1、汽轮机的启动和停止李京伟汽轮机基础知识v热应力、热冲击、热疲劳的概念v 物体内部温度变化时，只要物体不能自由伸缩，或其内部彼此约束，则在物体内部就产生应力，这种应力称为热应力。v 金属材料受到急剧的加热和冷却时，其内部将产生很大的温差，从而引起很大的冲击热应力，这种现象称为热冲击。一次大的热冲击，产生的热应力若超过材料的屈服极限，就会导致金属部件的损坏。v 当金属部件被反复加热和冷却时，其内部就会产生交变热应力。在此交变热应力反复作用下，零部件遭到破坏的现象称为热疲劳。v造成汽轮机热冲击的原因v 启动时蒸汽温度与金属温度不匹配。一般启动中要求启动参数与金属温度相匹配，并控制一定的温升速度，如果
2、温度不相匹配，相差较大，则会产生较大的热冲击；v 极热态启动时造成的热冲击。单元制大机组极热态启动时，由于条件限制，往往是在蒸汽参数较低情况下冲转，这样在汽缸、转子上极易产生热冲击；v 负荷大幅度变化造成的热冲击，额定满负荷工况运行的汽轮机甩去较大部分负荷，则通流部分的蒸汽温度下降较大，汽缸、转子受冷而产生较大热冲击。突然加负荷时，蒸汽温度升高，放热系数增加很大，短时间内蒸汽与金属间有大量热交换，产生的热冲击更大；v 汽缸、轴封进水造成的热冲击。 v何谓金属蠕变v 金属材料在高温条件下所受的应力，即使低于此金属材料在此温度下的屈服极限，但是经过长时间的作用，也能够使金属材料产生连续的、缓慢的塑
3、性变形积累。金属材料在一定的温度和一定的应力作用下经过长时间后，产生缓慢的、连续的塑性变形的现象称为蠕变。v 金属在蠕变过程中，塑性变形不断增长，最终断裂。所以在高温下，即使承受的应力不大，金属的寿命也有一定的限度。金属在温度变动频繁的条件下工作，如汽轮机经过启动、运行、停机、再启动的过程，其蠕变也会加速。v金属的低温脆性转变温度v低碳钢和高强度合金钢在某些温度下有较高的冲击韧性，但随着温度的降低，其冲击韧性将有所下降，冲击韧性显著下降时的温度称低温脆性转变温（ FATT），金属的低温脆性转变温度就是脆性断口占 50时的温度。我厂汽轮机转子低温脆性转变温度（ FATT） 116 ，一般以中压缸
4、排汽口处金属温度或中压缸排汽温度为参考，判断转子金属温度特别是中压转子中心孔金属温度是否已超过金属低温脆性转变温度（ FATT）。v汽轮机工作的基本原理v具有一定压力、温度的蒸汽，进入汽轮机，流过喷嘴并在喷嘴内膨胀获得很高的速度，高速流动的蒸汽流经汽轮机转子上的动叶片做功，当动叶片为反动式时，蒸汽在动叶中发生膨胀产生的反动力也使动叶片做功，动叶带动汽轮机转子，按一定的速度均匀转动。这就是汽轮机最基本的工作原理。从能量转换的角度讲，蒸汽的热能在喷嘴中转换为汽流动能，动叶片又将动能转换为机械能，反动式叶片，蒸汽在动叶膨胀部分，直接由热能转换成机械能。v汽轮机的冲动级、反动级v 蒸汽流过汽轮机的动叶
5、片时，发生动量变化对该叶片产生冲力，使叶片转动。这种作用力一般可分为冲动力和反动力两种形式。当汽流在动叶汽道内不膨胀加速，而只随汽道形状改变其流动方向时，汽流改变流向对汽道所产生的离心力，叫做冲动力，这时蒸汽所做的机械功等于它在动叶片动能的变化量，这种级叫冲动级。v 当汽流在动叶汽道内不仅改变方向，而且因膨胀使其速度也有较大的增加，则加速的汽流流出汽道时，对动叶片将施加一个与汽流流出方向相反的反作用力，就象火箭燃料燃烧喷出高温气体，气体对火箭产生反作用力一样，这个作用力叫做反动力。依靠反动力推动的级叫做反动级。v 我厂机组调节级为冲动级，各压力级为反动级。v汽轮机的胀差、胀差的测点v 蒸汽进入
