1 000 MW汽輪機溫、熱態啟動脹差控制

劉建海，劉志杰，任宏偉

(神華國華綏中發電有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125222)

1 000 MW汽輪機溫、熱態啟動脹差控制

劉建海，劉志杰，任宏偉

(神華國華綏中發電有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125222)

近年來，隨著超超臨界百萬機組相繼投產，人們對高參數、大容量汽輪機認識越來越深刻。特別是不同類型機組，汽輪機高、中、低壓脹差特點也不相同，對綏電公司N1000-25/600/600型汽輪機溫、熱態啟動過程中負脹差偏大產生原因進行分析、總結，通過運行調整和參數控制，防止脹差超限，以保證機組啟動期間汽輪機安全。

超超臨界機組;汽輪機;脹差;控制

1 機組概況

神華國華綏中發電有限責任公司安裝了2臺1 000 MW超超臨界燃煤機組，3大主機全部由東方電氣集團引進 (日立技術制造)。2臺百萬機組分別于2010年2月、5月投入商業運營。

汽輪機為東方汽輪機廠生產的N1000-25/600/600型，由1個單流高壓缸、1個雙流中壓缸及2個雙流低壓缸依次串聯組成。汽缸滑銷系統共設有3個膨脹死點，分別位于中壓缸和低壓缸 (A)之間3號軸承箱下及低壓缸 (A)和低壓缸 (B)中心線附近。推力軸承位于高壓缸和中壓缸之間2號軸承座內，轉子以此為死點向兩側膨脹。

本機組高壓缸脹差測點布置在機頭1號軸承箱內，中壓缸脹差測點布置在中壓缸與A低壓缸之間(4號、5號軸承之間)，低壓缸脹差測點布置在B低壓缸與發電機之間 (8號、9號軸承之間)。

2 脹差及相關說明

2.1 脹差定義

汽缸和轉子受蒸汽加熱后，隨著金屬溫度的升高發生膨脹，但由于重量和受熱面積不同，膨脹值也不同。脹差表示汽輪機轉子和汽缸之間的膨脹值差。通常，轉子膨脹大于汽缸膨脹時為正脹差，反之為負脹差［1］。根據汽缸分類，可分為高壓缸脹差、中壓缸脹差、低壓缸Ⅰ脹差、低壓缸Ⅱ脹差。

2.2 綏電百萬機組汽輪機脹差

N1000-25/600/600型汽輪機脹差控制范圍見表1，可見本機負脹差要求嚴格。

表1 N1000-25/600/600型汽輪機脹差控制范圍 mm

N1000-25/600/600型汽輪機實際運行中脹差值見表2。

表2 實際運行脹差值

2.3 產生負脹差主要原因［2］

a. 負荷迅速下降或突然甩負荷。

b. 主蒸汽溫度驟然降低或啟動時進汽溫度低于金屬溫度。

c. 汽輪機發生水沖擊。

d. 汽缸夾層、法蘭加熱裝置加熱過度。

e. 軸封供汽溫度太低。

f. 軸向位移變化。

g. 軸承油溫太低。

h. 低壓缸排汽溫度過高，真空過低。

機組啟動過程中，汽輪機脹差主要受3個因素影響。

a. 轉子和汽缸熱膨脹位移之差。

b. 轉子轉動時離心力引起縮短量。

c. 轉子在推力軸承處軸向位移。

汽輪機在溫、熱態啟動過程中，由于速率較高，沖動時間較短，轉子熱膨脹和轉子軸向位移變化相對穩定，對脹差影響較小。但在啟動過程中，由于轉速突升，轉子在離心力作用下軸向尺寸縮小，尤其低壓缸脹差變化明顯。

2.4 負脹差危害

由于汽輪機靜葉與動葉間間隙比動葉與下一級靜葉間間隙小，因此負脹差比正脹差更危險。若脹差向負值達到限值，會引起動靜之間摩擦，造成惡性事故［3］，所以必須嚴格控制負脹差值在規定范圍內，確保汽輪機安全［4］。

3 機組不同狀態下啟動時脹差的變化

a. 機組啟動狀態劃分

N1000-25/600/600型汽輪機狀態規定，以高壓缸調節級處內缸壁溫T來確定。

冷態:150℃≤T＜274℃

溫態:274℃≤T＜432℃

熱態:432℃≤T＜520℃

極熱態:T≥520℃

b. 本機冷態啟動過程中脹差變化 (見表3)

