#1燃氣輪機#2脹差異常變化的原因與處理對策

盧志偉

【摘 ?要】汽輪機脹差的變化是影響機組啟停時間的重要因素之一，也是影響機組安全、穩定、經濟的關鍵因素。本文介紹了杭州華電半山發電有限公司#1燃氣輪機中的#2脹差在機組啟停過程中異常變化的原因，產生的影響，以及采取的應對措施。

【關鍵詞】脹差;機組啟停;轉子;氣缸

0 引言

在燃氣輪機日常啟停、運行過程中，轉子與氣缸保持基本一致的軸向熱膨脹率對于脹差的控制是非常關鍵的。然而，由于設備材質因素的影響，汽輪機轉子與氣缸的質量、熱膨脹系數等不盡相同，就造成轉子與氣缸受熱后金屬溫度上升速率不同，兩則之間的間隙就會發生變化，情況嚴重時動靜部分會發生摩擦，對汽輪機葉片構成損傷，甚至引起嚴重的設備事故，因此為了保證機組的安全穩定運行，嚴格控制脹差的變化則顯得意義重大。

1 脹差產生的原因、種類及危害

脹差的產生主要是由于汽輪機氣缸與轉子在受熱或受冷時兩者的傳熱系數不一樣使得在受熱或受冷時氣缸的膨脹相對于轉子不同而造成的。當汽輪機在啟動加熱、停機冷卻過程中，或是在運行中工況變化時，汽輪機的氣缸和轉子會發生熱膨脹或冷收縮，由于轉子的受熱表面積比氣缸大，轉子的質量比相對應的氣缸小，兩者的傳熱系數不同，而在相同條件下，轉子的溫度變化程度比氣缸明顯，從而使得轉子與氣缸之間產生了膨脹差，而這差值是指轉子相對于氣缸而言的，當轉子的軸向膨脹大于氣缸的軸向膨脹時，稱為正脹差;反之當轉子軸向膨脹小于氣缸膨脹時，稱為負脹差。

產生正脹差主要由以下原因引起：

（1）啟動時暖機時間太短，升速或加負荷速率太快;

（2）機組啟動時，進汽壓力、溫度、流量等參數過高;

（3）軸封汽溫度過高或軸封汽流量過大，造成軸徑過長;

（4）推力軸承磨損，造成軸向位移增大;

（5）氣缸保溫層保溫效果不佳或保溫層脫落;

（6）脹差指示器零點不準或觸點磨損，引起數值偏差;

（7）滑銷系統或軸承臺板的滑動性能差，容易卡澀;

（8）真空、轉速變化的影響;

（9）軸承油溫過高;

（10）機組停機惰走過程中的“泊松效應”所致。

產生負脹差主要有以下原因引起：

（1）負荷迅速下降或突然甩負荷;

（2）主汽溫度驟減或機組啟動時進汽溫度低于金屬溫度;

（3）由于各種原因而引起的水沖擊;

（4）軸封汽溫度過低或流量太小;

（5）軸承油溫太低;

（6）軸向位移變化;

（7）機組啟機加速過程中的“泊松效應”所致。

在機組實際啟停、運行中，無論正脹差還是負脹差都會對機組造成影響，因此作為運行人員必須要嚴密監視、嚴格控制。一般情況下下，脹差在機組正常運行過程中不會出現很大的偏差，而是在機組啟停階段、負荷大幅度變化情況下會出現較大變化，一旦脹差超限則會使動靜葉片的軸向間隙變小，導致動靜部件之間發生摩擦，引起機組振動加劇，甚至造成嚴重的設備損壞事故。

2 啟停機過程中不同階段的脹差變化

2.1 軸封投入階段

熱態啟機過程中，當軸封進汽后，由于軸封溫度遠低于汽輪機缸內金屬溫度，轉子受冷收縮明顯，負脹差加劇，當負脹差達到-4mm時將閉鎖啟機，而冷態啟機時正脹差明顯，因此運行人員要根據機組高壓缸當前缸溫選擇機組啟動方式（溫度低于204℃時選擇“冷態”，溫度介于204℃與371℃之間時選擇“溫態”，溫度大于371℃時選擇“熱態”），嚴格遵守軸封投入時間，熱態啟動提前2小時投入，冷態啟動提前4小時投入，從而嚴格控制脹差的變化，保證機組能夠正常、安全啟動。

