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1、第三章第一节 汽轮机的启动3一、汽轮机组启动的基本要求3二、汽轮机启动方式分类8三、汽轮机启动的主要阶段10四、汽轮机冷态启动10五、汽轮机热态启动29第二节 汽轮机停机41一、停机方式的分类41二、正常停机42三、滑参数停机43四、事故停机48五、汽轮机停机后的操作与维护51六、汽轮机的快速冷却54七、汽轮机启停相关专业理论基础知识56第三节 汽轮机运行57一、汽轮机正常运行维护57二、汽轮机运行中的主要监督项目68三、汽轮机运行中的定期工作76四、汽轮机的运行方式77五、汽轮机组的负荷控制79六、汽轮机单阀控制与顺序阀控制83七、汽轮机组的运行优化管理86八、汽轮机运行相关专业理论基础知识
2、87第四节 汽轮机试验90一、汽轮机试验总则90二、汽轮机试验介绍91三、汽轮机试验相关专业理论基础知识112第五节 汽轮机保护116一、汽轮机保护的设计原则116二、汽轮机保护系统组成119三、汽轮机保护主要项目及功能120四、汽轮机主保护配置情况132五、汽轮机保护动作结果133六、汽轮机保护相关专业理论基础知识136第三章 汽轮机的运行汽轮机运行所涉及的内容非常广泛，就运行工况看，包括汽轮机的启动、停机、带负荷运行等工况。此外，汽轮机的试验、汽轮机设备保护等也属于运行方面的内容。汽轮机从静止状态到工作状态的启动过程和从工作状态到静止状态的停机过程中，各零部件的工作参数都将发生剧烈变化，因
3、此可以认为启动和停机过程是汽轮机运行中最复杂的运行工况。而这些剧烈变化的工作参数中，对机组安全运行起决定因素的则是温度的变化。在机组的启动停机过程中，由于温度的剧烈变化，以及汽轮机各零部件的尺寸很大且工作条件不同，必将在各零部件中形成温度梯度，从而产生热变形和热应力，当综合应力达到相当高的水平，甚至超出屈服极限，使这些高温度部件遭受一定损伤，这种损伤的累积最终导致部件损坏。启动时，转子表面先被加热而膨胀，但此时轴孔内腔部位则处于冷状态，它限制表面的膨胀，从而使转子表面层内产生热压应力，而轴孔内腔部位则承受热拉应力。停机时，转子表面先受冷，而轴孔腔室部位却保持较高温度，从而使表面层承受拉应力而轴
4、孔部位承受压应力。显然，汽轮机每启停一次，转子内外表层就承受一次压缩和拉伸，这种压缩和拉伸反复作用，就会引起金属材料的疲劳损伤，就有可能出现裂纹。目前把转子金属材料承受一次加热和冷却称作一次温度循环（或热循环），由此而引起的疲劳则称为低周疲劳，并且用转子的寿命损耗来计量。这就是说，汽轮机每启停一次，转子的寿命就要被损耗掉一部分，这种交变热应力成千上万次的作用，转子表面就会因材料达到疲劳而出现裂纹。目前，大容量汽轮机都是以高压转子及中压转子的热应力水平来控制汽轮机的启动，以使汽轮机的寿命损耗率在允许范围之内，从而实现寿命管理，保证机组在服役期的安全。运行人员的首要任务是保证汽轮机的安全运行，在保
5、证机组安全运行的前提下不断提高设备运行的经济性也是运行人员的重要任务。第一节 汽轮机的启动汽轮机组启动的基本要求汽轮机的启动是指汽轮机转子从静止状态升速到额定转速，并将负荷加到额定负荷的过程，汽轮机启动是汽轮机热力状态和机械状态最不稳定、最复杂的过程。因为启动过程中，在设备部件上产生的热应力和机械应力往往是叠加的，在热态启动时，还要增加一些在停机过程中遗留的问题，使情况更为复杂。1. 汽轮机启动的基本要求汽轮机在启动过程中，其机械状态和热力状态都发生了很大的变化。从热力学的观点看，汽轮机的启动过程的实质就是对汽轮机各部件的加热过程。在完成加热过程的同时，也完成了机械状态的改变。600MW机组的
