隙［11］。文献［12］指出，在异常情况下可能会出现胀差值还未大于机组给定的跳机值时动、静叶之间就已经产生碰磨的情况，出现这种情况的原因可能是胀差跳机值偏大或转子膨胀不均、轴向间隙小的部位胀差过大。根据胀差测点的安装位置，监视的胀差值一般是转子与汽缸膨胀差值的最大值，但由于泊松效应的影响，转子在惰走过程中会继续伸长，因此给定的胀差跳机值应满足：胀差保护触发后机组惰走过程中，动、静叶之间不会发生碰磨。制造厂计算给定的胀差跳机值一般考虑了安全裕量，从保护机组安全的角度出发，胀差跳机值会偏小一些。但如果胀差跳机值过小，会出现两种情况：一是各级动、静叶之间间隙满足运行条件，但胀差保护已经触发造成机组停机；二是由于其他原因停机，惰走过程中胀差继续增大并超过报警值或跳机值，造成机组无法再次挂闸快速启动。如此，胀差便失去监测报警的意义，并且不利于机组运行。可见，合理的胀差跳机值应具备监测报警、指导机组运行和保护机组安全的作用。

在此，笔者以某新建350 MW超临界供热机组为例，对调试期间机组典型工况的胀差变化过程进行分析，介绍低压缸胀差跳机值过小的问题，希望对同类型机组的运行和调试工作提供一定的借鉴意义。

1 机组滑销系统

某350 MW超临界供热机组采用的是C359/284-24.2/0.4/569/569型超临界、一次中间再热、两缸两排汽、单轴、抽凝式汽轮机。如图1所示，该机组共设置6个支撑轴承，其中高中压转子、低压转子各设置2个支撑轴承；高中压转子前后轴承为落地式可倾瓦轴承，分别安装在前轴承箱和中低压轴承箱内，低压转子前后轴承为座缸式椭圆轴承，推力轴承安装在中低压轴承箱内，位于2#与3#轴承之间。整个汽轮机静子通过横键相对于基础保持两个绝对死点，一个在中低压轴承箱基架上2#轴承中心线后609 mm处，另一个在低压缸左右两侧基架上低压进汽中心线前203 mm处。机组启动时，高中压缸、前轴承箱向前膨胀，低压缸向前后两个方向膨胀。高压内缸相对于外缸的死点在高压进汽中心线后255 mm处，低压内缸相对于低压外缸的死点在低压进汽中心线处，高低压内缸分别由死点向前后两个方向膨胀。汽轮机转子相对于静子的固定点，即转子的相对死点，在中低压轴承箱内推力轴承处，机组启动时，高中压转子由此处向调阀端膨胀，低压转子由此处向电机端膨胀。高中压胀差探头安装在前轴承箱内，低压胀差探头安装在低压缸后轴承箱内。

2 典型工况胀差变化过程

2.1 机组投轴封、高压缸倒暖

图2是首次启动前，机组投轴封、后缸喷水和高压缸倒暖时的胀差变化曲线。可以看出，4时21分轴封系统开始暖管，机组逐渐投入轴封，然后高中压胀差和低压胀差均有明显上涨，这是由于汽轮机轴封体处的转子受热伸长而缸体并没有明显加热所致［13］。根据以往的调试经验，同类型机组存在后缸喷水对低压缸前、后轴封体温度影响较大的问题，投入后缸喷水后低压缸前、后轴封体温度会剧烈下降，导致机组振动出现异常。为掌握本机组在该问题上的表现特性，在机组启动之前进行了试验，9时20分后缸喷水尚未投入，低压缸前后轴封温度分别为147℃和145℃，9时30分打开后缸喷水调阀至50%，阀后喷水压力0.26 MPa，9时36分低压缸前后轴封温度分别降至99.8℃和100.0℃。从图2可以看出，投入后缸喷水后，由于低压前后轴封体温度降低，低压胀差下降较为明显，为控制低压胀差，在试验后并没有完全退出后缸喷水，而是将喷水调阀关至20%，低压缸前、后轴封温度逐渐上涨至125℃和129℃，低压胀差随后开始缓慢上涨。投入高压缸倒暖后，高压内缸调节级温度逐渐上涨，高中压胀差、低压胀差总体呈缓慢上涨趋势。综上所述，本机组低压胀差对轴封温度反应比较敏感，当低压胀差过大时，可通过减小低压轴封温度来进行调整，当机组振动无异常时，可控制低压轴封温度在允许范围120～170℃的下限。

