300 MW汽輪機脹差影響因素與控制

劉芳軍,李衍平

(華電國際萊城發電廠,山東 萊蕪 271100)

300 MW汽輪機脹差影響因素與控制

劉芳軍,李衍平

(華電國際萊城發電廠,山東 萊蕪 271100)

脹差是影響汽輪機啟動速度和機組安全運行的重要參數,介紹了脹差產生的原因以及計算公式,分析了300 MW汽輪機在運行、裝置結構和系統初參數等方面影響脹差的因素,提出了減少脹差的方法及變工況過程中脹差控制的要點。

汽輪機;脹差;冷態啟動;汽缸;滑銷系統

1 前言

隨著高參數、大容量汽輪發電機組的陸續投產,轉子軸系和汽缸的變大,在機組啟停時都會受到很大的熱應力、發生很大的熱變形,從而產生脹差。如果轉子比汽缸膨脹的大,就產生正脹差;如果轉子小于汽缸的膨脹,就會產生負脹差。脹差的大小反應了汽輪機內部級間軸向間隙的變化。如果脹差超限,級間的軸向間隙消失,汽輪機就會發生動靜摩擦,引起機組振動,發生轉子彎曲的惡性事故。因此,研究和控制汽輪機啟停時脹差的變化對汽輪機的安全運行具有非常重要的意義。

2 脹差產生的原因

2.1 產生機理

金屬構件在受熱后體積會發生膨脹,膨脹方向會隨著長、寬、高三個方向按比例增大。具體由膨脹系數決定。另外在對流換熱中,對流換熱系數和流體流速也會對膨脹系數產生影響[1]。高壓汽輪機從冷態到正常運行,金屬溫度變化十分大,因此汽缸的軸向、水平和垂直方向的尺寸都會發生很大改變。

在機組啟動時,高壓汽輪機的高壓缸質量很高,而轉子的質量較輕,一般情況下,轉子的質量只有汽缸質量的1/3到1/4,但是在運行中轉子接觸蒸汽的面積是汽缸接觸蒸汽的面積的 5倍。由質面比的定義可知,在汽輪機啟動過程中,轉子將較快的被加熱,平均溫度也升高較快,但是汽缸的平均溫度卻升高很慢,這樣在汽輪機轉子與高中壓缸之間就會產生溫差,即脹差[2]。汽輪機滑銷系統圖如圖1所示。

2.2 脹差的計算公式

軸向相對值是由汽輪機轉子和軸承座之間的推力軸承確定的,汽缸貓爪下面的橫、縱銷確定了汽缸與軸承的相對位置變化范圍,推力軸承的位置就是轉子和汽缸軸向膨脹差值的相對平衡點。假如汽輪機轉子相對高中壓缸進汽中心截面推力瓦的距離為l,并且汽輪機轉子從推力瓦面距離次位置一段的汽輪機轉子的平均溫升為Δt,那么汽輪機轉子相對該截面上產生的的相對膨脹值為Δlz與此同時,高中壓缸相對該截面上產生的相應膨脹值為所以可以計算出汽輪機轉子與高中壓缸的膨脹差值為：

圖1 汽輪機滑銷系統圖

在計算過程中我們將汽缸和轉子看成是由多段組成的,因此每段的膨脹差值可以通過其在常溫下的長度和平均溫差求出,末端的膨脹差值為固定點到該處中間各段平膨脹差值的代數和。

2.3 脹差的允許范圍

脹差對汽輪機的安全運行影響很大,帶來的危害性也很大。不僅對使汽輪機主機壽命縮短,嚴重時甚至造成機組損壞事故。為此一般汽輪機都有規定的脹差報警值、手動停機值。如表1所示：

表1 300 MW汽輪機的脹差允許范圍

3 影響脹差的因素

3.1 機組運行工況對脹差的影響

冷態啟動時脹差的變化。汽輪機冷態啟動時,汽輪機脹差總體表現為正脹差[3]。從沖轉到定速階段,汽缸和轉子溫度要發生變化,因為轉子加熱快,汽輪機的正脹差呈上升趨勢,對于采取中壓缸啟動的機組,這階段脹差變化主要發生在中壓缸。低壓缸的脹差變化不但受到摩擦鼓風熱量的影響,而且還要受到離心力影響。當汽輪機轉子進入3000轉時,啟動過程結束時侯,轉子和汽缸正脹差值到達最高值。

