汽轮机胀差产生机理及质量控制法Word格式.docx

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因胀差保护是一个主要保护项目，所以我厂采用进口的涡流探头测量输出电信号供集控室内的仪表显示。

汽缸胀差的零点定位法与轴向位移的零点定位法相同。

汽轮机必须在全冷状态下进行，因为对高压汽轮机来讲，汽缸体积庞大，汽缸法兰均很厚重，机组跨距较大，只要汽缸与转子具有温度，就有一定的膨胀量，而且转子的膨胀量（或收缩量）大于汽缸，胀差变化幅度较大，一般在-1～+6mm，而汽轮机内部动静之间轴向间隙仅有2mm左右，汽轮机汽缸，转子在未冷透情况下，相对零位是找不准的。

因而为了保证机组在运行中动静间隙安全可靠，不致发生摩擦，胀差需在冷态下校正。

校正时将转子推向发电机侧，推力盘靠向推力瓦块工作面，此时仪表指示为零。

机组在盘车过程中高压缸胀差应为一定的正值（+0.3～+0.4mm）

北重厂提供的胀差报警值是：

高压缸-1～+3mm、中压缸-1.8～+3mm、低压缸-2～+4mm；

停机值是：

高压缸-1.5～+5mm、中压缸-2.5～+3.5mm、低压缸-3～+6mm。

其中因我厂＃1机在试运中中压缸负胀差较大，北重厂提供的原定值（中压缸胀差报警值：

-0.5mm和跳机值：

-1mm）无法满足运行，经北重厂重新核准将定值改为目前的定值。

3高、中、低压缸胀差的产生与相互关系

高压胀差：

高压胀差表的发讯器装在1号轴承箱上。

从图1可以看出，高压外缸与高压转子均是向机头方向膨胀的。

当高压外缸膨胀或收缩时，带动1号轴承箱一起移动，所以高压胀差表的指示值，实际是高压转子与高压外缸的胀差。

高压胀差表指示大小，并不能正确反映高压内缸轴向间隙的变化情况。

在稳定工况下，高压内缸的温度、膨胀量总是较高压外缸更接近于转子，因此高压转子与高压内缸的胀差是小于高压转子与高压外缸的胀差的。

因此用外缸与转子的胀差来控制高压内缸通流部分间隙变化是安全的。

而胀差表的指示值，最能反映胀差表附近各级轴向间隙的变化。

就本机而言，高压胀差表指示大小，近似表明了高压缸带隔板套的末三级和高压缸后汽封轴向间隙的变化情况。

中压胀差：

中压胀差表的发讯器装在3号轴承座上。

从图1可以看出，中压转子是向后膨胀的，而中压缸是向前膨胀的，二者膨胀方向相反，若其膨胀不等便产生胀差。

现以受热情况为例加以说明：

转子受热后以推力轴承（推力盘）为死点向后膨胀；

汽缸受热后，自高、中压缸死点向前膨胀，当中压缸向前膨胀时，则带动2号轴承箱（推力轴承）向前移动，推力轴承又带动中低压转子向前移动。

如果转子向后膨胀的数值等于推力轴承向前移动的数值，中压胀差表指示为零。

如果转子的膨胀量大于汽缸的膨胀量，中压胀差为正值。

这时动叶出口到下一级喷嘴入口轴向间隙减小；

反之中压胀差为负值，则喷嘴与本机动叶轴向间隙减小。

低压胀差：

低压胀差发讯器装在5号轴承座上。

现仍以受热情况为例说明低压胀差的产生和轴向间隙的变化。

低压缸受热时，从死点开始向后膨胀；

而低压转子受热也向后膨胀，若二者膨胀量不等便产生胀差。

如果转子膨胀量大于汽缸膨胀量，低压胀差为正值，反之为负值。

