陸旭明

(南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江蘇南京 210037)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的提高，電網(wǎng)峰谷差越來越大，對電力系統(tǒng)的要求也相應(yīng)提高。因此需制定出更為合理的汽輪機(jī)啟動方案，在保證其安全的前提下，全面優(yōu)化機(jī)組啟動過程，縮短機(jī)組啟動時間，降低消耗，以充分滿足電網(wǎng)的運行要求。

汽輪機(jī)啟動是一個劇烈的零部件加熱過程，因此需考慮零部件的熱變形、機(jī)組的振動等因素。根據(jù)這些因素設(shè)計汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整進(jìn)汽參數(shù)和流量來優(yōu)化啟動過程。

汽輪機(jī)的啟動過程，就是使各部分機(jī)件的溫度提高到它們工作溫度的過程。而提高溫度，則是利用使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動的蒸汽來進(jìn)行的，現(xiàn)將可能影響汽輪機(jī)啟動速度的主要因素列舉如下：(1)靜止部分及轉(zhuǎn)動部分的不同膨脹;(2)汽缸的熱撓曲;(3)轉(zhuǎn)子的熱膨脹;(4)軸承、聯(lián)軸節(jié)及其他。

1 靜止部分及轉(zhuǎn)動部分的不同膨脹

汽輪機(jī)動葉片處于靜止的噴嘴之間，而軸封的各個尖齒間，通常還有靜止的環(huán)狀突起。葉片圍帶處不大的軸向間隙，在很大程度上有利于汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，葉片圍帶通常削尖，使得在碰觸時不會產(chǎn)生任何危害;不過葉片本身和軸封的齒都要求有比較大的軸向間隙，以避免當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于汽缸伸長或縮短時產(chǎn)生碰觸。通常轉(zhuǎn)子比汽缸熱，因為它處于熱介質(zhì)的中部，轉(zhuǎn)子在工作時，對汽缸而言，是有相對“膨脹”的。在沖動式汽輪機(jī)中，動葉片的出口邊應(yīng)具有較大的間隙。

設(shè)計汽輪機(jī)時，各種間隙要聯(lián)系起來考慮，以避免由于不同的軸向膨脹而引起事故。進(jìn)一步的預(yù)防方法可采用可靠的測量設(shè)備。該設(shè)備能在工作條件下，連續(xù)地顯示出實際的脹差并加以記錄。按一般慣例，在汽輪機(jī)汽缸水平分界面處開有特殊的縱向槽(如圖1所示)，通進(jìn)蒸汽后即可加速汽缸的加熱和膨脹。這些溝槽只有在汽輪機(jī)加熱時才使用，當(dāng)這些溝槽在加熱完成了自己的任務(wù)后，即使僅考慮經(jīng)濟(jì)性方面的原因，也應(yīng)該停止再向其送汽。

圖1 加熱高壓缸分界面法蘭處的溝槽

在圖2所示的汽輪機(jī)類型中，無論有無加熱法蘭的蒸汽，動靜脹差都會在允許范圍之內(nèi)。

2 汽缸的熱撓曲

圖2 135MW3 000r/min雙缸汽輪機(jī)的縱剖面圖

汽缸水平分界面處法蘭的外表面溫度比其內(nèi)表面低33℃，這一點在橫切面上并無影響，因為法蘭的“彎角”具有很大的膨脹自由性。如果在水平面內(nèi)來分析該汽缸，那么就應(yīng)該產(chǎn)生彎曲，隨之產(chǎn)生撓曲，當(dāng)徑向間隙很大時，這種撓曲應(yīng)是無關(guān)緊要的。但是，不均勻的加熱、金屬材料不均勻的分布以及汽缸形狀的影響，可能會引起汽缸的撓曲。這種撓曲不一定會影響到汽缸的使用年限，但它會使不大的徑向間隙暫時全部消失，并在軸封處引起碰觸。如果這種碰觸很嚴(yán)重，就可能使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生劇烈的局部加熱。如果局部加熱又不均勻，就會出現(xiàn)熱撓度，并產(chǎn)生很大的振動，振動的結(jié)果可能使撓度成為永久性的。因此，在汽輪機(jī)運行初期(最初幾次啟動)應(yīng)多加注意，當(dāng)一出現(xiàn)振動現(xiàn)象時，即降低其速度，以避免事故。由于汽缸撓曲所引起的碰觸，其特征就是在幾次非常小心的啟動過程中，碰觸處逐漸地建立起了自己所固有的“工作”間隙，并且以后這種碰觸不再出現(xiàn)。

