汽輪機脹差產生的原因分析與控制

司愛俊

摘要：在化工生產當中，汽輪機是十分重要的一項設備。本文主要針對化工汽輪機脹差的產生原因進行分析，介紹了化工汽輪機組起、停機和運行過程當中，發生工況變化時，氣缸和轉子膨脹的主要特點以及產生脹差的具體原因，并對脹差的變化規律進行探索和分析，最后總結了脹差的變化對運行所產生的影響，并提出具體的控制對策，希望能夠為工作人員在生產運行過程當中進行操作起到一些參考作用。

關鍵詞：汽輪機;脹差;產生原因與控制

0? 引言

化工汽輪機之所以產生脹差主要是因為轉子與氣缸之間存在著溫差，因此當轉子的膨脹比氣缸要更大時，則會產生正脹差，而當其小于氣缸時則會產生負脹差。但是，當渦輪機相對靜止時，膨脹差主要反映了靜態軸向間隙的變化。不管膨脹差太大還是太小，機組的軸向間隙都會逐漸消失，從而產生動態和靜態的摩擦，從而損壞機組。所以在機組的具體操作過程中需要對脹差進行嚴格控制，禁止其超過允許的極限值。在汽輪機運行期間，保持轉子和氣缸之間的軸向熱膨脹率非常重要。在機組的啟動，停止和特定運行過程中，由于渦輪轉子和汽缸的質量和熱膨脹系數不同，轉子的溫度上升速度快于軸承的溫度上升速度。一旦兩者之間的熱增長差異超過了渦輪機允許的間隙公差，就會在動態和靜態組件之間引起摩擦，從而損壞設備。因此在實際運行過程當中操作人員應對脹差進行嚴格控制，從而確保機組的正常運行[1]。

1? 脹差種類及產生的原因、危害

脹差的主要產生原因在于汽輪機的氣缸和轉子在受熱和受冷時，其傳熱系數存在著一定的差異，進而導致在受熱和受冷過程當中氣缸受熱或受冷膨脹與轉子不同所產生的脹差。而脹差具體可分為正脹差和負脹差，首先當轉子膨脹大于氣缸膨脹的過程中所產生的脹差為正脹差，反之則為負脹差。而在汽輪機的實際運行中，無論是正脹差還是負脹差都會對機組的使用與運行產生影響，因此需要嚴格的進行控制。脹差在汽輪機運行過程中不僅僅是一項重要參數，而且脹差不能出現過大的偏差，只有在起機、停機以及負荷突然大幅度出現變動的時候，由于對參數的人為控制出現錯誤，進而導致相關的脹差形成，而一旦其超過汽輪機所允許的極限值，則會使汽輪機動靜摩擦，導致震動增大，最后損壞設備，而嚴重情況下可能會將葉片打斷，從而使設備遭到嚴重的損壞，無法再繼續使用[2]。

1.1 產生正脹差的主要因素

汽輪機之所以出現正脹差主要因為在機組啟動時暖機的時間太短，進而導致升速太快或負荷的提升速度太快，從而產生了正脹差。此外，氣缸夾層以及法蘭加熱裝置的加熱氣溫過低或流量過低也會導致氣加熱的作用較弱。而如果軸封氣溫度過高或著封供氣流量過大，進而導致肘頸部位過分伸長，這也容易引起汽輪機出現正脹差。除此以外，雙層鋼的夾層中流入冷汽或脹差指示器零點不準或觸點磨損，進而引起數字偏差，而且真空變化、轉速變化、各級周期量變化等也都會造成十分明顯的正脹差。

1.2 產生負脹差的主要因素

汽輪機組在運行過程中產生負脹差的主要原因在于負荷迅速下降或突然甩負荷以及主氣溫突然降低、啟動時進氣溫度低于金屬溫度。除此之外，軸封氣溫度太低，軸向位移變化，軸承油溫太低等也都會導致汽輪機出現負脹差。在汽輪機啟動后進轉速度突然快速提升，而由于轉子在離心力的作用下，會使軸向尺寸不斷的縮小，因此會產生十分明顯的低差變化。而當氣缸夾層中流入高溫蒸汽之后，該蒸汽可能來自于既加熱裝置，也可能是進氣套管中所出現的漏氣或軸封漏氣現象[3]。

