汽輪機(jī)脹差產(chǎn)生的原因分析與控制

司愛俊

摘要：在化工生產(chǎn)當(dāng)中，汽輪機(jī)是十分重要的一項(xiàng)設(shè)備。本文主要針對化工汽輪機(jī)脹差的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，介紹了化工汽輪機(jī)組起、停機(jī)和運(yùn)行過程當(dāng)中，發(fā)生工況變化時(shí)，氣缸和轉(zhuǎn)子膨脹的主要特點(diǎn)以及產(chǎn)生脹差的具體原因，并對脹差的變化規(guī)律進(jìn)行探索和分析，最后總結(jié)了脹差的變化對運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，并提出具體的控制對策，希望能夠?yàn)楣ぷ魅藛T在生產(chǎn)運(yùn)行過程當(dāng)中進(jìn)行操作起到一些參考作用。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);脹差;產(chǎn)生原因與控制

0? 引言

化工汽輪機(jī)之所以產(chǎn)生脹差主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子與氣缸之間存在著溫差，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子的膨脹比氣缸要更大時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生正脹差，而當(dāng)其小于氣缸時(shí)則會(huì)產(chǎn)生負(fù)脹差。但是，當(dāng)渦輪機(jī)相對靜止時(shí)，膨脹差主要反映了靜態(tài)軸向間隙的變化。不管膨脹差太大還是太小，機(jī)組的軸向間隙都會(huì)逐漸消失，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的摩擦，從而損壞機(jī)組。所以在機(jī)組的具體操作過程中需要對脹差進(jìn)行嚴(yán)格控制，禁止其超過允許的極限值。在汽輪機(jī)運(yùn)行期間，保持轉(zhuǎn)子和氣缸之間的軸向熱膨脹率非常重要。在機(jī)組的啟動(dòng)，停止和特定運(yùn)行過程中，由于渦輪轉(zhuǎn)子和汽缸的質(zhì)量和熱膨脹系數(shù)不同，轉(zhuǎn)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(jī)允許的間隙公差，就會(huì)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)組件之間引起摩擦，從而損壞設(shè)備。因此在實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中操作人員應(yīng)對脹差進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而確保機(jī)組的正常運(yùn)行[1]。

1? 脹差種類及產(chǎn)生的原因、危害

脹差的主要產(chǎn)生原因在于汽輪機(jī)的氣缸和轉(zhuǎn)子在受熱和受冷時(shí)，其傳熱系數(shù)存在著一定的差異，進(jìn)而導(dǎo)致在受熱和受冷過程當(dāng)中氣缸受熱或受冷膨脹與轉(zhuǎn)子不同所產(chǎn)生的脹差。而脹差具體可分為正脹差和負(fù)脹差，首先當(dāng)轉(zhuǎn)子膨脹大于氣缸膨脹的過程中所產(chǎn)生的脹差為正脹差，反之則為負(fù)脹差。而在汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，無論是正脹差還是負(fù)脹差都會(huì)對機(jī)組的使用與運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此需要嚴(yán)格的進(jìn)行控制。脹差在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中不僅僅是一項(xiàng)重要參數(shù)，而且脹差不能出現(xiàn)過大的偏差，只有在起機(jī)、停機(jī)以及負(fù)荷突然大幅度出現(xiàn)變動(dòng)的時(shí)候，由于對參數(shù)的人為控制出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)的脹差形成，而一旦其超過汽輪機(jī)所允許的極限值，則會(huì)使汽輪機(jī)動(dòng)靜摩擦，導(dǎo)致震動(dòng)增大，最后損壞設(shè)備，而嚴(yán)重情況下可能會(huì)將葉片打斷，從而使設(shè)備遭到嚴(yán)重的損壞，無法再繼續(xù)使用[2]。

1.1 產(chǎn)生正脹差的主要因素

汽輪機(jī)之所以出現(xiàn)正脹差主要因?yàn)樵跈C(jī)組啟動(dòng)時(shí)暖機(jī)的時(shí)間太短，進(jìn)而導(dǎo)致升速太快或負(fù)荷的提升速度太快，從而產(chǎn)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(huì)導(dǎo)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(jìn)而導(dǎo)致肘頸部位過分伸長，這也容易引起汽輪機(jī)出現(xiàn)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(diǎn)不準(zhǔn)或觸點(diǎn)磨損，進(jìn)而引起數(shù)字偏差，而且真空變化、轉(zhuǎn)速變化、各級周期量變化等也都會(huì)造成十分明顯的正脹差。