当低压胀差为正值时，对于顺流布置的低压后汽缸而言，是动叶出口与下一级喷嘴入口轴向间隙减小。

通常这一间隙设计得比较大，在一般情况下其动静部分间隙不至于完全消失，也就是说安全裕度比较大。

对反汽流布置的低压前汽缸而言，则是喷嘴出口与本级动叶入口轴向间隙减小。

为了提高汽轮机的内效率，这一部分间隙设计得比动叶出口到下级喷嘴入口间隙为小。

所以低压胀差正值过大，低压前汽缸和靠近胀差表的低压后汽封比较危险。

因胀差就是转子与汽缸的相对膨胀，而＃2轴承箱处为转子与汽缸的相对死点，故此处的胀差始终都是0，而高、中压缸胀差测点分别在相对死点的两边，因此高中压缸的胀差相互不影响，即高压缸胀差变化时，中压缸胀差不随之改变，中压缸胀差变化时，高压缸胀差不随之改变。

中压缸和低压缸有各自的死点，它们的绝对膨胀是各自独立的；

而中、低压转子却因相互连接使得低压转子随同中压转子往同方向移动。

故中压胀差变化时必然影响到低压胀差表的指示值,而低压胀差的变化并不引起中压胀差的变化。

所以低压胀差表的指示值实际是中压胀差和低压缸本身胀差的代数和。

上述论述可通过公式推论得出：

∵　Lgz＝－Yzz

∴　ΔLg＝Lgg＋Lgz－Lzg－Yzz＝Lgg－Lzg

∴　ΔLz＝0－（－Yzz）－Lzz＝Lgz－Lzz

ΔLd＝Lgd－（－Yzz）－Lzz－Lzd＝Lgz－Lzz＋Lgd－Lzd＝ΔLz＋ΔLd′

ΔLg——高压缸胀差；

ΔLz——中压缸胀差；

ΔLd——低压缸胀差

Lgg——高压缸绝对膨胀量；

Lgz——中压缸绝对膨胀量；

Lgd——低压缸绝对膨胀量

Lzg——高压转子绝对膨胀量；

Lzz——中压转子绝对膨胀量；

Lzd——低压转子绝对膨胀量

ΔLd′——低压缸真实胀差；

Yzz——相对死点移动量

综合以上分析可知，胀差的大小，表明了汽轮机轴向动静间隙的变化情况。

如果转子与汽缸的膨胀相等，胀差表指示为零，表明轴向间隙正常。

当转子的膨胀大于汽缸时，胀差为正值，表明动叶出口与下一级喷嘴入口间隙减小。

当汽缸的膨胀大于转子的膨胀（或转子的收缩快于汽缸）时，胀差为负值，表明喷嘴出口与本级动叶入口间隙减小。

对于低压前汽缸而言，轴向间隙的变化变化情况与上述情况相反；

即低压胀差表指示为正值时，喷嘴出口与本级动叶入口间隙减小；

低压胀差表指示为负值时，动叶出口与下一级喷嘴入口间隙减小。

4胀差的“质”、“量”控制法

前面对胀差的产生和控制的重要性进行了论述，那么我们在机组启动、停机和运行中应如何控制胀差在允许范围内呢？

下面我们将就这个问题进行论述，并在下一节结合各种工况提出具体方法。

我们知道胀差的产生是由于汽缸和转子受热或冷却后，膨胀收缩不同导致的，我们就分别谈一下汽缸和转子会受到哪些热源（冷源）的影响。

汽缸主要受到进入汽轮机的蒸汽，轴封段的轴封供汽，高中压缸的法兰加热汽源，高压缸夹层的加热汽源。

转子主要接触的是进入汽缸的蒸汽，轴封段的轴封供汽，各轴瓦内的润滑油。

如果在机组本体结构，滑销系统正常情况下，保证汽缸和转子在相同时间内吸收或释放的热量相同，那么汽缸和转子之间的膨胀或收缩应基本一致，而冷热源的温度，流量，与汽缸转子接触时间共同决定了换热量，所以我们就是要控制介质与汽缸，转子的温度差，即“质”；

