45MW汽轮机胀差超限原因分析及控制策略研究

石二阳

（中海油阜宁热电有限责任公司）

0 引言

在汽轮机处于工作状态时，务必保证其转子与气缸之间保持基本一致的轴向热胀速率[1-2]。胀差这个参数就能够从数值上对转子与气缸膨胀或收缩时，掌握轴向位置的瞬时变化情况[3-4]。胀差对于汽轮机的启动加热、停机冷却，或是正常工况变换都是非常重要的参数，胀差参数过大或过小都不合适，可能导致汽轮机的轴向间隙出现异常，进而导致汽轮机的转子与气缸之间出现摩擦现象，进而导致汽轮机严重损坏[5-6]。因此，在汽轮机运行时，必须对汽轮机的胀差参数进行实时监测，对胀差产生原因、变化规律进行深入研究。总结出一套科学、有效的胀差异常处理方法，对于技术人员来说意义重大[7-8]。

1 胀差的概念

汽轮机的转子与气缸之间所产生的热膨胀差值就称为汽轮机的胀差。汽轮机在启动、停机、调载、变参数运行时，转子和气缸分别以各自的死点为基准进行膨胀和收缩[9]。气缸本身的质量大，与蒸汽接触的面积又比较小，而转子本身质量小，与蒸汽接触的面积又比较大，当转子转动时，蒸汽对于转子的放热系数要远大于蒸汽对于气缸的放热系数，这样就造成转子随着蒸汽温度变化而发生膨胀或收缩的速度要远大于气缸随着蒸汽温度变化而发生膨胀或收缩的速度，气缸与转子之间发生的热膨胀值称为汽轮机的相对胀差。如果转子在轴向的膨胀值要大于气缸在轴向的膨胀值，则称为正胀差；转子在轴向的膨胀值要小于气缸在轴向的膨胀值，则称为负胀差。汽轮机调节原理如下图所示。

图 汽轮机调节原理

轴向相对值由转子与轴承座之间的推力轴承确定，而推力轴承的具体位置则是转子与汽缸轴向膨胀差值的相对平衡点。如果将汽轮机转子带高压缸至进汽口的距离设为l，则可以认为两者之间的平均升高温度为t，这些数值的产生都是相对而言的，那么该横截面上生成的相对膨胀值为：

2 胀差产生原因

2.1 正胀差产生原因

多种原因会导致汽轮机产生正胀差。当汽轮机在启动的时候，暖机不够充分，从而导致汽轮机的转子速度提升过快，或负载的增加速度过快，引起正胀差的产生；气缸夹层和法兰的加热装置产生的加热温度不足或加热气量过低会导致气加热效果不显著，引起正胀差产生；轴封气温过高或轴封供气流量过大，从而导致肘颈部位过分拉伸，也会引起汽轮机的正胀差产生；除此之外，双层钢夹层中流入冷空气、胀差检测器为校准零点、真空变化、转子转速变化等都会引起正胀差。

2.2 负胀差产生原因

多种原因会导致汽轮机产生负胀差。负载迅速降低、主气温突然降低、汽轮机启动时进气温度低于金属温度等；此外，轴封温度过低、轴向位移改变，轴承油温过低等都会导致汽轮机出现负胀差；当汽轮机启动后转子转速突然快速升高，并且转子由于离心力的作用，会导致轴向尺寸发生变化，由此便会产生显著的负胀差；当气缸的夹层中流入高温蒸汽后，高温蒸汽可能来自加热装置，也可能来自进气套管的漏气，这样也会造成负胀差。

3 胀差变化与汽轮机运行的关系

3.1 汽轮机不同工况下胀差变化

汽轮机在不同的运行工况下所产生的胀差变化情况也是不尽相同的，具体可以概括为如下几种情况：

1）当汽轮机处于正常运行状态时，汽轮机转子和气缸之间的温度处于相对稳定状态，其膨胀值也是相对稳定的，不会出现较大的胀差变化。

2）当汽轮机处于异常运行状态时，其膨胀值也是不稳定的，如果汽轮机的进气量发生变化或进行其他错误的操作时，转子和气缸的膨胀值也会随着进气量的变化而发生变化，从而胀差值也出现变化。

3）汽轮机的启动或停止也会对胀差值产生一定程度的影响，如果汽轮机在冷状态下启动其转子在转速提升的过程中，加热速度会很快，其胀差为正胀差并且上升速度也很快。但汽轮机在热状态下启动时，汽轮机的气缸内整体温度较高，转冲时的蒸汽进入气缸后，由于蒸汽的温度要低于气缸本身的温度，所以会产生冷却效果，产生的胀差是负胀差。

4）当汽轮机负载降低或者停机，汽轮机内的蒸汽温度也会随之降低，转子的温度变化更为剧烈，所以温度下降更快，从而导致转子与气缸之间出现了负胀差。

5）在汽轮机的负载增加的过程中，汽轮机转子于气缸之间也会形成正胀差，正胀差会随汽轮机的启动而上升，当汽轮机停机时，其胀差值也会呈现下降趋势。

3.2 胀差变化对汽轮机运行的影响

汽轮机的胀差是影响汽轮机运行的一项重要参数。汽轮机的胀差对汽轮机的运行会产生十分显著的影响，胀差参数的大小也能够反应汽轮机内部转子与气缸之间轴向间隙的变化，无论哪个轴方向间隙发生变化都可能会导致转子与气缸之间出现摩擦，从而损坏汽轮机内部的机械部件，降低汽轮机的使用寿命，甚至造成后果严重的安全事故。

