汽輪機熱態啟動負脹差控制改造研究

周信 劉洪文 秦亞迪 秦鋒

（1 中海油深圳電力有限公司 廣東深圳 518120 2 中海石油氣電集團有限責任公司技術研發中心 北京 100084）

0 引言

汽輪機脹差指轉子膨脹伸長值與汽缸膨脹伸長值之間的差值，是反映汽輪機運行狀態的重要參數［1］。汽輪機啟動對汽輪機正常運行起到重要作用，由于啟動過程中，汽輪機各級前后的溫度和蒸汽壓力發生變化，其通流部分、汽缸和轉子的金屬溫度也有相應變化，產生了脹差［2-3］。脹差分為正脹差和負脹差，汽缸膨脹大于轉子膨脹時為負脹差，說明靜葉與動葉入口間隙減?。?-5］。脹差過大，會造成主機脫扣、轉子彎曲、機組振動等問題，甚至會造成較大事故［6］。

深圳某電廠采用東方汽輪機廠生產的LN78-7.6 型單軸、單缸雙壓進汽凝汽式汽輪機，于2003 年建成投產，配套SIEMENS 公司V94.2 燃氣輪機使用。投產初期因熱態啟機時負脹差達到跳機值無法啟機運行，將汽輪機轉子后移1 mm，并將負脹差跳機值由-1.8 mm 調至-3.0 mm 后，才可以熱態啟動運行，但未徹底解決上述缺陷，有時熱態啟動也會因負脹差大而跳機。2012 年SIEMENS 燃機進行國產燃機替換改造，燃機的排氣參數下降導致汽機主汽參數下降，汽機熱態啟動因負脹差大而無法啟動，最大脹差顯示值常處在-2.7～-2.8 mm水平。電廠提高沖轉的主汽溫度和前軸封供汽溫度，還是無法避免機組因負脹差大而跳機。

本文研究汽輪機產生負脹差的原因，并提出通流優化改造的方法，根據改造后的數據給出脹差保護定值，解決汽輪機熱啟動負脹差大的問題。

1 負脹差原因分析

機組運行時脹差保持在-0.8～-0.6 mm，主要由于汽缸與轉子采用不同金屬材料，因熱膨脹系數不同引起的。前汽缸材料為鑄鋼ZG15CrMo1，汽缸中部和后部采用20 號鋼，轉子材料為30CrMo1V，3 種材料的線膨脹系數（20～600 ℃內）實測平均值分別為：14.13×10-6、14.38×10-6、14.00×10-6mm/℃。由此可見，轉子線膨脹系數小于汽缸線膨脹系數。機組在穩定運行時加熱充分后，轉子各截面上溫度與對應汽缸相同截面上溫度相同，汽缸與轉子處于基本相同的受熱或冷卻條件下，各截面溫度基本相同，脹差基本上是由于轉子與汽缸材料線膨脹系數不同而產生的。

在停機后負脹差繼續增大，主要由于該機采用單缸、單層結構，上下汽缸保溫相當厚，而轉子中心為100 mm 的空心孔。停機和破壞真空后，冷空氣進入缸內，轉子與低溫空氣發生對流和熱傳導，轉子冷卻速度大于缸體冷卻速度。

熱態沖轉時負脹差繼續增大，主要是由于沖轉時主汽調門開度小，沖轉蒸汽的節流溫降效應明顯，蒸汽溫度較轉子、缸體金屬溫度低，轉子受冷較汽缸快。另外熱態啟動時軸封汽溫也較轉子軸封段金屬溫度低，造成轉子受冷而收縮快，產生負脹差。

由于上述原因，設備材料及啟動方式（已按原電力標準參數沖轉）、機組運行模式無法改變。本文采用增大軸向通流間隙、放大負脹差定值的方式來滿足機組熱態啟動要求，并進行揭缸、吊轉子、隔板加工等工作。

2 隔板加工

上一次大修后通流軸向最小間隙為第二級B：2.88 mm。結合機組設計熱膨脹曲線和以上通流數據分析，機組高壓1～14 級軸向通流間隙與對應位置脹差值相比偏小。如機組負脹差超標情況下，最有可能發生碰磨的部分也應在前14 級。機組運行時軸向相關間隙見圖1。

圖1 軸向尺寸示意圖

第1～14 級隔板因結構差異，理論加工余量在0.5～1.5 mm不等，各隔板補充加工實際量按大修時現場實際測量值確定。對機組通流軸向間隙每隔45°進行測量記錄數據，從中取最小值做為隔板加工量的控制依據。通過精確測量軸向通流間隙，考慮到既不減小正向間隙（正脹差方向，防止冷態啟動時動靜碰磨），又不影響發電機磁力中心，決定不移動轉子，只對隔板進行補充加工。按照安全性原則，取設計加工量偏上限，加工數據見表1。

表1 隔板加工數據表 單位：mm

3 軸向間隙變化

隔板加工后對機組通流軸向間隙每隔0°和90°進行測量，數據對比見表2，并從上述數據中取最小值做為脹差保護定值的選取依據。

表2 隔板加工后通流軸向間隙表 單位：mm

將汽機前軸封首段更換為刷式汽封，其余汽封未更換。修改后汽封軸向間隙見表3，其中，X 為高齒向前，Y 為高齒向后，轉子貼死工作面。

表3 軸封軸向［設計值（5 ±0.2）mm］間隙表 單位：mm

1～12 級動葉為倒T 型葉根。13 和14 級動葉為外包小角倒T 型葉根，該葉根為周向裝配，末葉片用鉚釘鎖緊。鉚釘高出葉輪端面，鉚釘與隔板的軸距過小也可能產生碰磨，葉根鉚釘與隔板軸距見表4。

表4 葉根鉚釘與隔板軸向間隙表 單位：mm

隔板汽封與大軸凸肩軸向間隙如表5。

表5 隔板汽封與大軸凸肩軸向間隙表 單位：mm

機組動靜部分無軸向移位，故葉頂汽封軸向間隙不變。從這些表格可以看出，隔板補充加工后，增大了其動靜軸向間隙，達到優化設計要求。

4 脹差保護定值

汽輪機廠家短期處理方案要求可在不處理的情況和加工隔板后的情況下將脹差保護定值調整如表6。

表6 脹差保護定值調整數據 單位：mm

機組優化改造后提高了負脹差保護定值，熱態啟機負脹差大跳機問題妥善解決，技改后機組熱態啟機正常。

5 總結及展望

機組熱態（晝啟夜停）啟機負脹差大跳機后，需要再次等待8～10 h 待缸溫下降后才能成功啟動。按機組每年150 次熱態啟動計算，損失電量約5 400 萬kWh/a，機組再次啟動時缸溫“較低”，鍋爐已成冷態，啟動經濟性差，并且因無法按時并網會受電網考核處罰。解決機組熱態啟機負脹差大跳機問題，能夠使機組按照電網調度要求按時并網，免受處罰，避免等待開機引起的電量損失以及機組再次啟動經濟性差的問題，經濟效益可觀，而且保證了機組啟動的安全性。

對于軸向通流動靜間隙偏小的 “傳統汽輪機組”（熱態啟停次數非常少的燃煤機組）改成聯合循環汽輪機組后，需要適應燃氣輪機快速啟停、電網要求調峰迅速的特點，必然要增大軸向動靜間隙，防止碰磨危險，可以通過對通流部件局部加工增大間隙，滿足上述要求，有一定的推廣意義。