介质流量和与汽缸转子换热时间，即“量”，这就是我所说的“质”“量”控制法。

下面我就各介质的“质”“量”控制法作一论述，均以加热为例，冷却反之。

进入汽轮机的蒸汽是一把双刃剑，在加热汽缸的同时也加热着转子。

因汽缸和转子质面比不同，所以必然会导致胀差的产生。

我们可以通过控制蒸汽与汽缸转子温差，控制进入汽缸的蒸汽流量，延长机组暖机时间等方法控制。

轴封处蒸汽不仅包括轴封供汽也包括轴封漏汽。

因汽封套受热后向两侧膨胀，对整个汽缸的膨胀并无影响，与汽封相应的主轴段受热后则使转子伸长。

在汽缸未进汽前，有部分轴封供汽进入汽缸，汽缸的通流部分也被加热，但因进入汽缸的汽量很少，汽封供汽不会使汽缸产生明显的膨胀。

所以轴封处的蒸汽只影响转子的膨胀。

我们需要转子膨胀时可供入轴封高温汽源（提高“质”），降低低温轴封供汽量（降低“量”）等方法。

高中压缸法兰加热蒸汽只加热汽缸，我们需要加速汽缸的膨胀时可提高法兰加热汽源的温度，加大供汽量，尽早投入，正常后再退出。

夹层加热蒸汽只加热高压缸，我们须保证高压外缸跟上高压内缸的膨胀时各提高夹层供汽的温度，加大供汽量，尽早投入，正常后再退出。

润滑油温因温度波动小，流量一般不变化，故对转子的影响较小，下面就不讨论了，但是在机组稳定，其它参数不变的情况下油温的变化是会引起胀差的变化。

下面我就机组出现正胀差和负胀差如何采用“质”“量”控制法。

机组出现正胀差即转子的膨胀大于汽缸的膨胀，我们就要控制转子的膨胀，加大汽缸的膨胀。

对于进入汽缸的蒸汽就是停止升温或适当降温，停止加负荷或适当减负荷，增加暖机时间。

控制转子膨胀主要就是降低轴封供汽温度（如将汽源由厂用蒸汽切换为除氧器）减少轴封段的蒸汽流动量（节流轴冷轴加进汽门，降低汽缸和轴冷轴加的负压，节流轴封漏汽到＃5低加门）。

加速汽缸的膨胀可通过尽早投入法兰加热，提高汽源压力、温度，高压缸可尽早投入夹层加热，提高汽源压力、温度，低压缸可适当降低真空提高排汽温度。

机组出现负胀差即转子的收缩大于汽缸的收缩，我们就要控制转子的收缩，加大汽缸的收缩。

对于进入汽缸的蒸汽就是停止降温或适当升温，停止减负荷或适当加负荷，增加暖机时间。

控制转子收缩主要就是投入轴封高温汽源，将汽源由除氧器切换为厂用蒸汽，减少低温轴封段的蒸汽流动量，提高高温轴封供汽压力，使高温轴封供汽沿轴向低温段流动，增加加热面积。

加速汽缸的收缩可通过尽早投入法兰加热和夹层加热的低温汽源，低压缸可适当提高真空降低排汽温度。

上面提到的轴封供汽的调整，法螺夹层的投退，只是单方面的对汽缸或转子进行控制，它只是缓解胀差的负向或正向增长，但起根本性决定作用的还是蒸汽参数，因为蒸汽参数的变化即对汽缸起作用而且也对转子起作用，而且汽缸与转子绝大部分换热面积是与蒸汽接触。