6、汽轮机后，转子及汽缸均要膨胀。由于转子质量较小，温升较快，故而膨胀较汽缸更为迅速，转子与汽缸沿轴向膨胀之差值称为转子与汽缸的相对差胀，简称差胀。我厂规定：正常运行胀差为 -0.76+15.7mm，跳机值为 -1.54或 +16.45mm 。v 习惯上规定：当转子轴向膨胀值大于汽缸的轴向膨胀值时，差胀为正，反之差胀为负。差胀为正时，说明转子的膨胀大于汽缸的膨胀。差胀为负时说明转子的收缩值较汽缸收缩值大。v 胀差测点在 #4瓦与盘车大齿轮之间。v汽轮机的轴向位移v 汽轮机机头推力盘对于推力轴承支架的相对轴向位置，就是汽轮机的轴向位移。推力盘对位于其两侧的推力轴承瓦块施加轴向压力，轴瓦磨损，造成转子
7、的轴向位移由测量装置显示出来。我厂规定：正常运行串轴值为 -0.9+0.9mm，跳机值为 -1或 +1mm 。轴向位移与差胀的关系v轴向位移与差胀的零位均在推力瓦处，而且零点的定位法相同。轴向位移变化时，其数值虽然小，但大轴总位移发生变化。v当轴向位移为正值时，大轴向发电机方向位移，差胀向正值（增加）方向变化；当轴向位移向负值方向变化时，转子向机头方向位移，差胀向负值（减小）方向变化；机组负荷不变，参数不变，轴向位移与差胀不发生变化。v机组在启动加热过程中高、中压转子对汽缸的相对膨胀 (差胀）变化情况v 机组启动加热过程中，总是转子加热快，因此转子膨胀也要比汽缸快，从而产生转子与汽缸的相对膨胀
8、。在高压部分，转子向后膨胀，与汽流方向相反，而高压静叶持环向机头方向膨胀，这样相对膨胀为负差胀，差胀减少，其大小只能限制在高压部分各级轴向间隙数值的范围内，否则差胀稍大动静部分就要摩擦。中压部分，两个持环均向发电机方向膨胀，和转子的膨胀方向及汽流方向一致，为正差胀，差胀增加，结果使各级静叶和动叶间的轴向间隙减小的要比负差胀来得慢，因此可允许差胀量增大。低压缸汽端部分，差胀减少；在低压缸励端部分，由于缸胀不及转子膨胀，故差胀增加。汽轮机冷态启动时，汽缸、转子上的热应力变化v汽轮机冷态启动，对汽缸、转子是加热过程，汽缸被加热时，内壁温度高于外壁温度，内壁的热膨胀受到外壁的制约，因而内壁受到压缩，产
9、生压缩热应力，而外壁受内壁膨胀的拉伸，产生热拉应力。同样，转子被加热时，转子外表面温度高于转子中心孔温度，转子外表面产生压缩热应力，转子中心孔产生热拉应力。v冷、热态开机的主要差别v 开机前所做试验不一样，热态开机所做试验要少一些；v 除氧器加热温度不一样，热态开机除氧器加热水温较冷态开机高； v 热态开机先投轴封汽后抽真空。冷态先抽真空，后投轴封汽；v 冲转参数不一样，冲转升速率不一样；v 暖机时间不一样；v 升负荷率不一样。汽轮机的启动v汽轮机启动的概念v 汽轮机的启动是指转子由静止（或盘车）状态升速到额定转速，并将负荷逐步增加到额定负荷的过程。汽轮机的启动过程，也就是蒸汽向金属部件传递热
10、量的复杂热交换过程。在这个过程中，汽轮机各金属部件将受到高温蒸汽的加热，从室温及大气压力的状态过渡到额定温度和压力的状态。制定合理的启动方式，就是研究汽轮机合理的加热方式，使启动过程中能保证机组的安全、经济，并力求缩短汽轮机的启动时间。机组启动必须具备的条件v 1、机组各部分安装完毕、齐全、准确、联接牢固，无松动和泄漏，各运转部件动作灵活、无卡涩，内部清洁，符合要求。v 2、机组安装完毕或运行机组投运前，油系统必须按要求进行冲洗，验收合格，调节保安系统用油油质合格。v 3、各部套经单独试验，动作灵活，并有合格的安装试验记录。v 4、机组所有仪器、仪表、测点齐全，安装接线正确，性能稳定，标志明显