4 汽轮机胀差控制方法

汽轮机在不同运行工况产生的胀差变化会对汽轮机的正常运行造成影响。因此在汽轮机处于运行状态时，必须对胀差进行科学、合理的控制。首先在汽轮机蒸汽温度升高和降低的过程中，转子转速和负载也会出现变化，因此需要对气缸和转子之间的温度差进行严格的控制，务必保证转子和气缸的温度差保持在允许的范围内；其次对汽轮机相关的加热装置进行科学运用，还应当利用气封供气实现胀差控制，由于气封供气是通过轴温度产生影响的，需要通过收缩方式进行胀差控制，所以说在汽轮机处于稳定运行状态时，一旦胀差发生变化，则可以通过供气时间和供气温度进行胀差控制。

4.1 选择合理的启动参数

汽轮机转子和气缸的热状态的变化都会与进气参数的变化相关联，并且转子的热状态变化更快，这样就导致胀差的变化，所以合理的启动参数才能够保证汽轮机的顺利冲转。

4.2 合理运用轴封抽汽器

汽轮机大轴直接与轴封抽汽器相连，所以轴封抽汽器的温度会直接影响汽轮机大轴伸缩，进而影响到胀差。汽轮机的轴封抽汽器与轴封风机相连，这样便可以通过轴封风机抽取汽封中多余的蒸汽。在汽轮机冷态启动状态下冲转前投入轴封风，这样就能够有效抑制胀差值的正向增大。如果正向胀差值增长过快，则需要同时开启两台风机。在汽轮机处于热态启动状态下时会出现冲转前工况，为了保证转子正常状态，此时要禁止启用轴封风机。

4.3 冲转过程中实时调节空排气阀开口幅度

汽轮机的背压蒸汽排空后，其向空排气阀的开口幅度会影响气缸温度和胀差。所以在汽轮机处于冲转时，应当调节汽轮机进气量，进而对空排气阀的开口幅度进行调整，这样就能够对胀差进行很好的抑制。

4.4 控制负变化荷率及机组启停过程中主蒸汽温度变化率

冲转程中应控制汽轮机胀差值变化趋势，采取设备厂家说明书规定蒸汽参数及负荷升降速率，并严格控制机组暖机负荷及暖机时间，若发现汽轮机胀差异常，首先确认胀差异常方向，保持机组负荷，减少主蒸汽温度波动，如发现正胀差增大，应降低主蒸汽温度，或逐渐降低机组负荷；如发现负胀差增大，应提高主蒸汽温度，或逐渐提升机组负荷。

4.5 及时将各部位的汽封漏气放进去

汽轮机在启动后，如果漏气压力达到了一定的程度，应及时将各段气封漏气投入，减少大轴的加热汽量，从而有效控制胀差正值增长速度。

4.6 科学控制燃机温度匹配

投运燃机温度匹配功能，汽轮机冷态启动，燃机发启动令，燃机正常启动至全速空载状态，燃机发电机并网带初负荷，投入燃机温度匹配功能，温度匹配温度控制目标设定为燃机当前排气温度，在DCS温度匹配画面温度匹配温升降速率设置为0.2℃/s，温度匹配温度控制目标设为与燃机当前排气温度偏差5～25℃，燃机自动调整至目标值，通过控制燃机排气温度，匹配锅炉升温升压及汽机冷态冲转参数汽轮机满速后胀差较不投运温匹明显降低，汽机带负荷时间明显缩短。

5 实例分析

某企业汽轮机工作异常情况：下半汽缸内外壁温度下降速度高于上半汽缸，上下汽缸温差缓变其均匀增大超过60℃，负胀差也随上下汽缸温度差变化增加超过－1.5mm。停机后汽缸温度没有突变，说明气缸内基本不存在积水；真空和轴封压力为零与惰走结束时间基本一致，这样就排除了汽缸内存在负压吸入冷气的可能；而下汽缸的温度降低速度要高于上汽缸，并且转子收缩速度更快，表明由冷气带走下汽缸和转子的热量。

基于上述分析，存在两种较为合理的推测：

1）下汽缸连接管道存在积水，积水吸收下汽缸热量，并产生低温蒸汽，以很小流量持续灌入汽缸冷却转子；

2）止回阀基于反向压差抑制蒸汽倒灌，停机后如果止回阀后存在低温蒸汽，止回阀可能由于压差不足而无法保证绝对严密，导致低温蒸汽通过止回阀灌入汽缸，对下汽缸和转子进行冷却。

6 结束语

经过本文的深入分析，可以知道汽轮机在启动、停机、正常运行等工况时，其内部的温度差异会使转子、气缸产生形变，继而严重影响汽轮机的工作。因此必须对汽轮机的胀差进行深入分析，从产生原因及影响结果深入展开。从而得到抑制汽轮机胀差现象的有效策略，保证胀差控制在允许范围内，从而延长汽轮机的使用寿命，最大程度实现经济效益的最大化。