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1、1汽轮机启动过程中转子的三热分析及控制方法摘要：蒸汽在汽轮机内膨胀做功，将热能转变为机械能，同时又以对流传热的方式，将热量传递给转子等金属部件的表面。由于热量与转子接触，在转子内产生温差，从而产生热应力后导致转子的热膨胀和热变形。本文就目前600MW 汽轮机在不同方式启动过程中转子三热的原因及所暴露的问题和控制方法问题分析得到一些三热对转子的影响及控制方法，以保证汽轮机组的正常运行。关键词：汽轮机；转子；三热；自动控制一、汽轮机转子的受热特点1.1 600MW 汽轮机高中低压缸蒸汽温度当汽轮机冷态启动时，温度较高的蒸汽与冷的汽缸内壁接触，这是蒸汽的热量主要以凝结放热的形式传给金属壁（现代大型汽
2、轮机的一、二次汽温高，一般为 535650，）高压缸调节级和中压缸调节级第一级的热降都不大，因此调节级后和中压缸第一级后的汽温仍然很高，必须选用合适的耐热合金钢。由于凝结放热的系数很高，且越高，放热系数越大，传热量也就越大，汽缸内壁温度很快就上升到该蒸汽压力下的饱和温度，当汽缸内壁的金属温度高于该蒸汽压力下的饱和温度时，凝结放热阶段结束，此后蒸汽主要以对流放热的方式向转子传热。1.3 转子的工作特点汽轮机转子的工作条件相当复杂，工作时转子受高压、高温气流冲击，除承受巨大的扭矩外，还要承受高速旋转的巨大离心力。受热不均时引起的热应力和热变形，轴系振动时产生动应力，因此，要求转子必须具有很高的结构
3、强度和优秀的工作特性。1.3 转子所用材料2图 1 转子的结构例如，某 600MW 汽轮机高、中压转子采用 30Cr1Mo1V 耐热合金钢制成，能在 590 下安全工作。低压转子材料采用 30Cr2Ni4MoV，高、中压转子脆性转变温度（FATT）80，低压转子脆性转变温度（FATT）10，保证了转子良好的性能。1.4 受热方式及产生的危害现代汽轮机的转子，虽然其受热条件比汽缸好些，它的外周面和叶轮两侧均能与蒸汽接触，仅转子中心的热量仍然是由它的外周以热传导的方式传递的。因此，转子沿半径方向也会出现温度梯度。如果在金属升温过程中，加热蒸汽的温度以均匀速率上升，则金属的温差随着整个温升过程持续增
4、大，经过一段时间后，该温差达到最大，此后，虽然金属温度随蒸汽温度的升高而升高，但转子表面与中心孔的温差保持最大之且不变，通常称温差达到最大值的时刻为准稳态点。对于一般的汽轮机转子，当蒸汽温升率不变时，进入稳准点的时间大约为 80100min。但对于汽轮机的实际启动工况。当汽轮机启动结束后，转子内、外壁温差逐渐减小，经过一段时间后，如不考虑转子本身散热的，转子表面与中心孔的温度相等，且接近蒸汽温度，此时汽轮机进入稳定工况运行。二、汽轮机启动中转子的热应力分析2.1 热应力的产生启动时，转子外表面温度上升速度较中心孔快得多，从而产生温差。外表3面产生压缩应力，内孔表面产生拉伸应力。若表面温升剧烈，
5、压缩应力会使表面材料屈服，在负荷稳定后，转子表面会持续残余拉伸应力影响。目前，把这种转子金属材料承受一次加热冷却的过程称为一次温度循环，由此而引起的疲劳则称为低周疲劳。这样的一次交变热应力虽然不一定立即造成宏观可见的缺陷，但是每一次较大的热应力交变，都会消耗转子的使用寿命，经多次累计，最终会使转子出现宏观裂纹损坏。热态启动时，如果新蒸汽的温度没有保证调节级室汽温略高于金属温度，则是转子表面受到冷却，之后随着参数的提高，转子表面又被加热，因此，使转子表面先受到拉伸应力，后受到压缩应力；内孔壁承受的则先是压缩应力，后是拉伸应力。这样，一次启动就形成了一次交变应力的循环。转子的情况比较复杂，可将转子