表3 冷態啟動過程中脹差變化

本次冷態啟動，由于汽缸、轉子均已得到徹底冷卻，機組沖動前高中低壓缸脹差起點在合理范圍內，分別經歷700 r/min和1 500 r/min暖機，機組達到定速時脹差在正常范圍內。

c. 本機溫態啟動過程中脹差變化 (見表4)

表4 溫態啟動過程中脹差變化

本次溫態啟動，由于沖動前低壓缸脹差已經在-0.02 mm，機組沖動到3 000 r/min時，低壓缸脹差達到-6.55 mm，超過打閘值-6.5 mm。由于機組定速后低壓缸脹差隨即回升，因此機組直接并網。

d. 本機熱態 (極熱態)啟動過程中脹差變化 (見表5)

表5 熱態 (極熱態)啟動過程中脹差變化

本次熱態啟動，由于沖動前高壓缸脹差已經在-6.17 mm，機組沖動到3 000 r/min時，高壓缸脹差達到-6.89 mm，非常接近-7.3 mm打閘值。

由以上機組不同狀態下啟動參數可知:機組在冷態啟動時，由于汽缸、轉子均已得到均勻冷卻，且在低速下進行充分暖機，機組各缸脹差在合適范圍內，不會影響機組安全;機組在溫態啟動時，如果沖動前低壓缸脹差已經小于0 mm，那么在機組沖動時，由于泊桑效應，低壓缸脹差負向有超限可能，威脅機組安全;機組在熱態啟動時，如果沖動前高壓缸脹差已經小于-6 mm，且進汽溫度不比缸溫高多少，那么在機組沖動時，容易導致高壓缸脹差負向超限，威脅機組安全。

4 采取措施

4.1 熱態 (極熱態)啟動控制高壓缸負脹差措施

a. 機組停機后，為有效控制高壓缸負脹差增大，可立即強制關閉VV閥，同時手動關閉高壓缸本體疏水門、高壓導汽管疏水門、一段抽汽逆止門前疏水門及再熱冷段疏水門，控制高壓轉子冷卻速度，使之與缸體冷卻速度匹配［5］。

b. 機組熱 (極熱)態啟動時，適當提高潤滑油溫度，但不得超過43℃。

c. 適當提高軸封供熱溫度至350～370℃，不得超過370℃。

d. 適當提高機組沖動參數，必要時使用鍋爐上層大油槍。

e. 高壓缸負脹差在-6.0 mm左右時，禁止汽輪機沖動。

4.2 溫態啟動控制低壓缸負脹差措施

a. 合理安排投軸封時間，控制好軸封蒸汽溫度和壓力，確保在抽真空前投入軸封。

b. 沖動前控制真空不宜過高，延長軸封蒸汽加熱轉子時間。沖動時盡量提高機組真空，減少進入汽輪機中蒸汽量，因鼓風摩擦產生的熱量有利于低壓轉子伸長。

c. 鍋爐點火后，及時開啟主、再熱蒸汽管路疏水，避免冷汽、冷水進入汽缸。

d. 適當提高潤滑油溫，但不允許超過43℃。

e. 汽輪機沖轉后，及時開大再熱器煙氣調節擋板，提高再熱蒸汽溫度。

f. 增加爐膛總風量，由1 400 t/h提高至1 700 t/h，使火焰中心上移，提高再熱蒸汽溫度。

g. 沖轉后即投入低加，并網后隨機投入高加，利于增加暖機效果。

h. 低壓缸脹差小于0 mm時，禁止汽輪機沖動。

5 實踐應用

2011年9月3日，機組熱態啟動。由于停機后采取了防止高壓缸脹差向負向增長的措施，沖動前高中低壓缸脹差有效控制在-5.5 mm、-5.9 mm、6.9 mm，高壓缸內外壁溫度分別為485℃、476℃，提高軸封供汽溫度至308℃。選擇機組沖動參數:主汽溫度為509℃、主汽壓力為9.56 MPa、再熱汽溫為522℃、再熱汽壓為0.01 MPa。沖動到額定轉速時，高中低壓缸脹差分別為 -6.25 mm、-6.70 mm、-0.76 mm，高壓缸負脹差得到有效控制，機組正常并網。