汽缸的良好構(gòu)造是避免其發(fā)生撓曲的主要手段。因此汽缸構(gòu)造應(yīng)做到簡單并對稱，汽缸壁厚度盡量小，并盡可能地使之均勻，與熱介質(zhì)的接觸也盡可能均勻，汽缸前端形狀簡單和對稱，可使之對不可避免的溫差敏感性最小，并且支座和鍵的位置應(yīng)恰當(dāng)布置。

在汽輪機(jī)的冷卻過程中，由于汽輪機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部空氣的流動以及機(jī)殼與熱蒸汽管道的布置，在汽缸上部及下部之間，可能形成高達(dá)56℃的溫差，這也是汽缸產(chǎn)生撓曲的一個重要因素。

充分注意到上述各個因素，汽缸金屬材料又很好，并且在仔細(xì)小心地操作機(jī)器的條件下，軸封中較小的間隙是可以允許的。這樣不僅兼顧了啟動速度，也可提高機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。

3 轉(zhuǎn)子的熱膨脹

假設(shè)在最初幾次啟動過程中，汽輪機(jī)操作很正確：留有了間隙，導(dǎo)向滑鍵正常，局部應(yīng)力一定，冷卻情況也予以正確檢查等等。在隨后的汽輪機(jī)高速度啟動下，也沒有任何警報信號，汽缸即可轉(zhuǎn)入正常的運行。

而對于轉(zhuǎn)子來說，情況就完全不同了。只要轉(zhuǎn)子有任何不正常處，那么它們就有可能在某次啟動過程中暴露出來。

由于這些不正常，轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生振動。這種振動可能成為轉(zhuǎn)子彎曲及其他一些嚴(yán)重破損的原因?，F(xiàn)在借助圖3來討論與轉(zhuǎn)子有關(guān)的一些問題。圖3展示了一典型的高壓轉(zhuǎn)子，其重約4～6t，在初溫約482℃下工作。圖3中的A部分指出，如果轉(zhuǎn)子彎曲時，其重心從回轉(zhuǎn)軸線位置移動了0．100mm，那么在3 000r/min下所產(chǎn)生的離心力將等于轉(zhuǎn)子本身的重力。圖3的曲線表示，在與轉(zhuǎn)子重力相等的離心力作用下，重心位移與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從圖3中的B部分可知，如果轉(zhuǎn)子軸徑為380mm，兩個軸承中心之間的跨度為2 840mm，而其“上部”溫度比“下部”高出1．7℃(見圖3中 B部分的示意圖)，則轉(zhuǎn)子的彎曲將使其重心移動約0．025mm。

圖3 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、溫度梯度、徑向位移及與之相應(yīng)的離心力

轉(zhuǎn)子尺寸的精度、軸承的穩(wěn)定性以及溫度的均勻分布，是轉(zhuǎn)子工作的重要條件，其中某些品質(zhì)可以在轉(zhuǎn)子加工時加以保證，但是溫度分布則與汽輪機(jī)工作情況有關(guān)。當(dāng)汽輪機(jī)中沒有蒸汽時，靜止轉(zhuǎn)子中的溫度分布與汽輪機(jī)其他各部分的冷卻情況有關(guān)。