6、视为空心圆柱体，并假定在启、停和变工况时，其内部金属温度只沿半径方向变化，且断面上温度分布对称于转子轴线。如果在启、停或负荷变化时转子沿半径方向的温度变化规律已知，则根据热弹性理论可分别计算出转子截面上任意一点的径向、切向和轴向热应力。研究人员通常最关心最大应力值和发生部位。根据前面对热应力产生原因分析可知，对转子任意截面，最大热应力发生在转子的表面和中心孔处。由于转子内、外表面的径向热膨胀不受约束，故径向热应力为零；转子内、外表面的切向热应力与轴向热应力相等。2.1.1 冷态启动时的应力4汽轮机冷态启动时对汽缸、转子等零部件来说是加热过程, 随着进入汽缸的蒸汽温度不断提高和流量不断增加,蒸汽
7、传给汽缸和转子的热量也不断增加,使之温度升高,汽缸被加热时,汽缸内壁温度高于外壁温度,内壁的膨胀由于受到外壁的制约,因而其内壁受压缩,产生拉应力,而外壁由于受到内壁膨胀的拉伸,而产生拉伸应力。同样当转子被加热时, 转子外表面和转子中心存 在温差,两个表面膨胀不同, 温度高的外表面产生压缩热应力,转子中心则产生拉伸应力,如图2 所示。2.1.2热态启动时的应力在热态启动冲转时, 调节级处的蒸汽温度可能低于该区段汽缸或转子的金属温度, 会使汽缸或 转子产生附加冷却,转子表面和汽缸内壁产生拉伸热应力,5而汽缸外壁和转子中心产生压缩热应力,随着蒸汽温度的升高,调节级后的蒸汽温度开始高于转子和汽缸的金属
8、温度,到最大值以后又逐渐减小, 在稳定工况下运行时, 汽缸和转子的热应力趋于零。由此可知,每一次热态启动转子表面和转 子中心的应力,刚好完成一个交变应力循环。汽缸也是如此,这一点与冷态启动不同。如果热态启动时, 转子表面热应力超过材料屈服极限,就是在稳定工况下, 该处同样会出现残余拉伸热应力和松驰现象,这对部件使用寿命极为不利, 转子热态启动时转子温度和应力如图 3 所示。由上图可以明显看出随着调节级后温度升高，转子表面温度和转子中心温度都在上升。根据高压缸调节级金属温度在热态启动曲线上确定汽轮机冲转参数、初负荷(系指高压缸调节级汽温与金属温度不匹配度低于精确匹配线以下所确定的最低负荷)、5%
9、额定负荷保持时间及其升速率，注意汽轮机高压缸调节级蒸汽温度与其金属不匹配度须在-56111之间;主蒸汽温度要在最低过热度为50的情况下向汽轮机送汽，主汽阀前蒸汽参数应处于主汽阀启动蒸汽参数曲线所示的标有在切换转速下、主汽阀进口的最低汽温的曲线上;热态启动的冲转及带负荷方式与冷态启动相同，但要求顺利迅速地进行;机组升负荷过程中，要密切注意主蒸汽温度、胀差、缸胀和机组的振动情况，主蒸汽温度的剧烈变化对汽轮机的一切运行状态都可能造成严重后果。6图 3 热态启动时转子温度和应力2.2 热应力的计算公式转子表面和转子中心的最大温差t 可用下式计算:t= R2b 4式中: R 转子半径, ( m) ;b
10、转子有面的温度变化率( /h) ; 导热系数( = c# ) 。2.2.1汽轮机启动过程中的热应力计算及其分析汽缸壁内壁温度按抛物线型分布时的热应力 := %E ( tv - t) 1- &= %E ( ta + 1 t- t) 1- &= 1 %E t73 1- &式中: t v 沿壁厚的平均温度2.3 国产 600MW 汽轮机转子的现状和暴露的问题2.3.1 高、中压转子的热应力国产 600MW 汽轮机的高、中压转子都是用国产 27C2M1V 钢整锻制成。高、中压缸的进汽温度相同，调节级后汽温与第 9 压力级后相近。姚孟电厂 1号机原设计一、二次汽温为 565/565 ，调节级后汽温与第
11、9 压力级后汽温为537/543 。望亭电厂两台 30 万千瓦汽轮机的一、二次汽温为 550/550，级后汽温分别为 530/528。而 27C2M1V 钢的使用温度为 540，因此制造厂曾采用以中温蒸汽冷却中压转子。 2.3.2 低压转子的热应力国产 600MW 汽轮机的两个低压转子采用 17CrMo1V 钢氬弧焊接结构。在3000 转/ 分时，末级叶轮轮缘处的切向应力超过 1600 公斤/ 厘米，轴心处的切向应力为 3000 公斤/厘米，末第二级轴心处的切向应力高达 3200 公斤/厘米。焊接转子的应力情况比整锻转子和套装转子都好，其轴心处的应力比整锻转子约低 40%，比套装转子约低 60