1.2 產(chǎn)生負(fù)脹差的主要因素

汽輪機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生負(fù)脹差的主要原因在于負(fù)荷迅速下降或突然甩負(fù)荷以及主氣溫突然降低、啟動(dòng)時(shí)進(jìn)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(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)負(fù)脹差。在汽輪機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)轉(zhuǎn)速度突然快速提升，而由于轉(zhuǎn)子在離心力的作用下，會(huì)使軸向尺寸不斷的縮小，因此會(huì)產(chǎn)生十分明顯的低差變化。而當(dāng)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(jìn)氣套管中所出現(xiàn)的漏氣或軸封漏氣現(xiàn)象[3]。

1.3 控制脹差的要點(diǎn)

在控制差異擴(kuò)展時(shí)，我們應(yīng)該把握要點(diǎn)。首先，應(yīng)控制負(fù)荷的增加和減少的速度，這應(yīng)根據(jù)機(jī)組的容量來確定，而且還應(yīng)對汽輪機(jī)組的氣溫度變化率進(jìn)行嚴(yán)格控制。其次，對于法蘭加熱裝置，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)，氣缸和法蘭螺栓加熱裝置應(yīng)該對其進(jìn)行合理的使用。當(dāng)高壓和中壓氣缸的壓差膨脹達(dá)到指定值時(shí)，需要使用法蘭加熱裝置，并對加熱裝置的進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)整，使其能夠符合加熱的要求。而為了能夠?qū)Ψㄌm進(jìn)行有效的加熱，并且避免加熱過度，應(yīng)針對加熱蒸汽的溫度進(jìn)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(yīng)來有效控制壓差膨脹。壓蓋蒸汽供應(yīng)對差壓膨脹的影響主要取決于氣體供應(yīng)的時(shí)間和溫度。氣體供應(yīng)時(shí)間越長，對壓差膨脹的影響越大。冷啟動(dòng)的主要目的不是使差分膨脹值太大。因此，在脈沖啟動(dòng)前，應(yīng)選擇一些溫度較低的氣源，以縮短軸封的供氣時(shí)間。熱啟動(dòng)期間，應(yīng)使用高溫氣源，以免在向油封供氣后產(chǎn)生負(fù)膨脹差。如果動(dòng)態(tài)膨脹停機(jī)時(shí)間差為負(fù)，則可以將高壓氣源送至氣封，從而有效地控制轉(zhuǎn)子收縮。在這一過程中，主要是對脹差進(jìn)行控制，而并非消除。

2? 脹差變化對運(yùn)行的影響

2.1 機(jī)組不同工況下脹差的變化

機(jī)組在不同的工況下所產(chǎn)生的脹差變化也會(huì)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(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子和氣缸的溫度是相對穩(wěn)定的狀態(tài)，所以其膨脹值也同樣十分穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大的脹差值變化。

其次當(dāng)汽輪機(jī)組異常運(yùn)行時(shí)，如進(jìn)氣量發(fā)生改變或出現(xiàn)其他操作錯(cuò)誤等情況，轉(zhuǎn)子和氣缸的膨脹值也會(huì)隨著進(jìn)氣量的改變而出現(xiàn)相應(yīng)的變化，其脹差也會(huì)隨之發(fā)生改變。

最后在機(jī)組啟動(dòng)或停止時(shí)對脹差也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如果汽輪機(jī)組為冷態(tài)啟動(dòng)，那么轉(zhuǎn)子從沖轉(zhuǎn)到定速的這一過程當(dāng)中，其加熱速度相對較快，而脹差也為正而且不斷的上升。

當(dāng)汽輪機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組內(nèi)的氣缸整體溫度相對較高，而轉(zhuǎn)沖時(shí)的蒸汽在進(jìn)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(huì)發(fā)揮出冷卻效果，此時(shí)所產(chǎn)生的脹差則為負(fù)值。而當(dāng)汽輪機(jī)自身的負(fù)載減輕或者是停機(jī)時(shí)，機(jī)組內(nèi)的蒸汽溫度也會(huì)不斷的降低，而由于轉(zhuǎn)子的溫度變化較大，所以下降速度也較快，進(jìn)而與氣缸之間會(huì)呈現(xiàn)出負(fù)脹差。在汽輪機(jī)加載過程中，轉(zhuǎn)子與氣缸之間也會(huì)形成正脹差，而當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)正常會(huì)不斷的上升，而當(dāng)其停機(jī)時(shí)脹差也會(huì)進(jìn)一步呈現(xiàn)出下降趨勢[4]。