冷態沖轉時,主汽壓力一般選取4.2MPa,主汽溫選擇420℃,采用高壓缸啟動方式,其過程為：汽輪機掛閘后,首先開啟1、2號中聯門,輸入閥限100%后,中壓主汽門打開,在DEH沖轉畫面上選擇TV控制,輸入300 r/min的升速率,1～6號高壓調門全開,在大機轉速600 r/ min時進行摩擦檢查,摩擦檢查結束后,繼續沖轉至2400 r/min時進行中速暖機。當再熱汽溫達到260℃時,計算中速暖機時間,中速暖機一般3個小時,暖機結束后,升速到2900 r/min進行TV/GV切換,然后升速至目標轉速3000 r/min。整個沖轉升速過程參數變化如圖2所示。

圖2 沖轉升速過程脹差變化情況

圖3 升負荷時脹差變化情況

1)熱態啟動時脹差的變化。熱態啟動時汽輪機轉子、高中壓缸和低壓缸的金屬溫度尚沒有冷卻下來,溫度比較高。若沖轉時蒸汽溫度低于汽缸溫度,則蒸汽進入汽輪機后對轉子和汽缸起冷卻作用,則會出現負脹差。尤其對極熱態啟動,幾乎不可避免地會出現負脹差[4]。

2)甩負荷或正常停機時脹差的變化。當汽輪機甩負荷或正常停機時,隨著機組負荷的降低,流過汽輪機通流部分和轉子的蒸汽溫度低于金屬溫度。轉子質量比較小,與蒸汽接觸面積相對大,所以轉子比汽缸冷卻快,即轉子比汽缸收縮的多因而出現負脹差。

現在停機普遍采用滑參數停機,隨著負荷的降低逐漸的降低,主再熱汽溫直到350℃、負荷最低時停機解列,這樣既縮短機組檢修工期,提高了經濟效益?；瑓低C時脹差變化如圖4所示。

圖4 滑參數停機時脹差變化情況

從圖4可見,隨著負荷的下降,主、再熱汽溫的下降,脹差也是下降的。雖然汽溫會出現升高的反復現象,但對汽缸的膨脹下降沒有影響。只要控制好汽溫的變化速率就能控制好脹差的變化。

3.2 汽缸結構對脹差的影響

1)大多數汽缸都設有水平法蘭,水平法蘭在升速過程中溫度比汽缸要低,它阻礙汽缸的膨脹,引起脹差增大。

2)運行中滑銷系統的滑動面之間存在阻力,會引起脹差增大。

3)由于汽缸保溫措施不完善、抽汽管道多,可能引起汽缸溫度分布不合理且偏低[5],從而影響汽缸的膨脹不完全,使汽輪機脹差增大,汽缸疏水不暢也可能導致下缸疏水冷卻、溫度降低,使得汽缸膨脹受影響,從而引起上缸變形、向上拱起,致使相對脹差發生變化。

4)轉子高速旋轉時,受離心力作用,使轉子發生徑向和軸向的變形[6]。即轉子在離心力的作用下變短、變粗,即泊松效應。對于大容量機組,因轉子很長,離心力會對脹差產生影響。

3.3 汽輪機初參數和真空對脹差的的響

1)汽輪機沖轉前,向軸封供汽時,由于冷態啟動時軸封供汽溫度高于轉子溫度,轉子局部受熱而伸長,會出現正脹差,還可能出現軸封摩擦的現象。

2)真空的變化會引起脹差值的改變。當真空降低時,為了保持機組轉速不變,必須增加進汽量,摩擦鼓風損失增大,因而使高壓轉子受熱加大,其正脹差值隨之增大,低壓轉子鼓風摩擦造成的正脹差有所減少。當真空提高時,則相反,使高壓轉子脹差減小。

4 減小脹差的措施

1)在機組冷態啟動時,主要是控制機組的正脹差,在運行時可以通過合理使用汽缸法蘭螺栓加熱裝置,使汽缸與轉子的膨脹相適應,縮短沖轉前汽封供汽時間,并采用較低溫度的汽源,控制好溫升率和升速率,控制好加負荷速度,使機組均勻加熱,延長中速暖機時間,暖機時要采用有利于高壓脹差降低的方法。如果是低壓脹差大,可適當提高排汽缸溫度。

2)汽機熱態啟動時,為了減少脹差變化應采取的措施是：熱態啟動前,脹差往往是負值[7]。啟動時轉子和汽缸溫度高,若沖轉時蒸汽溫度偏低,蒸汽進入汽輪機后對轉子和汽缸起冷卻作用,使脹差負值還要增大,所以,在啟動的前一階段,主要是控制負脹差過大,而在后一階段應注意脹差向正的方向變化。

3)機組正常啟動過程中,應采取以下措施來控制脹差過大,沖轉前應保持汽溫高于汽缸金屬溫度50～100度,如果汽壓較高,汽溫還應適當再提高[8],以防轉子過度收縮,軸封供汽采用高溫汽源,以補償轉子的過度收縮。