12、%。焊接转子没有套装叶轮那样的键槽，可避免应力集中的影响。因此，现代大型机组的低压转子普通趋向采用焊接结构，但是应当采用韧性较高和脆性转变温度低于 10的材料，并且要求良好的焊接技术。通常，低压转子的工作温度低，其主要问题不在于热应力而在于离心应力，以及应力腐蚀问题。超速试验时，离心应力增加很多，每启、停一次，离心应力也就变化一次，次数多了，也就会造成低周期疲劳损伤。如果转子材料的韧性较差。或脆性转变温度较高，而且超速试验次数频繁，再加上暖机不够，也可能产生转子表面裂纹的情况。82.4 热应力评估 TSE汽轮机热应力评估 TSE 的基本功能就是对汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压
13、缸体等厚重部件的温差进行监视，防止由于蒸汽温度与金属温度的不匹配导致金属部件产生过大的热应力，影响部件的使用寿命。这里的温差监视实际上是所谓的温度裕量（Margin）监视。它是汽轮机部件的实际温差和设计温差的差值，温度裕量越大，说明温差越小，部件所受的热应力也越小。为了确保机组启动和变工况时，其热应力处于可控范围，DEH 根据温度裕量的大小自动设置升速率和最大允许的负荷变动率。而且 TSE 出现故障时，DEH 将不允许机组启动，并闭锁汽轮机升速或变负荷。3、汽轮机启动中转子的热膨胀影响3.1 产生原因金属受热后，其长、宽、高各个方向都要膨胀。高温高压汽轮机从冷态启动到带额定负荷运行，金属温度变
14、化很大，因此，汽缸轴向、垂直和水平方向的尺寸都有显著增大。汽轮机启、停和工况变化时，汽缸的膨胀、收缩是否自由，直接决定机组的正常运行。滑销系统的合理布置和应用，就可以保证汽缸在各个方向的自由运动，同时保证汽轮发电机组各部件的相对位置正确，从而保证机组安全运行。其数值大小可用式计算，即L cy=cyt cyLcy9式中L cy转子的轴向热膨胀值，mm；cy转子金属材料的线膨胀系数，1/；t cy转子的平均温升，；Lcy转子的轴向长度，mm。3.2 热膨胀的危害及影响因素汽轮机在启动停或变工况过程中，由于汽轮机转子与汽缸的热交换条件不同，因此会出现转子和汽缸沿轴向的膨胀不相同，即出现相对膨胀，亦称
15、之为胀差。如果转子轴向膨胀值大于汽缸轴向膨胀值，我们称为正胀差，反之称为负胀差。由于高压汽轮机设计的各级叶轮的出汽侧通流间隙都大于进汽侧的通流间隙，所以一般情况下汽轮机组都允许正胀差大于负胀差。中铝山西分公司热电分厂汽轮机运行规定汽轮机组胀差控制范围为一 lmm 一+3mm 之间。3.2.1 举实例分析某电厂 4 号汽轮机组，于 1998 年 3 月份就发生了由于胀差失控，造成推力瓦磨损，汽轮机动静叶摩擦抱死，汽轮机转子报废的特大设备事故。事故过程是汽机轴向位移报警系统失灵，在运行中违规解除了轴向位移保安系统，而汽轮机在此情况下又出现了胀差失控现象，当出现胀差报警时，未及时调整负荷和采取恰当措
16、施控制胀差，直到机组出现了剧烈的振动才打闸停机停机后，再盘车就出现盘车不动的现象，机组冷却后，揭前箱检查，工作面推力瓦已严重损坏，揭汽缸检查，发现各级叶轮的出汽侧与隔板进汽侧磨损较大，隔板轮面上粘连熔化钢皮层达 1.01.5 锄，动叶轮出汽侧面有明显磨痕。调节级出汽侧磨损约 2 锄 ，汽封阻汽片、轴向、径向严重磨损，各级动片轴向出汽侧和径向围带均有不同程度磨损，叶片面有裂缝，第六级叶 片发生了轴向松旷，转子上有六级叶轮的轮毂发生了变形，向前偏 5、6cm。经过专家组的联合检查鉴定，某电厂 4#汽轮机组动静磨损严重，特别是转子轮毂变形较大，难以校正，整个10转子若修复，经费甚高且修复后质量、安全、经济性能难以保证，建议该转子报废，更换新转子。3.2.2 运行中应注意和问题必须严格控制蒸汽的温升(温降)速度，这是启停机过程中控制胀差值的最有效的方法。 产生胀差的根本原因是