11、。v 5、机组所有管道保温良好，保温层不得有开裂、油浸等现象存在，保温层与基础等固定件间应留有足够的膨胀间隙。 汽轮机禁止启动的范围条件 主要设备有重大缺陷及隐患，危机设备及人身安全。 影响机组启动的系统和设备的检修工作未结束、工作票未注销，安全措施未拆除或经调试及试运不合格。 热控主要表计或检测信号失灵不能正常投入（如转速、轴向位移、胀差、润滑油压、偏心率、振动、主要的汽缸金属温度、主汽温度、主汽压力、再热汽温度、再热汽压力、凝汽器水位、凝汽器真空、除氧器水位、汽包水位、高低加水位、炉膛负压、氧量、给水压力、给水流量、排烟温度等）。 热控信号系统故障，仪表和热工保护电源失去，不能正确投入。
12、控制用气源不正常。 DEH系统不能正常投运。 DCS系统异常，影响机组运行操作监视。 TSI监控仪表未投入或动作失灵。 FSSS系统不正常，影响机组操作，短时间内不能恢复时。机组主要自动调节控制系统失灵（如轴封压力调节系统，给水箱水位调节系统、凝汽器水位调节系统，给水控制等）。 机组保护动作值不符合规定，机、炉、电连锁保护试验不合格。 汽轮机任一保护失灵或不能正常投入。 高、中压主汽门、调节汽门、高缸排汽逆止门、各抽汽逆止门卡涩、失灵或严密性不符合要求。 汽机调节系统不能维持空转或甩负荷后汽机转速升至超速保护动作值。 汽轮机动静部分有清楚的金属摩擦声或其他异音。 主机润滑油、 EH油油质不合格
13、，润滑油箱、 EH油箱油位低于极限值，油系统漏油未消除。 EH油泵，交、直流润滑油泵、顶轴油泵及盘车装置工作故障失常，盘车手盘不动或盘车电流超限，汽机转子偏心率超过规定值。汽轮机启动方式 v 汽轮机的启动方式可分为以下四类：v1、根据启动过程中采用的新蒸汽参数不同，可分为额定参数启动和滑参数启动两种。v 额定参数启动时，从冲转直至机组带额定负荷，自动主汽门前的蒸汽参数（压力和温度）始终保持额定值。采用这种启动方式时，冲转的蒸汽经过调节阀的节流而产生节流损失，经济性差；调节级后蒸汽温度变化剧烈，零部件受到较大的热冲击；以及冲动流量小，各部分加热不均匀等。因而大型汽轮机不采用这种启动方式。v滑参数
14、启动时，自动主汽门前的蒸汽参数（压力和温度）随机组转速或负荷的变化而升高。采用喷嘴凋节的汽轮机，定速后调节汽门保持全开位置。由于这种启动方式经济性好，零部件加热均匀等优点，所以在现代大型机组启动中，得到广泛应用。滑参数启动根据冲转前主汽门前的压力大小又可分为压力法滑参数启动和真空法滑参数启动。v 压力法滑参数v 启动时，冲转时主汽门前蒸汽具有一定的压力和湿度，五沙热电采用主汽门控制时，冲转前全开高压调门、中压主汽门、中压汽门，逐渐开启高压主汽门升速。当转速升至 2900r/min时，进行阀切换，高压主汽门全开，用高压调门控制升速至 3000r/min，并网、带负荷。 v 真空法滑参数v 启动时
15、，锅炉点火前从锅炉汽包到汽轮机调节级喷嘴前所有阀门（包括自动主汽门、调速汽门）都全开启。当投入抽气设备后，整台汽轮机和锅炉汽包都处于真空状态。锅炉点火后，产生一定蒸汽就冲动转子，此时主汽门前仍处于真空状态，故称真空法。随后汽轮机升速和带负荷，全部由锅炉来控制。v2、 按启动前汽轮机金属温度v冷态：汽轮机高压缸调节级金属温度或中 压第一级隔板套金属温度小于 121 ；v温态：汽轮机高压缸调节级金属温度或中压第一级隔板套金属温度 121 250 ；v热态：汽轮机高压缸调节级金属温度或中压第一级隔板套金属温度 250 450 ；v极热态：汽轮机高压缸调节级金属温度或中压第一级隔板套金属温度大于或等于