因此严格控制蒸汽参数的变化是控制胀差正、负向增长的有效措施。

5各工况胀差变化规律

汽轮机在稳定工况下运行时，胀差的数值也趋于稳定。

但在变工况运行时，由于汽轮机温度场的变化，转子与汽缸的膨胀量将出现新的差值，甚至可能超过极限值，从而影响机组的安全运行。

下面结合胀差的变化规律，讨论汽轮机冷、热态启动和滑参数停机及其他特殊工况下的胀差变化和“质”“量”控制法。

但下述胀差变化规律，指汽缸膨胀正常而言。

当汽缸的滑销系统卡涩时，将严重的影响汽缸的自由膨胀，使胀差发生异常的变化，并威胁机组的安全运行。

这可通过缸温与高、中压缸绝对膨胀对应曲线比较和在加负荷过程汽缸膨胀是否有突跳现象检查是否滑销系统存在问题。

5.1　冷态启动胀差的变化

冷态启动过程中对胀差的控制分以下几个阶段。

（1）汽封供汽：

从汽封供汽到冲转前，胀差一直往正方向变化，高压胀差约增加0.4～0.5mm，中压胀差约增加0.5～0.6mm，低压胀差约增加0.8～1.Omm。

汽封供汽对转子伸长值的影响是由供汽温度和单位时间轴封供汽的流通量决定的。

因此汽封供汽的时间越长，汽封段主轴被加热的越充分，胀差正值增加的就较多。

因此缩短汽封的供汽时间，对减少胀差的正值有一定作用。

（2）暖机升速：

从冲转到定速期间，高压胀差基本上是上升的，约增加0.8～1.2mm。

这一阶段蒸汽流量比较少，在高压缸中，蒸汽主要在调节级内作功，金属的加热主要在该级范围内，所以整个高压转子平均温度上升是有限的，相对外缸来说；

转子温度变化总是超前的，只要汽温无剧烈波动，单位时间内胀差的变化就比较均匀。

但中、低胀差在整个升速过程中则是另一种情况。

在低速暖机时，中、低压胀差均是增加的。

这时中压缸转子膨胀量不大，中压部分汽缸也基本上没有变化；

而低压部分转子和低压缸转子都有明显伸长，所以低压胀差就比较大。

自低速暖机后至中速暖机结束，中压转子的膨胀速度有所增加是因为冲转时再热汽温往往低于主蒸汽温度，这时随着转速升高，中压缸进汽量增加，再热汽温上升也较快，中压转子的膨胀值大于汽缸，故中压胀差增加；