6、整个启动过程包括启动前的准备、冲转前的操作、汽轮机的冲转、升速暖机及并网后接带负荷等几个阶段。对于机组启动的基本要求是：和锅炉电气配合，在保证设备安全的基础上尽快地使机组带上负荷，以减少启动能耗并增加机组在电网内的机动性。对汽机本体来说，所谓保证安全就是在启动过程中使机组各部分的热应力、热变形、转子和汽缸的胀差以及机组的振动均维持在允许的范围内，尽快地把机组的金属温度均匀地升高到正常工作时的温度，并使整个启动过程不会对汽轮机寿命产生明显影响。600MW汽轮机组的运行经验证明，热应力、热变形、胀差和振动四个问题，经常成为影响机组正常启动的主要问题，尤其是国产机组，这些问题常常成为满足启动基本要求
7、的制约因素。（1） 1.1 热应力在汽轮机启动、停机或变负荷过程中，其零部件由于温度变化而产生膨胀和收缩变化，称为热变形。当热变形受到某种约束（包括金属纤维之间的约束）时，则要在零部件内产生应力，这种由于温度（或温差）引起的应力称为温度热应力或热应力。应该指出，当温度变化时，若零部件内各点的温度分布均匀，且变形不受任何约束，则零部件仅产生热变形而不会产生热应力。当此热变形受到某种约束时，则在零部件内部产生热应力。当物体的温度变化不均匀时，即使没有外界约束条件，也将产生热应力。由此可知，引起热应力的根本原因是温度变化时，零部件内温度分布不均匀或零部件变形受到约束。汽轮机在启、停或变负荷运行时，接
8、触汽轮机汽缸和转子各段的蒸汽温度变化引起汽缸、法兰、转子温度变化，因此汽缸、法兰、转子等部件内部都存在温度差，由于金属纤维之间的约束，这些零部件内产生热变形和热应力，其形式表现为不均匀受热物体的热变形、热应力。热应力的大小和方向与零部件内的温度场情况与运行方式有关。现以法兰为例来说明产生热应力的情况。沿着法兰宽度方向有温差存在，因此会产生热应力，启动时，法兰外侧的温度低于内侧的温度，因而受热后内侧膨胀大，外侧膨胀小，外侧就会阻止内侧自由热膨胀，其结果是内侧产生压缩热应力，而外侧受到拉伸热应力。停机时，情况则相反，法兰外侧温度大于内侧温度，这时，内侧为拉伸热应力，外侧为压缩热应力。如果机组不断启
9、停，汽缸和法兰内外侧就要承受交变的热应力。为了防止出现过高的热应力，应该限制汽缸和法兰在宽度上的温差在允许的范围内，有时也用温升速度或温降速度作为限制热应力的指标。对于汽轮机转子来说，在启动过程中，除热应力外，还有不可忽视的离心应力的影响。离心应力是一种拉应力，对热应力中的拉应力的控制应留有充分的余地。热应力主要取决于汽轮机负荷（或转速）的变化速度及进汽温度的变化速度。因此，在启动时应密切注意它们的变化，将其控制在允许范围内。1.2 热膨胀及转子、汽缸的胀差汽轮机在启动过程中，汽缸和转子同样受到汽缸内气流的冲刷而进行传热。由于转子和汽缸的结构不一样，它们与蒸汽之间的传热系数也不同，所以传热量也
10、不相同，并且转子比较容易膨胀，而汽缸的膨胀还要受到管道、台板摩擦等的影响，所以汽缸和转子的膨胀量不会相等。这样，就会改变汽轮机内部隔板与叶轮之间的轴向间隙，使汽轮机动静之间有可能产生摩擦。启动过程中，必须选择合适的冲转参数、转速和时间，使法兰温度跟上通流部分蒸汽温度的变化，减小转子和汽缸的膨胀差。转子和汽缸的膨胀主要决定于汽缸和转子的质面比。所谓质面比，就是转子和汽缸质量与被加热面积之比，通常以m/a表示。转子与汽缸的质量、表面积、结构各不相同，故它们的质面比也不同，转子质量轻，表面积大，即质面比小，而汽缸质量大，表面积小，故质面比大。因此，在启动和停机过程中，转子温度的升高（或降低）速率比汽