16、450 。v 3、按冲转时进汽方式分类v 高中压缸启动：启动时，蒸汽同时进入高中压缸冲动转子，对高中压合缸的机组，可使分缸上均匀加热，减少热应力，并能缩短启动时间。v 中压缸启动：冲转时高压缸不进汽而中压缸进汽冲动转子，待转速升至 2300 2500r min后，才逐步向高压缸进汽。这种启动方式虽然能达到安全启动的目的，但启动时间较长v 4、按控制进汽流量的阀门分类v 冲转时，为控制进入汽轮机的流量，可以使用调速汽门、主汽门控制进汽流量。五沙热电采用高压主汽门启动，启动前调速门全开，进入汽轮机的蒸汽流量由高压主汽门来控制。采用主汽门或节流喷嘴联合调节方式，可使机组从冲转到带部分负荷（通常为 2
17、0 30 %）都是全周进汽，这对于高压缸调节级圆周上温度均匀分布有明显的好处，因此这种控制方式得到广泛的应用。机组启动原则v汽轮机在冷态启动时，进入汽轮机的主蒸汽至少具有56 的过热度，但其最高温度不得大于 427 ，主汽门前蒸汽的压力和温度应满足厂家提供的 “启动时主蒸汽参数 ”曲线要求，根据 “冷态启动转子加热规程 ”曲线决定中速暖机时间，在任何情况下，不得减少中速暖机时间。v汽轮机在温态启动时，若缸温小于或等于 200 ，应在2040rpm/min下暖机，使其大于 230 。v汽轮机在热态启动时，进入汽轮机的主蒸汽至少具有56 的过热度，且高于汽缸金属温度 50 及以上，满足 “启动时主
18、蒸汽参数 ”曲线要求，根据厂家的 “热态启动推荐值 ”曲线决定升速率和 5负荷暖机时间或并网后所接带的最低负荷值。v汽轮机常规启动方式为 DEH控制在 “自动 ”、 “双机 ”运行方式，禁止 DEH在手动方式启动。汽机连锁试验v进行以下辅机的电气及热工连锁试验 : 主机交、直流润滑油泵 润滑油压低连锁及顶轴油泵连动试验 凝结水泵连锁试验 给水泵连锁试验 真空泵连锁试验 闭式冷却泵连锁试验 EH油泵连锁试验 内冷水泵连锁试验 轴加风机连锁试验 给水泵辅助油泵联动试验 主机润滑油箱排烟风机联锁试验 空 -氢侧交、直流密封油泵连锁试验 各电动阀门的传动试验进行以下主机连锁保护试验 抽汽逆止门动作试验
19、；高、低压旁路连锁保护试验；汽机 ETS危急遮断系统试验； 主机脱扣试验 (如润滑油压低 LBO，低 EH油压LP，低真空 LV，轴向位移、胀差、轴振等 )； 汽机连锁保护试验。发电机整体气密性试验试验由检修人员负责进行，运行人员配合。试验前密封油系统投运，试验时先通过空气干燥器向发电机内充入干净的压缩空气，压力稍低于额定氢压，检查和消除可能存在的漏点后升至额定氢压，稳定后开始计时，每小时记录一次机内气压、气温、室温及大气压。试验持续 24h，整体气密性试验每昼夜最大允许泄漏量不得大于 2.9m3。汽轮机的冷态启动v 一、冲转参数的选择v 1、主蒸汽参数v 汽轮机冷态启动前，汽缸、转子等金属温