低压转子保持原有的膨胀速度，而相应的低压缸变化比较小，所以低压胀差增加较多。

当中速暖机后再升速时，中、低压胀差都有减小趋势，低压胀差大幅度下降，减少数值约为1.0～1.2mm。

这主要是泊桑效应对低压转子的缩短作用，这将在后文着重论述。

（3）定速和并列带负荷：

由于升速到定速的时间较短，蒸汽温度和流量的变化对胀差的影响在定速后才能反映出来。

定速后，高压胀差增加的幅度较大，持续的时间也较长，这时中低压胀差也逐渐增加。

特别是发电机并网后在低负荷暖机阶段，蒸汽对转子和汽缸的加热比较剧烈。

滑参数启动加负荷时，高压胀差的变化，主要取决主蒸汽温度的变化和有关操作。

并网后，随着调速汽门的开大，调节级温度上升较快。

从高压内缸温度上升情况可以判断，高压转子的温度也上升的比较快。

由于转子被加热伸长，高压胀差明显增加。

这时主蒸汽温度变化却是不大的，而调节级温度在lOmin内升高35℃，高压胀差从2.5mm很快增加到3.2mm，并在以后的暖机过程中达到危险值4.Omm。

可见调速汽门的开启速度对高压胀差的影响是比较大的。

据此在并网后要缓慢地将调速汽门逐渐全开，并注意调节级温度的变化（控制其温升速度不超过1～1.5℃／min为宜）是十分重要的。

根据前面论述的“质”“量”控制法，在带负荷阶段减少高压胀差的主要方法是；

（1）发电机并网后要缓慢开大调速汽门。

（2）按滑参启动曲线的要求，控制温升速度，避免过大的波动。

（3）调整法兰和汽缸加热的进汽量。

（4）必要时可关小调速汽门或降低主蒸汽温度，延长暖机时间。

调速汽门节流后进汽减少，可降低调节级温度及以后各级温度，使转子的膨胀速度得到缓和。

5.2　热态启动胀差的变化

汽轮机热态启动胀差的变化，受主蒸汽和再热蒸汽温度影响很大。

为了减少热应力和胀差的负值，要求汽温高于汽缸金属温度50～100℃，以汽温高一些为好。

因此要求锅炉在点火后升压过程中，投入尽可能多的燃料。

一般在油点火后，具备条件时便可投煤，以满足旁路系统全部容量的排汽，为此需将Ⅰ、Ⅱ级旁进汽门全开，以便将主蒸汽和再热蒸汽提高到所需要的温度。

热态启动时，一般主蒸汽压力比较高，在相同工况下，调速汽门开度比冷态启动时小，蒸汽节流虽是等焓过程，但节流后的汽温仍是降低的。

所以热态启动初始阶段，汽缸和转子均要受到不同程度的冷却，其中又以转子冷却较快，因此出现胀差的负值是不可避免的，但同属于热态启动，汽缸金属温度水平却不一样。

对于不同的汽缸金属温度，胀差的变化规律也不同。

当汽缸温度比较高时（比如350℃以上），汽封供汽后，高，中、低压胀差均是减小的，但又由于汽封是否供高温蒸汽而有所差异。

如前所述，当汽封不投高温蒸汽时，到冲转前高压胀差约减小0.5～1．Omm，中压胀差约减小0.2～0.5mm；

而汽封投高温蒸汽时，胀差就可保持不变或略有增加。

当汽缸温度比较低（比如200～250℃）时，汽封供汽后胀差基本不变或略有减小。

冲转到定速，各胀差仍为减小趋势。

汽缸温度高时减小的幅度大些，汽缸温度低时减小的幅度小些。

中速以后升速过程，中、低压胀差减小的情况与冷态启动的变化规律相同。

热态启动时，定速后要尽快并网；

如果空转时间拖长，胀差将继续往减小的方向变化。

并网后胀差的变化情况取决于带负荷的速度。

特别是当汽缸的温度较高时，带负荷速度更应快些，不然转子要进一步冷却收缩，使高、中压胀差负值过大，甚至造成前几级动叶入口间隙消失。

如果汽缸温度较低，低负荷暖机以后，高压胀差增加的较快，应提前投入法螺夹层加热装置。

总之，热态启动时，为了防止胀差负值过大，只要检查操作跟得上，要尽快升速，并网和接带负荷，并使之达到与汽缸温度对应的负荷水平。

至于冲转的蒸汽温度，当然应该满足热态启动的要求，否则若于不利因素凑在一起就可能发生动静部分摩擦事故。

5.3　滑参数停机胀差的变化

在滑参数停机过程中，高压胀差的变化规律与冷态启动时相反．只是在调速汽门全开的一段时间里，因为调节级温度接近于主蒸汽温度，所以这时高压胀差有一定的增加，而后随着主蒸汽温度的逐渐降低，高压转子的收缩快于外缸，高压胀差是减小的，解决的办法，就是控制温降速度不要过快，法兰螺栓加热装置要用高，低温混合蒸汽。