2.2 升速加負荷階段

該階段下，機組的脹差總體趨勢是不斷增大的，這是由于蒸汽參數的提高，進入汽輪機內的蒸汽流量、溫度在不斷升高，蒸汽與轉子、氣缸的熱交換加劇，此時表現為正脹差幅度明顯。而當轉速達到3000r/min時，脹差的曲線會有一小段的下降趨勢，這是由于轉子的“泊松效應”所致，當轉子高速旋轉時，受離心力的作用，使轉子發生徑向和軸向變形，大軸在離心力的作用下變粗變短，此時出現負脹差現象。

2.3 正常運行階段

汽輪機在穩定工況的情況運行時，轉子和氣缸同金屬溫度，并與蒸汽溫度相近，脹差趨于穩定值。

2.4 減負荷階段

當機組處于減負荷或是停機階段，流經汽輪機的蒸汽溫度低于金屬溫度，此時表現為負脹差幅度明顯。當轉速由3000r/min下降過程中，脹差的曲線會有一小段的上升趨勢，這同樣是由于轉子的“泊松效應”所致，當轉速降低時，離心力的作用減小，大軸的徑長又回到原來的狀態，變細變長，從而出現正脹差現象。

3 #2脹差異常變化分析及處理

本廠的 #1燃氣輪機在汽輪機的#3、#4軸承出分別安裝了1號脹差探測器（DEDP-1）、2號脹差探測器（DEDP-2），用來測量這兩個軸承的振動值。當#3軸承處的1號脹差探測器（DEDP-1）檢測到脹差過大或過小，從而觸發脹差跳機，其中報警值為-0.97mm或+2.97mm，跳機值為-1.73mm或+3.73mm;當#4軸承處的2號脹差探測器（DEDP-2）探測到脹差過大或過小，同樣會觸發脹差跳機，其中報警值為-4.72mm或+8.71mm，跳機值為-5.48mm或+9.47mm。

在某日夜班的冷態啟機過程中，當軸封汽通入一段時間后，運行人員監盤時發現#2脹差值突然開始降低，持續降低至-13.6mm，已經遠遠超出跳機值-5.48mm。而正常情況下，當軸封汽投入后，機組脹差值總體是呈上升趨勢的，因此認定這樣的異常下降明顯不符合正常規律。

發現問題后立即進行針對性分析，通過一系列檢查、分析、驗證后發現，導致此次#2脹差值異常變化的原因是4號軸承處軸封汽存在外漏現象，嚴重干擾到#2脹差探測器的正常工作。

由于機組設計構造的原因，#1脹差值只受到軸的變化影響，而#2脹差值會同時受到軸和缸體變化的雙重影響，導致#2脹差值變化相對于#1脹差值變現得更明顯，對機組的安全影響也更大。因此為了避免#2脹差探測器由于外界干擾或是自身故障等原因引起機組跳機事故的發生，在4號軸承出新增#2B脹差探測器（DEDP-2B），DEDP-2B的值在Mark 6的振動界面上顯示，其報警與跳機值與原#2脹差（DEDP-2）一致。

同時對#2脹差跳機邏輯保護進行了修改（以下兩條“或”關系）：（1）DEDP-2報警且DEDP-2B跳機值觸發機組跳閘;（2）DEDP-2B報警且DEDP-2跳機值觸發機組跳閘。

4 結束語

汽輪機脹差是影響機組啟停時間、安全、經濟的重要因素之一，而引起脹差變化的因素有很多，因此作為運行人員在機組啟停機階段、運行期間要兼顧監視并調整好每一個相關聯的參數，必須銜接好每一個關鍵環節，整體與局部有機統一起來，將脹差值控制在正常范圍內，從而保證機組的安全經濟運行。

參考文獻：

[1]杜中梁.汽輪機脹差原理及控制[J].能源與節能，2017（01）：108-109.

[2]郭文斌.汽輪機原理[M].北京：電力出版社，1996.

（作者單位：杭州華電半山發電有限公司）