600MW機組溫態啟動下低壓缸負脹差大的分析與處理

劉文星

（廣東省揭陽市惠來縣靖海電廠，廣東 揭陽515223）

0 引言

近年來，隨著廣東沿海的大型發電機組大規模投產發電，發電市場競爭日趨激烈。在此背景下，眾多600MW超臨界機組參與假日調峰停機的頻率日益增加，超臨界機組面臨著更多的溫態啟動工況。靖海電廠＃1機組為東方汽輪機廠生產的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，型號為 N600－24.2／566／566。所謂溫態啟動，根據中壓內缸上半內壁溫T的高低來定義，即當305℃≤T＜420℃時，汽輪機啟動即為溫態啟動。

1 溫態啟動下低壓缸負脹差大案例分析

1.1 案例工況

＃1機組在最近幾次的溫態啟動過程中都發生了低壓缸負脹差大的問題，尤其以最近一次＃1機組沖轉時最為嚴重。汽輪機轉子與汽缸的相對膨脹的差值，稱為脹差。習慣上規定轉子膨脹大于汽缸膨脹時的脹差值為正脹差，汽缸膨脹大于轉子膨脹時的脹差值為負脹差。

具體的情況是，在溫態啟動過程中，中速暖機結束升速3 000r／min過程中，隨著轉速上升，高、中、低壓缸脹差值均有減小的趨勢，高中壓缸脹差基本保持在合理范圍，而低壓缸負脹差最低達到－6mm左右，接近跳閘值－8mm，高中壓缸幾乎不變。這主要是因為隨著轉速的升高，離心力增大，轉子軸向的分力也增大了，從而使轉子變粗縮短（泊桑效應）；同時經過中速暖機，汽缸溫度逐漸上升，汽缸的膨脹速度也在上升，相對遲滯了轉子的膨脹值，進而出現脹差負值現象。

此次溫態啟動，＃1機沖轉參數為：主汽壓7.8MPa，主汽溫472℃；再熱汽壓0.1MPa，再熱汽溫290℃，再熱煙氣擋板開度13%，在摩擦檢查后逐步開大；低壓缸進汽溫度169℃，值得注意的一點是，這個溫度最低低到121℃。

1.2 影響因素分析

可能使低壓缸脹差向負值增大的主要因素有：

（1）負荷迅速下降或突然甩負荷。

（2）主汽溫驟減或啟動時的進汽溫度低于金屬溫度。

（3）水沖擊。

（4）汽缸夾、法蘭加熱裝置加熱過度。

（5）軸封汽溫度太低。

（6）軸向位移變化。

（7）軸承油溫太低［1］。

（8）啟動時轉速突升，由于轉子在離心力的作用下軸向尺寸縮小，尤其低差變化明顯。

（9）汽缸夾層中流入高溫蒸汽，可能來自汽加熱裝置［2］，也可能來自進汽套管的漏汽或者軸封漏汽。

（10）汽缸夾層加熱裝置汽溫太高或流量太大，引起加熱過度。

（11）滑銷系統或軸承臺板滑動卡澀，汽缸不會縮回。

（12）脹差指示不準或頻率、電壓變化。

（13）真空過高，相應排汽室溫降低。

這其中，刨除工況以及一些機械性的不可控因素，可能對＃1機沖轉時低壓缸脹差負向增大造成影響且是我們運行中可控的因素有主汽溫、軸封溫度、轉速、軸承溫度、真空。

1.3 具體原因分析

1.3.1 汽溫對低壓缸負脹差的影響

＃1機組采用中壓缸啟動方式，再熱汽進入中壓缸做功后排入低壓缸，在這個過程中，如果主再熱汽溫度較低，就很容易造成低壓缸進汽溫度低，此時轉子的余溫高于中壓缸排汽，低壓缸和轉子就受到中壓缸排汽的冷卻作用，而由于低壓轉子比缸體受冷更快，造成了脹差的負向增大［3］。

1.3.2 轉速對低壓缸負脹差的影響

根據泊桑效應可知，轉子高速旋轉時，受離心力的作用，轉子將發生徑向和軸向變形，變粗變短。低壓轉子由于其工況條件需要，本身就比較長，葉輪的重量大，所以在沖轉時，低壓轉子的泊桑效應更明顯，而這一過程中，汽缸并不受影響，所以會造成負向脹差的增大。