20、度比较低（相当于室温），选择冲转参数时要防止热冲击，蒸汽温度与金属温度应相匹配，在选定的参数下应能通过临界转速并达到额定转速。v 从传热学观点来看，汽轮机的启动过程属于不稳定导热过程。在汽轮机冷态启动之前，转子和汽缸的温度都接近于室温。当蒸汽进入汽轮机后，蒸汽以对流方式将热量传给汽缸内壁和转子外表面，然后再传至汽缸外壁和转子中心。由于金属壁存在热阻，因而在汽缸内、外壁间和转子半径方向出现了温差。v 为了防止前几级落入湿汽区域，改善叶栅的工作条件，启动参数要有一定的过热度。同时防止启动时锅炉操作不当蒸汽进入饱和区，使放热系数增大，造成热冲击或因蒸汽带水造成汽轮机水击。蒸汽过热度的要求一般应不小于
21、 50 。v2、再热蒸汽参数v 再热蒸汽的汽温应该与中压缸进汽室的温度相匹配。为了防止蒸汽带水，再热蒸汽应当有 50 以上的过热度。v3、凝汽器的真空v 凝汽式汽轮机的启动都无例外地要求冲转前建立必要的真空。凝汽器保持真空度的高低对启动过程有着很大的影响，在冲转瞬间会有使排汽安全门动作的危险。此外，凝汽器真空过低还会使排汽温度大幅度地升高，使凝汽器铜管急剧膨胀造成胀口松弛，引起凝汽器漏水。但真空过高也是不必要的。因为要求的真空过高时，不仅为达到较高的真空所需时间较长，使整个启动时间延长，而且使进汽量减少，对暖机不利。真空可保持 60 70Kpa。v二、暖管、暖机v 冷态启动前，主蒸汽管道、再热
22、蒸汽管道、自动主汽门到调速汽门间的导汽管道、高中压缸的主汽门，调速汽门等的温度相当于室温，在启动过程中为了减小温差引起的热应力和管道水击，在冲转前利用锅炉点火后的低温蒸汽，对上述设备和管道进行预热，称为暖管。暖管时要控制蒸汽温升速度，蒸汽温升速度过小将延长启动时间，蒸汽温升速度太大会使热应力增大和造成强烈的水击，使管道振动以致损坏管道和设备。锅炉的点火、升压和汽机的暖管疏水是同时进行的。v 暖管应和管道的疏水操作密切配合，当蒸汽进入冷的管道时，必然会急剧凝结，蒸汽凝结成水时放出汽化潜热，使管壁受热而温度升高。如果这些凝结水不及时的从疏水管路排除，当高速汽流从管道中通过时，便会发生水冲击引起管道
23、振动。若这些水被蒸汽带入汽轮机内，将发生水冲击事故。另外，通过疏水可以提高蒸汽温度。因此，疏水是暖管过程中一项重要工作。v 在暖管过程中，主蒸汽管和再热蒸汽冷、热段管的疏水，一般通过疏水扩容器排至凝汽器，再加上旁路系统的排汽，这时凝汽器已接带了热负荷，所以要保证循环水泵、凝结水泵及抽气设备的可靠运行。如果这些设备发生故障而影响真空时，应立即停止旁路系统，关闭导向凝汽器的所有疏水门，开启所有排大气疏水门。另外，在暖管中要定期开启疏水管的检查门，以观察是否有积水，做到心中有数。旁路系统投入后，排汽室温度要逐渐上升，低压胀差也开始变化，这时要开启排汽缸减温水门，以便将排汽室温度调整在 60 70 左
24、右。在主蒸汽暖管的同时，轴封供汽系统也应暖管。为防止正胀差过大，轴封供汽采用低温汽源最好。v三、冲转、升速和暖机v在锅炉点火之前应尽可能早的投入盘车并连续运行。长时间停机以后，为了消除转子临时产生热弯曲，启动前连续盘车不少于 4h，同时要测量转子的弯曲度。转子弯曲度大于规定值时不允许冲转，应继续盘车，直到消除弯曲为止。具备冲转条件后，应做好冲转前的各项记录，如主蒸汽压力、温度，高、中压缸上下壁金属温度，高、中、低压胀差和轴向位移，汽缸膨胀，真空，油压，油温和大轴挠度等。v汽机冲转条件： 机侧主汽压力 4.0MPa，主汽温度320 360 ； 机侧再热蒸汽压力为 0MPa，再热蒸汽温度 260 300 。 主汽温度与再热汽温度差 83 ； 高、中压蒸汽过热度 56 ； 高、中压外缸上、下壁温差 42 。 凝汽器真空 87kPa。 汽机润滑油压 0.11MPa，油温在402 。