11、缸快，也就是说在启动加热过程中转子的热膨胀值大于汽缸；在冷却时转子的收缩值也大于汽缸，转子与汽缸就不可避免地会出现胀差。若汽轮机在启动过程中，操作不当，在机组并网以前转子比汽缸膨胀量大很多，可能造成胀差超限，影响安全。这是因为在机组空转时，汽轮机进汽量小，缸内还处在真空状态下，蒸汽密度小，冲刷缸壁的流速小，于是蒸汽与汽缸之间的传热就小，而且由于这时各压力级效率低，蒸汽进入这些级内几乎不做功，而转子摩擦鼓风所消耗的功又变为热量被蒸汽带走，由于蒸汽流量小，故温升量较大，所以通流部分流动的蒸汽是处在过热状态。过热蒸汽的放热系数则比饱和蒸汽的小很多。因此，它传给汽缸的热量就少很多。而转子高速旋转，汽流
12、对其的冲刷速度要比汽缸大很多，相互之间的传热也大，这样促使转子温度上升，以致胀差变大。正确的汽轮机设计应使汽缸和转子的质面比近似相等，这样就可以保证转子和汽缸能以相同的速度随汽温而变化，胀差最小。随着高参数的应用增加，转子与汽缸的重量相差增大，故而质面比也相差较大，这样就不可避免地会出现胀差。胀差的大小，可以表明汽轮机动静部分轴向间隙的变化情况。监视胀差是机组启停过程中的一项重要任务。在启动操作中，尽量缩短低速暖机和升速时间，这一段时间越长，则胀差就越大。在汽轮机启停和负荷变化过程中，为了避免出现过大的胀差和热应力，应当合理控制蒸汽的温升速度和负荷变化速度，合理使用汽缸和法兰螺栓加热装置，以及
13、利用轴封供汽控制胀差，在分析胀差时，要考虑下列因素对它的影响。（1）轴封供汽温度和供汽时间的影响在汽轮机冲转到向轴封供汽时，由于冷态启动时轴封供汽温度（约140180）高于转子温度，转子局部受热面延长，可能出现轴封摩擦现象。在热态启动时，为防止轴封供汽后胀差出现负值，轴封供汽应选用高温汽源，一般供汽温度为180190，并且一定要先向轴封供汽，后抽真空，应尽量缩短冲转前轴封供汽时间。（2）真空的影响在升速暖机过程中，真空变化会引起胀差变化。当真空降低时，为了保持机组转速不变，必须增加进汽量，摩擦鼓风损失增大，因而使高压转子受热加大，其胀差值随之增加。当真空提高时，则反之，使高压转子胀差减小。但真
14、空高低对中、低压缸通流部分的胀差影响与高压转子相反。因此，升速、暖机过程中，不采用提高真空的办法来减小中、低压通流部分的胀差。（3）进汽参数影响当进汽参数发生变化时，首先对转子受热状态发生影响，而对汽缸的影响要滞后一段时间，这样也会引起胀差变化，而且参数变化速度越快，影响愈大。（4）汽缸和法兰螺栓加热的影响大多数汽缸都设有水平法兰，水平法兰在升速过程中温度比汽缸要低，它阻碍汽缸的膨胀，引起胀差增加，因此要采用合适的法兰加热系统，使法兰温度也能随汽流温度而上升，可使胀差减小。（5）转速影响对于大容量机组，因转子很长，应考虑离心力对胀差的影响。因为在离心力作用下，转子会发生径向移动，当转子发生径向
15、伸长时，则其轴向会缩短，胀差随之减小。另外转速变化，即进汽量变化，汽缸内各级蒸汽比体积相应变化，随转速增加，高压转子胀差逐渐增加，而中压转子胀差先随转速升高而增加，中速之后又随转速增加而减小。在运行中，必须加强对汽缸绝对膨胀的监视，防止左右侧膨胀不均以及卡涩造成的动静部分摩擦事故。1.3 热变形在启、停和带负荷运行工况变化时，由于各部件受热不均，会引起热变形，因而通流部分或上下缸、阀门等地方的间隙产生变化，以致可能发生漏汽现象甚至严重损坏事故。（1）上下缸温差引起的热变形汽轮机启停时，通常是上汽缸温度高于下汽缸温度。上汽缸温度高、热膨胀大、而下汽缸温度低、热膨胀小，这就引起汽缸向上拱起。这时，下汽缸底部动静部分的径向间隙减小，严重时甚至会发生动静部分摩擦。上、下缸温差产生的主要原因是：（1） 上下汽缸的质量和散热面积不同。下汽缸比上汽缸的金属质量大，且下汽缸布置有通向低温设备的抽汽和疏水管道，因此在同样保温、加热或冷却条件下，下汽缸温度要比上汽缸下降得快些。（2） 汽缸内部因蒸汽上升，凝结的放热大于凝结水干流时的放热，蒸汽凝结的疏水经疏水管排出，疏水形成的水膜降低了干汽缸受热条件，在汽缸外部