1.3 控制脹差的要點

在控制差異擴展時，我們應該把握要點。首先，應控制負荷的增加和減少的速度，這應根據機組的容量來確定，而且還應對汽輪機組的氣溫度變化率進行嚴格控制。其次，對于法蘭加熱裝置，啟動時應，氣缸和法蘭螺栓加熱裝置應該對其進行合理的使用。當高壓和中壓氣缸的壓差膨脹達到指定值時，需要使用法蘭加熱裝置，并對加熱裝置的進氣溫度和進氣量進行調整，使其能夠符合加熱的要求。而為了能夠對法蘭進行有效的加熱，并且避免加熱過度，應針對加熱蒸汽的溫度進行控制，與外壁溫度相比，溫度不得超過100-120℃。最后，使用密封管蒸汽供應來有效控制壓差膨脹。壓蓋蒸汽供應對差壓膨脹的影響主要取決于氣體供應的時間和溫度。氣體供應時間越長，對壓差膨脹的影響越大。冷啟動的主要目的不是使差分膨脹值太大。因此，在脈沖啟動前，應選擇一些溫度較低的氣源，以縮短軸封的供氣時間。熱啟動期間，應使用高溫氣源，以免在向油封供氣后產生負膨脹差。如果動態膨脹停機時間差為負，則可以將高壓氣源送至氣封，從而有效地控制轉子收縮。在這一過程中，主要是對脹差進行控制，而并非消除。

2? 脹差變化對運行的影響

2.1 機組不同工況下脹差的變化

機組在不同的工況下所產生的脹差變化也會存在著一定的差異，而具體包括以下幾種情況。

首先在氣輪機組正常運行時，轉子和氣缸的溫度是相對穩定的狀態，所以其膨脹值也同樣十分穩定，沒有出現較大的脹差值變化。

其次當汽輪機組異常運行時，如進氣量發生改變或出現其他操作錯誤等情況，轉子和氣缸的膨脹值也會隨著進氣量的改變而出現相應的變化，其脹差也會隨之發生改變。

最后在機組啟動或停止時對脹差也會產生一定的影響，如果汽輪機組為冷態啟動，那么轉子從沖轉到定速的這一過程當中，其加熱速度相對較快，而脹差也為正而且不斷的上升。

當汽輪機組熱態啟動時，機組內的氣缸整體溫度相對較高，而轉沖時的蒸汽在進入氣缸后與其接觸，由于蒸汽的溫度低于氣缸的溫度，所以會發揮出冷卻效果，此時所產生的脹差則為負值。而當汽輪機自身的負載減輕或者是停機時，機組內的蒸汽溫度也會不斷的降低，而由于轉子的溫度變化較大，所以下降速度也較快，進而與氣缸之間會呈現出負脹差。在汽輪機加載過程中，轉子與氣缸之間也會形成正脹差，而當機組啟動正常會不斷的上升，而當其停機時脹差也會進一步呈現出下降趨勢[4]。

2.2 脹差的變化對運行的影響

在汽輪機組的運行過程中，脹差的大小對其運行情況也具有著十分明顯的影響，脹差的變化對機組運行是十分重要的一項因素。同時脹差大小也對汽輪機組內部動靜部分軸向間隙的變化情況進行反應，因此無論哪條軸向間隙增大或者減小，都會導致機組內部的動靜兩部分之間出現摩擦，進而損害到機組內部的相關構件，縮短了汽輪機的使用壽命，情況嚴重時可能會產生安全事故。