图2 机组投轴封、后缸喷水和高压缸倒暖时的胀差变化曲线

2.2 冷态启动

汽轮机转子在冲转时由于高速转动，与蒸汽之间的对流换热系数较大，与汽缸相比，转子对温度的变化更为敏感，汽缸对蒸汽温度变化的反应较为滞后，因此在冲转过程中蒸汽温度对胀差的影响较大，并且为了减小冷态启动时转子所受的热应力，一般选择低压微过热蒸汽来降低转子表面与转子中心的温差［14］。

为控制胀差，本机组在冷态启动期间严格控制蒸汽参数的稳定性，主蒸汽保持在4.5 MPa、380℃左右，再热蒸汽保持在0.6 MPa、350℃左右，机组从冲转至定速3 000 r/min的过程中并没有发生由于蒸汽温度波动导致的胀差异常问题。图3是冷态冲车过程中的胀差变化曲线，可以看出，当日23时56分机组定速500 r/min，进行打闸摩检，摩检完成后继续挂闸升速，次日0时24分机组定速1 500 r/min进行中速暖机。1时52分中速暖机结束后机组继续升速，2时16分机组首次定速3 000 r/min。由于定速后机组振动缓慢上涨，3时4分4#瓦x向振动上涨至141μm，y向振动上涨至96μm，5#瓦x向振动上涨至156μm，y向振动上涨至69μm，机组打闸降速至1 500 r/min并继续暖机，4时3分机组升速，4时10分机组定速3 000 r/min，各瓦振动正常稳定，从胀差随机组转速的变化曲线可以看出，本机组低压胀差和高中压胀差受泊松效应的影响比较明显，尤其是低压胀差，从1 500 r/min升速至3 000 r/min的过程中，低压胀差下降了1.8 mm；降速过程中，低压胀差上涨了1.8 mm。当机组定速后，高中压胀差、低压胀差逐渐缓慢上涨。

图3 冷态冲车过程中的胀差变化曲线

2.3 热态和极热态启动

由于喷嘴至动叶比动叶至喷嘴的距离更近，所以负胀差相对于正胀差来说更加危险［15］，因此机组在热态和极热态启动过程中，蒸汽温度和轴封温度的选择尤为重要，要避免因温度过低，导致对汽轮机转子进行冷却，从而产生较大的负胀差。图4是机组热态启动胀差变化曲线。热态启动冲转前，主蒸汽温度477℃、压力6.60 MPa，再热蒸汽温度489℃、压力0.78 MPa，高中压胀差1.1 mm，低压胀差4.7 mm，调节级后内缸内壁上半温度397℃、下半温度399℃，中压进汽腔室内壁温度377℃。从图4可以看出，随着机组升速，在泊松效应的影响下，高中压胀差和低压胀差均有明显下降，由于蒸汽温度较高，没有对转子造成冷却，胀差并未出现负值，若此时蒸汽温度过低，则极有可能出现较大的负胀差，威胁机组安全。在机组并网瞬间，由于机组进汽量突然增加，导致轴向推力突增，整个转子向电机端有位移。从图4可以看出，并网瞬间轴位移有明显上涨，造成高中压胀差和低压胀差产生相反方向的轻微变化。极热态启动胀差变化过程（图5）与热态启动基本一致，在此不再赘述。