4)真空維持高一些,升速要快一些,避免在低速時多停留而導致機組冷卻,從而使負脹差增大。

5)采用合適的法蘭和螺栓加熱系統,使法蘭溫度也能隨著蒸汽溫度而上升,可使脹差減少。在汽輪機啟停過程中使用汽缸法蘭和螺栓加熱裝置,小型機組主要采用汽缸法蘭和螺栓的溫度隨著蒸汽參數的變化來提高或降低,盡量減小汽缸外部和內部、法蘭里外、汽缸和法蘭、螺栓與法蘭的溫差,使得汽缸在膨脹時迅速,并且收縮時也迅速,把脹差控制在正常范圍內[9]。

5 脹差在線檢測系統應用

現代大型電站大都采用DCS系統對汽輪機實時運行提供控制,DCS系統由網絡[10]、操作站、工程師站、高級計算機站、管理網網關、系統服務器、現場控制站和I/O現場控制站組成。而脹差在線檢測系統是DCS系統或廠級監控信息系統系統 (SIS)中的一個主要功能模塊,對汽輪機高壓缸、中壓缸和低壓缸的脹差實現數據的采集、處理、保存和全面監控,并對傳輸的脹差數據進行分析決策。

300 MW機組正常運行中,脹差傳感器固定在缸體上,而傳感器的被測金屬表面鑄造在轉子上,因此,汽缸和轉子受熱膨脹的相對差值稱為“脹差”(一般將轉子的膨脹量大于汽缸的膨脹量產生的差值做為 “正脹差”,反之為 “負脹差”)。根據 “輸出電壓與被測金屬表面距離成正比”的關系,該差值被渦流傳感器測得,并利用轉子上被測表面加工的8°斜坡將傳感器的測量范圍進行放大,其換算關系為：

δ=L×sin8°

式中δ：傳感器與被測斜坡表面的垂直距離; L：脹差。

如果傳感器的正常線性測量范圍為4.00 mm (即δ=4.00 mm),則對應被測脹差范圍L為：

L=δ/sin8°=4.00/sin8°=28.74

由上式可知：脹差傳感器利用被測表面8°的斜坡將其4.00 mm的正常線性測量范圍擴展為28.74mm的線性測量范圍,從而滿足了對0～20 mm的實際脹差范圍的測量。傳感器將其與被測斜坡表面的垂直距離轉換成直流電壓信號送至前置放大器進行整形放大后,輸出0～24V DC電壓信號至3300/46斜坡式脹差監測器,分別將A、B傳感器輸入的信號進行疊加運算后進行脹差顯示,并輸出開關量信號送至保護回路進行報警和跳閘保護。同時輸出0～10 V DC、1～5V DC或4～20 mA模擬量信號至記錄儀,然后傳輸到脹差在線檢測系統進行實時顯示和監控。

6 結束語

對汽輪機暖機、升負荷和滑參數停機過程中脹差的變化分析,可以看出：隨著汽輪機機的運行工況不同、汽輪機汽缸結構不同、以及汽輪機的初參數和真空不同,其脹差的控制方式是完全不一樣的。在300 MW汽輪機啟停過程和正常運行過程中,合理的控制主、再熱汽溫的變化速率,控制好暖機的初參數和時間,控制好軸封供汽參數和法蘭螺栓加熱裝置的投切時機等,合理保證暖機的效果,就能將脹差控制在安全范圍內,保證整個軸系的安全運行,避免引起惡性的安全事故。脹差在線檢測系統有助于及時及時調整機組運行方式和相關參數,有效地控制汽輪機的脹差在合理范圍內。

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Analysis on the Influencing Factor and Control Method of Expansion-difference of 300 MW Turbine

LIU Fangjun,LI Yanping
(China Huadian Laicheng Power Plant,Laiwu,Shandong 271100)

Expansion-difference is the important factor of the turbine start-up speed and safe operation for unit.The research of the expansion-difference in varying operating conditions of unit has practical significance.The article introduced the reason of differential expansion and computational formula,through the analysis of the factors in operation,equipment structure and parametric variation of 300MW turbine.offered the methods of reducing the differential expansion and differential expansion control key points in variable operating conditions of turbine.

Turbine;Expansion-difference;cold starting;steam cylinder;sliding key system

TK262

B

1006-7345(2014)03-0050-04

2013-12-31

劉芳軍 (1972),男,工程師,華電國際萊城發電廠,從事火力發電廠鍋爐、汽輪機、發電機集控運行管理方面工作 (email)Lcdc009@163.com。