中压胀差和低压胀差，随着再热汽温度的降低而减小。

当排汽室温度高时，中，低压胀差减少的幅度更大。

所以，中压缸法兰螺栓加热装置也使用高，低温混合蒸汽。

5.4　特殊工况胀差的变化

（1）机组甩负荷时胀差的变化

如果机组参数不变，负荷稳定，胀差与轴向位移不发生变化。

机组启停过程中及参数变化时，胀差将发生变化，而轴向位移并不发生变化。

而轴向位移变化时，其数值虽然较小，但大轴总位移发生变化，轴向位移为正值时，大轴向发电机方向位移，高压胀差向负值方向变化，中、低压向正值方向变化；

当轴向位移向负值变化时，大轴向机头方向位移，高压胀差向正值方向变化，而中、低压向负值方向变化。

我们可从图2中看出，数值详见表1：

图2　轴向位移引起胀差变化曲线

表1：

轴向位移引起胀差变化数值

时间

项目

35s

36s

37s

38s

39s

负荷MW

150

147.7

1.89

轴向位移mm

-0.18

-0.38

-0.19

高压缸胀差mm

1.70

2.30

1.68

1.60

1.59

中压缸胀差mm

-1.49

-2.09

-1.53

-1.44

-1.42

低压缸胀差mm

3.68

3.13

3.65

3.72

3.74

（2）转子惰走过程中胀差的变化

打闸停机后在转子惰走阶段，各胀差均有不同程度的突增。

从3000r／min打闸时，高压胀差约增加0.4～0.6mm，中压胀差约增加0.3～0.5mm，而低压胀差增加幅度就更大了，一般为1.5～2.0mm。

如果打闸·

前的低压胀差比较大，往往使低压胀差超过极限值，甚至达到表计的最大量程，这时很可能造成通流部分磨损。

对于正常停机，打闸前要注意胀差的大小，务必把胀差的突增值考虑进去，以防止打闸后动静部分轴向间隙消失。

所渭胀差突增，就是在短时间转子相对伸长的比较多。

产生这个现象的主要原因是转于旋转时受离心力的影响，发生了径向和轴向变形的结果。

因为离心力和转速的平方成正比。

转速升高时，叶片和叶轮产生巨大的离心力并作用在大轴上，使轴产生径向拉力，直径变粗，长度减小，即表现为胀差的减小。

也就是说轴的径向变形的比值增加了，材料力学叫泊桑效应，或称回转效应。

当转速降低时，随着离心力的减小，轴的直径变细，长度相应增加了。

打闸后转速从3000r／min在几分钟内就降到1000r／min以下，离心力与转速的平方成正比地减小，使转子很快伸长，即表现胀差的突增。

因为低压转子直径较大，低压胀差的突增的幅度就大些。

下面是我厂一次停机过程中转速和胀差的变化曲线及一些数值变化

图3　转子惰走与胀差的变化

表2　转速变化引起胀差变化数值

05min

16min

21min

53min

转速r/min

2999

1823

1100

1.84

0.67

-1.50

-1.08

-1.15

-1.95

4.71

4.92

3.43

胀差与转速或离心力的关系还表现在超速试验过程中。

我厂＃3机组在做超速试验时，转速从3000r／min升到3262r／min时，高压胀差从3．3mm减少到3．1mm（变化0.2mm），中压胀差从1.2mm减少到0.8mm（变化0.4mm）；

低压胀差从3.1mm减少到2.6mm（变化0.8mm）。

当转速恢复到3000r／rain时，各胀差表指示又回到原来数值。

打闸前要设法控制低压胀差在+4mm以内。

我们可关闭排汽缸喷水门或降低真空，使排汽室温度维持在允许的较高数值运行。

因中压缸胀差向正值变化时低压缸胀差也要向正值变化，因此在停机过程中即要防止中压缸的负胀差过大，也要防止中压缸胀差正值过大导致打闸前低压缸胀差不能控制在+4mm以内，因此在停机过程中将中压缸胀差控制在-1.5～-1.0mm以内即可保证停机后中压缸负胀差不超限，也可保证低压胀差在惰走过程中不超限。

（3）轴封供汽带水引起胀差的变化

轴封供汽带水会导致轴封段转子骤冷，引起高、中、低压缸胀差负向增加，下面以我厂曾发生过的一次除氧器满水为例说明轴封供汽带水是胀差的变化。

图4：

轴封供汽带水引起胀差的变化

表3：

轴封供汽带水引起胀差变化数值

23min

25min

33min

38min

46min

除氧器水位mm

2600

2592

2678

2295

2400

轴封供汽压力MPa

0.07

0.06

0.19

0.11

2.17

2.18

1.99

1.88

-1.35

-1.79

-1.89

-1.91

3.99

3.21

3.18

3.20

6胀差实际控制中的注意事项

胀差在实际运行中应注意以下问题：

（1）因我厂主、再热蒸汽温度测点在主汽门前，疏水门后，因此机侧蒸汽温度一般要比炉侧温度低50～100℃，而且我厂冷态启动一般采用中压缸启动，在切缸条件中要求高压主汽门前蒸汽温度高于调节级温度100℃，这样一般炉侧温度要比高压内缸金属温度高150℃左右。

那么在切缸后大量主蒸汽进入高压缸，机侧主汽温逐渐与炉侧一样，导致高压缸正胀差迅速增加。

针对这种情况一个是加大机侧主汽门前的疏