這時，汽缸的上部通常比下部要熱些，因此轉(zhuǎn)子的上部也比下部要熱些，轉(zhuǎn)子也就不可避免地向上彎曲。有時轉(zhuǎn)子的彎曲方向會相反。總之靜止支撐在熱汽缸中的轉(zhuǎn)子是彎曲著的。

近些年來，一直使用電子儀器“偏心監(jiān)測”來觀察轉(zhuǎn)子的動作情況，依靠這一儀器，已經(jīng)收集了許多有價值的資料。通?！捌谋O(jiān)測”安裝在功率較大的汽輪機(jī)上，而其他功率在2萬kW以下的汽輪機(jī)，大多數(shù)會在離軸承不遠(yuǎn)的某一比較方便的地方安裝有主軸撓度的表盤指示器，這種安裝在軸承箱上的指示器，可以觀察到靜止轉(zhuǎn)子或在低速下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的撓度變化情況。

在轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前就消除其撓度是特別重要的。不遵守這條規(guī)程，就會造成由于主軸撓度而引起的多次停車，在沒有盤車設(shè)備的汽輪機(jī)中更是如此。

撓度的大小視汽缸中溫度梯度以及轉(zhuǎn)子靜止不動的時間長短而定。溫度梯度與溫度高低有一定關(guān)系。由此可知，轉(zhuǎn)子的靜撓度在停車后很快即達(dá)到最大值，然后隨著總的溫度下降而減小，這就說明了為什么在暫短的停車之后很難啟動。而在較長的停車之后反而容易。每個汽輪機(jī)要求有其自己獨特的處理方法，但下面這一條則是一般通用的：如果想盡快啟動，就應(yīng)該在停機(jī)期間，避免轉(zhuǎn)子不均勻的冷卻。

表盤指示器可以指出低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，而在高轉(zhuǎn)速下，由于指針的振動，即指針在表盤上快速擺動而無法辯讀數(shù)值。即使如此，至少在600r/min以前，指示器一直是有效的。圖4所示為許多指示器中的一種，其在汽輪機(jī)中總的位置可以參見圖1。

到目前為止，在分析啟動問題時，只研究汽缸、轉(zhuǎn)子等，至于潤滑、真空度以及疏水等方面的問題，本文并沒有提及，但對它們都應(yīng)給予應(yīng)有的注意。

在某種情況下，“偏心監(jiān)測”也證實了這一點，即雖然主軸最初回轉(zhuǎn)得很平穩(wěn)，而當(dāng)增加轉(zhuǎn)速及提高溫度后，卻發(fā)生了振動。隨著轉(zhuǎn)速的提高，振動更加劇烈。當(dāng)然可以用轉(zhuǎn)子的原始不平衡來解釋。沒有完全平衡了的轉(zhuǎn)子，在額定轉(zhuǎn)速及帶負(fù)荷下也會振動加劇。在轉(zhuǎn)子中一定還有其他一些暫時性的、引起振動的因素，這些因素當(dāng)加負(fù)荷運行時即自行消失?，F(xiàn)有的“偏心監(jiān)測”只是指示出主軸是偏心回轉(zhuǎn)，還沒有一種儀器能確定主軸為什么彎曲或是怎樣彎曲。而大量的試驗、記錄結(jié)果及運行實踐可以說明：提升轉(zhuǎn)速時，在多種情況下，暫時性的撓度是熱撓度。

圖4 裝在軸承箱上用以指示轉(zhuǎn)子偏心度的指示器

經(jīng)過多次試驗，確定了當(dāng)軸套及主軸間的溫差足以使軸套的過盈消失時，就可能在主軸上產(chǎn)生顯著的溫度梯度，因為在這種情況下，軸套與主軸將只沿著一條線彼此接觸，該條線上的熱傳導(dǎo)將為最大。而試驗還未能說明溫差不足以使過盈消失時所產(chǎn)生的溫度梯度。不過，可以認(rèn)為，主軸及軸套間的接觸如果很不均勻，以致在過盈消失之前，就已經(jīng)產(chǎn)生了很大的溫度梯度。