3? 汽輪機脹差的控制對策

汽輪機在不同工況下所出現的脹差變化會對機組的使用造成影響，因此在汽輪機的運行過程當中，操作人員需要合理的控制正常。首先在蒸汽溫度升高和降低的過程中，其速度和負載也會不斷的出現升高與降低，因此需要進行嚴格控制，確保氣缸和轉子之間的溫度差保持在允許范圍內。其次，應對氣缸、法輪螺栓等加熱裝置進行合理使用，而且還應利用氣封供氣控制脹差，由于氣封供氣主要是通過對大軸溫度進行影響，使其產生收縮的方式來有效的控制脹差，因此在汽輪機穩定運行時如脹差發生變化，可通過對供氣時間和溫度來進行調整，從而穩定脹差[5]。

3.1 選擇合理的啟動參數

汽輪機的轉子熱狀態會隨著汽輪機的進氣參數的變化而變化，而且轉子的變化狀態要早于汽缸的熱狀態變化，這時就會導致機組的脹差出現變化。所以在汽輪機的機組運行中要想確保機組的沖轉要合理的選擇啟動參數。

3.2 軸封抽汽使用適當

與汽輪機大軸是直接接觸的是軸封抽汽器，所以它的溫度大小會對大軸的伸縮造成直接的影響，這會影響到脹差。在這個過程中汽輪機組的軸封抽汽器可以直接與軸封風機相連，這樣可以抽走汽封當中多余的蒸汽通過風機來實現。投入軸封風在機組在冷態啟動時沖轉前機，這樣可以有效的控制脹差的正值增大。如果脹差的正值增長速度過快就可以同時開啟兩臺風機。在熱態啟動時機組會進行沖轉前，所以為了防止轉子發生彎曲，應該禁止投入軸封風機。

3.3 沖轉過程中及時調整向空排汽閥開度

汽輪機在背壓蒸汽排空而向空排氣閥開度時會對上下缸溫度及脹差會產生直接影響。所以在在汽輪機沖轉過程當中，應對汽輪機的進氣量進行調整，從而合理地控制空排氣閥的開度，這樣一來可以有效的控制脹差，具有十分明顯的控制效果。

3.4 盡量縮短并網時間

由于汽輪機在啟動加熱過程中會產生脹差，而脹差在供熱管網合并前由排氣閥控制，在并網過程中，會使相空排氣閥逐漸關閉，因此，脹差也會向正值方向增大，此時，并網時間會縮短，這可以有效地減緩脹差的增長速度，并網后，機組可以達到穩定狀態[6]。

3.5 及時將各部位的汽封漏氣放進去

汽輪機在啟動后，如果漏氣壓力達到了相關要求，應針對各段氣封漏氣進行及時投入，減少大軸的加熱汽量，從而有效控制脹差正值增長速度。

4? 結束語

綜上所述，汽輪機在啟動、停機以及正常運行或出現異常時，其機組內的部件溫度差異所產生的膨脹變形，會對機組本身造成十分巨大的影響，因此需要對脹差的產生原因進行分析，并探討脹差對機組自身所造成的影響，分析脹差增加的原因和具體的機理，從而研究出能夠有效控制脹差的對策，使脹差能夠被控制在合理的范圍內，確保汽輪機的安全運行，從而延長汽輪機的使用壽命，使其能夠充分的應用到化工當中，提升汽輪機的經濟效益。

參考文獻：

[1]符禮冬.淺談化工生產設備維修與保養[J].江西化工，2019（06）：17-19.

[2]李會元，王武鳳，王春波，聶仁賓.化工工藝及化工設備適應性設計[J].化工設計通訊，2019，45（11）：69-70.

[3]周旭.140萬噸/年催化裂化裝置的煙氣輪機節能改造關鍵技術研究[D].華東理工大學，2016.

[4]李玉超.催化裂化裝置中煙氣輪機長周期運行問題研究[D].北京理工大學，2016.

[5]顏朗斌.化工汽輪機脹差產生的原因分析與控制[J].石化技術，2016，22（01）：98.

[6]蘭州石油化工公司機械廠致力于煙氣輪機向其他領域的推廣與應用[J].中外能源，2016，13（S1）：81.