图4 热态启动胀差变化曲线

图5 极热态启动胀差变化曲线

2.4 甩负荷试验

大型发电机组甩负荷试验是检验机组调节系统动态特性的重要试验，也是考核配套设备动态调节性能最直接的手段。甩负荷试验对胀差变化的影响主要是通过影响轴位移实现的。图6、7分别是甩50%负荷和甩100%负荷试验过程胀差变化曲线。甩负荷瞬间调节汽阀全关、机组不进汽，转速稳定后机组进汽量比带负荷时大幅减少，机组轴位移变小，低压胀差下降、高中压胀差上涨。试验完成机组打闸后，在泊松效应的影响下，高中压胀差和低压胀差均逐渐上涨。

图6 甩50%负荷试验胀差变化曲线

图7 甩100%负荷试验胀差变化曲线

3 存在的问题

笔者针对低压胀差报警值、跳机值偏小的问题进行分析。

厂商原给定低压胀差报警值和跳机值分别为6.3、6.8 mm，在整套系统启动调试期间，随着转子与汽缸不断被加热，机组热膨胀不断发展，低压胀差大致稳定在5.9～6.2 mm之间，基本符合设计值5.9 mm的要求。由于低压转子受泊松效应影响较大，机组在跳闸停机后低压胀差快速上涨并依次超过报警值和跳机值，同时由于DEH系统胀差超过报警值时不满足挂闸条件，造成机组无法再次挂闸，还需等待低压胀差下降至报警值以下时才能挂闸，导致机组不能快速启动。如图8所示，15时0分，机组正在进行协调变负荷试验，汽轮机跳闸，首出“锅炉MFT”，后查明原因为一次风机动叶机械结构故障造成锅炉负压波动过大。汽轮机跳闸前低压胀差5.8 mm，跳闸瞬间由于轴位移的变化低压胀差降至5.5 mm左右，而后随着机组转速降低，低压胀差快速上涨，最高至7.58 mm，此时机组转速在1 125 r/min左右。泊松效应的作用释放完毕后，转子冷却缩短，低压胀差开始缓慢下降，机组转速降至0时，低压胀差降至6.8 mm。针对上述现象，厂商设计人员重新核算机组低压胀差，将低压胀差报警值和跳机值分别修正为7.5 mm和8.0 mm，由于低压胀差量程为-6～8 mm，经商议决定将低压胀差跳机值设置为7.7 mm，报警值设置为7.2 mm。

图8 惰走过程1胀差变化曲线

尽管提高了低压胀差报警值和跳机值，但在之后的一次机组跳闸惰走过程中，低压胀差仍超限。如图9所示，7时50分，机组准备进行低负荷稳燃试验，负荷降至140 MW，低压胀差6.2 mm、高中压胀差5.6 mm；7时51分汽轮机跳闸，首出“锅炉MFT”，跳闸后各阀门关闭正常，润滑油泵联启正常，惰走过程中低压胀差快速上涨，通过开启后缸喷水和低压轴封减温水降低轴封温度、提高机组背压来控制上涨趋势，转速惰走至1 200 r/min时，低压胀差最高上涨至7.9 mm，随后开始下降。受现场条件限制，之后并没有对低压胀差跳机值做进一步修改，也没有检查探头零位设置是否有问题。在机组168 h试运结束后，需针对该问题做进一步检查。

图9 惰走过程2胀差变化曲线

4 结论

4.1 轴封温度对本机组低压胀差影响较为明显，冷态启动时，为减小低压胀差可尽量控制轴封温度在允许范围120～170℃的下限；热态启动时，要避免轴封温度过低对轴封体处的转子造成冷却，产生负胀差。

4.2 整个调试期间，主再热蒸汽参数选取合理且控制稳定，并没有出现因温度异常造成机组胀差异常的问题。

4.3 甩负荷试验期间，机组胀差变化不明显；脱网瞬间，因为轴位移的变化，高中压胀差和低压胀差向相反方向有轻微变化。

4.4 低压胀差受泊松效应影响比较明显，在机组惰走过程中最大可增加2 mm，并超过低压胀差报警值和跳机值，对机组运行产生较大影响，在提高低压胀差报警值和跳机值后，并没有根本解决该问题。受现场条件限制，没有进一步进行检查，后续应对低压胀差安装零位进行检查校准，并重新核算低压胀差跳机值的安全裕量，确保机组稳定安全运行。