啟動過程中，主軸有彎曲趨勢的原因，可能是經(jīng)過軸套處的熱流不均勻所致。因為熱彎曲按溫度差的大小而定，所以控制這一溫度差，并將其限制在允許范圍之內(nèi)，就可以把提升轉(zhuǎn)速的速度加快到司機(jī)的能力和注意力所及范圍。在如今的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)中，如整鍛主軸，不再采用軸封軸套(圖5)，因此由于這些軸套而產(chǎn)生的暫時撓度也就不再出現(xiàn)。不過，最好還是把蒸汽及金屬間的溫度差保持在一定限度之內(nèi)，以保證啟動的平穩(wěn)。

圖5 不用軸套的前軸封的汽輪機(jī)

如果汽輪機(jī)對溫度差并不敏感，就可以把加熱速度作為啟動的指標(biāo)，對所要求的加熱速度可以通過調(diào)節(jié)蒸汽流量及溫度差的辦法得以實現(xiàn)。當(dāng)汽輪機(jī)從冷態(tài)下啟動時，除非確信所有熱膨脹都很正常，司機(jī)才可把汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速提高到工作轉(zhuǎn)速。因此，蒸汽流量應(yīng)該受到限制，而較大的溫度梯度卻是有利的，因為它增加了加熱速度。當(dāng)汽輪機(jī)從熱態(tài)下啟動時，這時汽輪機(jī)已經(jīng)部分地膨脹，因而在汽輪機(jī)升速及帶負(fù)荷階段中，可縮短其加熱時間。此時，可以允許較大的蒸汽流量，采用溫差較小而蒸汽流量較大的加熱方式，可使整個汽輪機(jī)均勻加熱。

當(dāng)汽輪機(jī)由蒸汽母管啟動而不是單元制啟動時，是否能將溫度差保持在規(guī)定范圍內(nèi)，就要根據(jù)蒸汽管道內(nèi)及汽輪機(jī)內(nèi)的相對蒸汽流量，以及在這些流量下管道、汽輪機(jī)的相對加熱速度和所允許的溫度差而定。

如果蒸汽的進(jìn)汽溫度可以調(diào)節(jié)，即在具有良好控制過熱溫度的單元制電廠中，就很容易把溫度控制在既定的范圍內(nèi)，并保證平穩(wěn)及高速啟動。

由于軸封軸套或其他原因產(chǎn)生的橫向溫度梯度而引起的暫時性撓度，與許多特定的條件有關(guān)，因此對每一個汽輪機(jī)，應(yīng)具體加以研究。

4 軸承、聯(lián)軸節(jié)及其他

主軸在軸承中回轉(zhuǎn)時所占據(jù)的位置與潤滑油的粘度及主軸的重力有關(guān)。假如有一個不平衡力，就會引起一個數(shù)值及方向在回轉(zhuǎn)時都改變的合力。在此作用力的影響下，主軸軸頸的中心在軸承中將按一橢圓而運動。汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)軸承的正常間隙為0．25～0．38mm。為了保證穩(wěn)定回轉(zhuǎn)，此間隙通常認(rèn)為是大了些。因此，軸承襯套應(yīng)該設(shè)計成具有不大的間隙，并且應(yīng)盡量消除干擾力。

撓性聯(lián)軸節(jié)很可能是這種回轉(zhuǎn)干擾力的來源之一。如果撓性聯(lián)軸節(jié)中有偏心，則兩個聯(lián)軸節(jié)半體及兩個主軸間將出現(xiàn)一角度，這就成為振動的原因。當(dāng)扭矩逐次增加時，會將軸心線拉直。因此，通常在低負(fù)荷時振動較為顯著。此種類型振動的特點就在于：主軸某一端運動的軌跡被其最靠近的軸承所限制，而在另一軸承處，此振動企圖以相反的相位出現(xiàn)。這種振動不是很嚴(yán)重，因為主軸的質(zhì)量中心對振動軸線的偏差不大。