1.3.3 真空對低壓缸負脹差的影響

在沖轉階段，當真空較高時，低壓缸排汽阻力小，排汽室溫度降低，使轉子受冷，與此同時，沖轉所需的蒸汽量也要減少，這樣就不利于再熱汽部分的較低溫蒸汽快速排出低壓缸，使轉子受冷的時間延長，也會造成低壓缸的負向脹差增大。

1.3.4 軸封溫度對低壓缸負脹差的影響

此次啟動過程中，軸封溫度A、B低壓缸分別為170℃和121℃，對于低壓轉子應該會有一個冷卻效果，但其只是對于低壓轉子軸承端進行冷卻，軸封段占轉子總長度的比例不大，其對于低壓缸的總脹差的作用應不大。而由于當時軸承油溫控制在合理值，故對于脹差沒有影響。綜上所述，沖轉的過程中低壓缸負脹差逐漸增大的主要原因是低壓缸進汽溫度較低，轉子受到冷卻，比汽缸收縮快；次要原因是沖轉過程中的泊桑效應造成轉子自然收縮。

2 遏制負脹差大的應對措施

由低壓缸負脹差產生的原因可知，溫態啟動沖轉時，遏制低壓缸負脹差變大的要點有兩個，一是盡量提高再熱汽的溫度，二是盡快排掉流經低壓缸的不合格蒸汽［4］。

鑒于此，我們可以采取以下措施：

（1）盡量提高沖轉參數，尤其是主蒸汽的溫度。由于再熱汽來自主蒸汽經高壓缸的排汽，提高主蒸汽的溫度就能使再熱汽的溫度得到提升。

（2）在沖轉前，盡量開大煙汽擋板，以便提高再熱汽的溫度，但同時要注意再熱器的管壁溫度。再熱器的溫度測點裝在再熱器進出口集箱上，離真正的再熱器受熱面還有一定的距離，但可以作為參考。

（3）沖轉時，可以將凝汽器真空適當降低，提高低壓缸排汽壓力和溫度。可以在沖轉過程中，有更多的蒸汽流經機組。

（4）可以考慮在沖轉過程中隨機投入高低加，以加大汽輪機的進汽量，使冷汽盡快排出汽輪機，同時也可以配合再熱器煙汽擋板，使擋板更快開大，達到再熱的作用，提高再熱汽溫。

（5）泊桑效應影響機組低壓脹差約10%，所以在開機沖轉前，低壓脹差應盡量保持在10%以上。換言之，沖轉時低壓脹差應為正值，且有一定的示數。可以適當采用較低的升速率，并在1 500r／min做適當暖機停留，避免泊桑效應跟低溫蒸汽共同作用，造成低壓缸負脹差過大跳機的嚴重后果。

（6）為了防止脹差變化過快，并網后應在低負荷狀態下暖機一段時間，具體的低負荷暖機時間由汽缸上／下壁溫度、調節級溫度和脹差的變化趨勢來定。只有脹差值出現下降趨勢后才能開始逐步升負荷，且應保持較低的升負荷速度；升負荷過程中，一旦脹差又出現上漲且增速較快時，應當適當地減緩升負荷速度甚至停止升負荷繼續暖機，待脹差穩定后才能繼續升負荷。

3 結語

溫態啟動時，為了防止低壓缸負脹差過大，在檢查確認各項工作有序推進的情況下，要盡快升速、并網和帶負荷，并使負荷匹配汽缸溫度所對應的水平。至于沖轉的蒸汽溫度，當然應該滿足溫態啟動的要求，否則如果再和其他一些不利因素疊加在一起，就有可能發生動靜部分摩擦事故。

［1］王燦文.石橫電廠汽輪機差脹換型有關問題的探討［C］／／全國火電300MWe級機組能效對標及競賽第三十九屆年會論文集，2010.

［2］馬超.淺議汽輪機脹差形成的原因、危害及控制措施［J］.時代經貿，2013（14）.

［3］周輝，丁亮.汽輪機脹差產生的原因分析與控制［J］.應用能源技術，2011（7）.

［4］李偉.哈汽660MW超超臨界汽輪機溫態沖轉抑制負脹差過大的控制策略探討［C］／／全國600MW級大型汽輪機優化改造經驗交流會論文集，2013.