2.2 脹差的變化對運(yùn)行的影響

在汽輪機(jī)組的運(yùn)行過程中，脹差的大小對其運(yùn)行情況也具有著十分明顯的影響，脹差的變化對機(jī)組運(yùn)行是十分重要的一項(xiàng)因素。同時(shí)脹差大小也對汽輪機(jī)組內(nèi)部動(dòng)靜部分軸向間隙的變化情況進(jìn)行反應(yīng)，因此無論哪條軸向間隙增大或者減小，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)部的動(dòng)靜兩部分之間出現(xiàn)摩擦，進(jìn)而損害到機(jī)組內(nèi)部的相關(guān)構(gòu)件，縮短了汽輪機(jī)的使用壽命，情況嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生安全事故。

3? 汽輪機(jī)脹差的控制對策

汽輪機(jī)在不同工況下所出現(xiàn)的脹差變化會(huì)對機(jī)組的使用造成影響，因此在汽輪機(jī)的運(yùn)行過程當(dāng)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(fù)載也會(huì)不斷的出現(xiàn)升高與降低，因此需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保氣缸和轉(zhuǎn)子之間的溫度差保持在允許范圍內(nèi)。其次，應(yīng)對氣缸、法輪螺栓等加熱裝置進(jìn)行合理使用，而且還應(yīng)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(jìn)行影響，使其產(chǎn)生收縮的方式來有效的控制脹差，因此在汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)如脹差發(fā)生變化，可通過對供氣時(shí)間和溫度來進(jìn)行調(diào)整，從而穩(wěn)定脹差[5]。

3.1 選擇合理的啟動(dòng)參數(shù)

汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子熱狀態(tài)會(huì)隨著汽輪機(jī)的進(jìn)氣參數(shù)的變化而變化，而且轉(zhuǎn)子的變化狀態(tài)要早于汽缸的熱狀態(tài)變化，這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的脹差出現(xiàn)變化。所以在汽輪機(jī)的機(jī)組運(yùn)行中要想確保機(jī)組的沖轉(zhuǎn)要合理的選擇啟動(dòng)參數(shù)。

3.2 軸封抽汽使用適當(dāng)

與汽輪機(jī)大軸是直接接觸的是軸封抽汽器，所以它的溫度大小會(huì)對大軸的伸縮造成直接的影響，這會(huì)影響到脹差。在這個(gè)過程中汽輪機(jī)組的軸封抽汽器可以直接與軸封風(fēng)機(jī)相連，這樣可以抽走汽封當(dāng)中多余的蒸汽通過風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。投入軸封風(fēng)在機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)沖轉(zhuǎn)前機(jī)，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(shí)開啟兩臺(tái)風(fēng)機(jī)。在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)機(jī)組會(huì)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)前，所以為了防止轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲，應(yīng)該禁止投入軸封風(fēng)機(jī)。

3.3 沖轉(zhuǎn)過程中及時(shí)調(diào)整向空排汽閥開度

汽輪機(jī)在背壓蒸汽排空而向空排氣閥開度時(shí)會(huì)對上下缸溫度及脹差會(huì)產(chǎn)生直接影響。所以在在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，應(yīng)對汽輪機(jī)的進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)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(wǎng)時(shí)間

由于汽輪機(jī)在啟動(dòng)加熱過程中會(huì)產(chǎn)生脹差，而脹差在供熱管網(wǎng)合并前由排氣閥控制，在并網(wǎng)過程中，會(huì)使相空排氣閥逐漸關(guān)閉，因此，脹差也會(huì)向正值方向增大，此時(shí)，并網(wǎng)時(shí)間會(huì)縮短，這可以有效地減緩脹差的增長速度，并網(wǎng)后，機(jī)組可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

3.5 及時(shí)將各部位的汽封漏氣放進(jìn)去

汽輪機(jī)在啟動(dòng)后，如果漏氣壓力達(dá)到了相關(guān)要求，應(yīng)針對各段氣封漏氣進(jìn)行及時(shí)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(jié)束語

綜上所述，汽輪機(jī)在啟動(dòng)、停機(jī)以及正常運(yùn)行或出現(xiàn)異常時(shí)，其機(jī)組內(nèi)的部件溫度差異所產(chǎn)生的膨脹變形，會(huì)對機(jī)組本身造成十分巨大的影響，因此需要對脹差的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并探討脹差對機(jī)組自身所造成的影響，分析脹差增加的原因和具體的機(jī)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(nèi)，確保汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，從而延長汽輪機(jī)的使用壽命，使其能夠充分的應(yīng)用到化工當(dāng)中，提升汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。

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