但是也有另一種現(xiàn)象，當(dāng)突然甩去負(fù)荷而后再次增加負(fù)荷時，這種振動隨即消除，可以認(rèn)為這種聯(lián)軸器的中心還有進(jìn)一步對準(zhǔn)的可能性。

由于快速啟動的重要性，以及為了滿足平衡運行而提出的各項更高要求，目前用剛性聯(lián)軸器代替撓性聯(lián)軸器來連接主軸已成為一種趨勢。

5 結(jié)束語

在以上所述的基礎(chǔ)上可得結(jié)論如下：汽缸的熱變形以及由于熱方面的原因而引起的轉(zhuǎn)子振動，通常就可能成為限制啟動速度的兩個因素。

有理由這樣假設(shè)，當(dāng)汽輪機(jī)達(dá)到自己的工作溫度工況以后，即將平穩(wěn)地工作。因此，只要控制加熱速度，汽輪機(jī)可以在安全條件所允許的情況下啟動，又快又平穩(wěn)。加熱速度可以靠限制蒸汽流量及溫度差來調(diào)節(jié)。

允許的加熱速度視汽輪機(jī)構(gòu)造而定。從經(jīng)濟(jì)性的要求考慮，應(yīng)使這一速度盡量高，只要能操縱汽輪機(jī)，使之在極為良好的情況下工作即可。

在大多數(shù)情況下，汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子均制成撓性的，啟動時，只有經(jīng)過轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時的那一瞬間，才須加以注意。通常，轉(zhuǎn)子的平衡情況很好，以至于汽輪機(jī)在接近于臨界轉(zhuǎn)速時振動也不明顯。

至于高壓轉(zhuǎn)子，可能破壞平衡的外力因素較多，因此在提升轉(zhuǎn)速的時候，最好在稍低于臨界轉(zhuǎn)速時停止繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，檢查轉(zhuǎn)子的撓度并證明轉(zhuǎn)子是直的，當(dāng)快速增加溫度沒有危險時，可以很快地通過臨界轉(zhuǎn)速。應(yīng)該避免在臨界轉(zhuǎn)速附近發(fā)生撓度增加的現(xiàn)象，應(yīng)避免在高于臨界轉(zhuǎn)速時，撓度增加。在后一種情況下，企圖用降低轉(zhuǎn)速的方法來消除振動，將會導(dǎo)致事故的發(fā)生。采用撓性軸的優(yōu)點很多，但啟動速度慢的缺點卻是不可避免的。

總而言之，啟動過程是一個加熱過程，而轉(zhuǎn)子的振動則是啟動的主要準(zhǔn)繩。與此相關(guān)的許多工作因素是隨著不同的汽輪機(jī)而改變的，它們的影響可能是彼此相加，也可能互相抵消。因此，對一個新機(jī)器，在還沒有確定其加熱速度之前，應(yīng)予以很好的關(guān)注。經(jīng)過一個時期的適應(yīng)之后，就容易操縱了，并且最好以固定的人員來操作它。當(dāng)提高汽輪機(jī)平穩(wěn)工作的一切措施都已做到(如結(jié)構(gòu)問題，審慎地加工制造以及在良好基礎(chǔ)上精確地安裝等)，重點就在于積累該機(jī)器的運行經(jīng)驗了。為了使汽輪機(jī)能很好地工作，沒有任何東西可以代替這些經(jīng)驗。

［1］ 陸頌元．汽輪發(fā)電機(jī)組振動［M］．北京：中國電力出版社，2000．

［2］ 西安電力學(xué)校．大功率汽輪機(jī)設(shè)備及運行［M］．北京：電力工業(yè)出版社，1980．

［3］ 胡念蘇．汽輪機(jī)設(shè)備及其系統(tǒng)［M］．北京：中國電力出版社，2003．

［4］ 紀(jì)昌宏，丁立波，李文霞．汽輪機(jī)及汽輪機(jī)裝置［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．