2011年9月25日，機組溫態啟動，沖動前高中低壓缸脹差分別為 -4.85 mm、 -3.77 mm、-0.88 mm，高壓缸內外壁溫度分別為 363℃、364℃，由于低壓缸脹差已經小于0 mm，為避免低壓缸脹差負向超限，采取如下措施，確保機組安全啟動。

沖動參數選擇:主汽溫度為496℃、主汽壓力為8.7 MPa，再熱汽溫為289℃，機組背壓為10 kPa。沖轉后再熱汽溫、低壓缸脹差均開始下降，其它參數無明顯變化。汽輪機轉速達728 r/min后，再熱汽溫回升，高、中、低壓缸脹差下降。汽輪機沖轉后，采取及時開大再熱器煙氣調節擋板，以及增加爐膛總風量的辦法使火焰中心上移，有效地提高了再熱蒸汽溫度。

7∶26汽輪機轉速達1 500 r/min，此時高壓缸脹差為-5.07 mm、中壓缸脹差為-3.89 mm、低壓缸脹差為-2.57 mm，開始定速暖機。暖機過程中高、低壓缸脹差回升，中壓缸脹差未變化。

8∶29高壓缸脹差為-4.61 mm、中壓缸脹差為-3.94 mm、低壓缸脹差為-2.15 mm，汽輪機轉速為1 500 r/min，暖機結束，汽輪機繼續升速，此時低壓缸脹差負向急劇增大。

8∶43汽輪機轉速達2 674 r/min，低壓缸脹差為-5.78 mm，繼續定速暖機。9∶07低壓缸脹差回升至-5.04 mm，汽輪機繼續升速，低壓缸脹差繼續向負向增長。

9∶12低壓缸脹差達-6.00 mm，汽輪機轉速為2 912 r/min，繼續定速暖機。9∶18低壓缸脹差回升至-5.83 mm，汽輪繼續升速。9∶20汽輪機升速至3 000 r/min，此時高壓缸脹差為-3.96 mm、中壓缸脹差為-4.69 mm、低壓缸脹差為-6.19 mm。

圖1 脹差控制情況

本次機組溫態啟動，由于啟動前低壓缸脹差已經為負值，通過合理選擇沖動參數，采取分段暖機并及時提高再熱汽溫的方法，有效地限制低壓缸負脹差在規定范圍內，確保了機組順利啟動并網，脹差控制情況見圖1。

6 結束語

綏電2臺百萬機組，在熱態 (極熱態)啟動過程中容易造成高壓缸負脹差超限，在溫態啟動過程中容易造成低壓缸負脹差超限，制約著機組安全啟動。通過分析與實踐，找到解決問題辦法，提高汽輪機啟動安全性。

［1］ 劉治國，李東峰.大型汽輪機轉子泊桑效應對脹差影響淺析［J］.機械工程師，2010，63(4):151-152.

［2］ 山西省電力工業局.汽輪機設備運行［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［3］ 吳普剛.汽輪機組冷態啟動過程脹差變化探析［J］.熱力發電，2007，36(8):72-73.

［4］ 鄭善和，徐 鴻.汽輪機軸向脹差實時在線監測的研究［J］.華北電力大學學報，2007，34(6):51-56.

［5］ 成 剛.發電廠集控運行 ［M］.北京:中國電力出版社，2004.

1 000 MW Steam Turbine Differential Expansion Control under Warm and Hot Starting

LIU Jian-hai，LIU Zhi-jie，REN Hong-wei
(Shenhua Guohua Suizhong Power Co.，Ltd，Huludao，Liaoning 125222，China)

In recent years，with the ultra supercritical 1 000 MW unit put into operation one after another，people have more understanding of high parameter，large capacity turbine.Especially for different types of units carries differential expansion characteristics under high，medium and low pressure.It makes an analysis and summary on negative differential expansion overreaching of Suizhong N1000-25/600/600 type steam turbine under warm and hot start-up process，and through the operation adjustment and parameter control，differential expansion overrun is prevented for the sake of steam turbine safety during start-up.

Ultra supercritical unit;Steam turbine;Differential expansion;Control

TK263

A

1004-7913(2012)01-0022-04

劉建海 (1963—)，男，大學本科，高級工程師，從事發電廠管理工作。

2010-10-15)