单元机组的启停.ppt

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1、第四章 单元机组的启动和停运,(一),单元机组的启动一般是指从锅炉点火开始，经过升温升压，暖管，当锅炉出口蒸汽参数达到一定值时，开始冲转汽轮机，将汽轮机转子由静止状态加速到额定转速，暖机，发电机并网带初负荷，直至逐步升负荷到额定负荷的全部过程。而停运过程与启动过程相反，一般指机组从一定负荷，经过降温、降压、减负荷，待负荷减至一定数值后机组解列，锅炉熄火，汽轮机转子惰走，直到停止的全部过程。,单元机组在启停过程中，锅炉、汽轮机的各个部件以及管道的温度和应力状态都要发生很大的变化，特别是大容量高参数机组，由于体积庞大、结构复杂，它们的各个部件如锅炉汽包、各受热面以及汽轮机的汽缸、转子、法兰等所处条

2、件不同，火焰及工质对它们的加热或冷却速度不一致，因而各部件之间或部件本身沿金属壁厚方向产生明显的温差，温差导致膨胀不均匀，因而产生了热应力。,汽轮机设备结构复杂，汽缸有一定的厚度，又有高速旋转的转子，金属温差容易导致膨胀不均匀，因而在汽缸和转子之间易出现膨胀差，使汽轮机本来很小的动静间隙进一步减少，甚至会发生摩擦，引起事故。实践证明，一些对设备最危险、最不利的工况往往出现在启停过程之中。有一些启停中的问题虽然不会立即引起明显的设备损坏，但却会给设备带来“隐患”，降低设备使用寿命。,第一节 单元机组启动和停运方式及特点,一单元机组的启动方式 结合机组的具体情况，根据不同的分类方法，可以将单元机组

3、的启动方式分为以下四类：1 根据新蒸汽参数分类 单元机组的启动方式按新蒸汽参数分类，可以分为以下两大类：（1）额定参数启动,额定参数启动是指从冲转到机组带额定负荷的整个启动过程中，锅炉应保证自动主汽阀前的蒸汽参数(压力和温度)始终为额定值的启动方式。由于蒸汽经过调节阀门节流后，节流损失大(蒸汽参数较高)，经济性较差，调节级后温度变化剧烈，汽轮机的零部件受到很大的热冲击，热应力大，冲转时因为部分进汽，蒸汽流量少，各部件受热不均匀，容易产生热弯曲，所以，目前单元机组已很少采用这种启动方式。,（2）滑参数启动 滑参数启动方式就是在启动过程中锅炉点火与暖管、汽轮机冲转、暖机和增加负荷同时进行，在蒸汽参

4、数逐渐升至额定值的过程中，机组可带一定负荷或满负荷。汽轮机的自动主汽阀前的蒸汽参数(温度和压力)随机组负荷的变化而变化，故这种启动方式称为滑参数启动。这种启动方式要求锅炉产生的蒸汽应该随时适应汽轮机的要求，对喷嘴调节的汽轮机，定速后调节阀门可保持全开位置。由于这种方式经济性好，具有零部件加热均匀等优点，在现代大型机组启动中，得到广泛的应用。,滑参数启动方式按冲转时主汽阀前的压力大小又可分为：真空法启动和压力法启动。(1)真空法启动(2)压力法启动,2根据冲转时的进汽方式分类 根据汽轮机冲转时蒸汽的进汽方式不同，可分为高中压缸联合启动、中压缸启动、高压缸启动等。（1）高中、压缸联合启动 采用该方

5、式启动时，蒸汽同时进入高、中压缸冲动转子，高中、压缸同时受热，可以使汽缸和转子所受热冲击较小，加热均匀，降低热应力，缩短启动时间。但是，对于高中、压缸反向布置的机组，控制相对胀差不利。,（2）中压缸启动 对于高、中压缸反向布置的机组，为了避免中压缸发生最大胀差的危险，在启动冲转时，高压缸不进汽隔绝，中压缸进汽冲动转子，待汽轮机转速达23002600rmin或者负荷达到一定值时，才开始向高压缸送汽。这样就排除了高压缸胀差的影响。但是为了防止高压缸过热，有的机组设置了高压缸冷却系统。这种启动方式对控制机组相对胀差有利，可以将高压缸的相对胀差排除在外，但是操作比较复杂。,3根据控制进汽流量的阀门分类

6、 为了控制进入汽轮机的流量，可以使用调节阀、自动主汽阀或电动主汽门的旁路门冲转，根据阀门不同可分为：（1）调节阀启动（即GVgovernor valve控制方式）启动时，电动主汽门和自动主汽阀处于全开位置，进入汽轮机的蒸汽流量由依次开启的调节阀门控制。这种控制方式由于调节阀门较小易于控制流量，但由于调节门依次开启，汽机头部进汽不匀，易造成受热不匀，这种方式在高压机组中较少采用。,（2）自动主汽阀启动（即TVthrottle valve控制方式）启动时，电动主汽门和调节阀处于全开位置，由自动主汽阀控制进入汽轮机的蒸汽流量，控制汽机转速。当转速达到2900rpm时，切换为调节阀进汽方式（即由TV方

7、式切换为GV方式），继续升速到定值。（3）电动主汽门的旁路门启动 启动前，调节阀门全开，用电动主汽门的旁路门控制蒸汽流量。,4根据启动前汽轮机金属温度(内缸或转子表面温度)或停机时间分类 高压缸启动时按调节级金属温度划分，中压缸启动时按中压缸第一压力级处金属温度划分，结合停机时间划分为：（1）冷态启动 停机时间超过72h，或金属温度已下降到其额定负荷值的40以下，例如调节级处下汽缸金属温度在150200左右。,（2）温态启动 停机时间在872h之间，或金属温度已下降至其额定负荷值的4080之间，例如调节级处下缸金属温度在200350左右。（3）热态启动 停机时间在28h之间，或金属温度已下降至

8、其额定负荷值的80以上，例如调节级处下缸金属温度在350以上。,（4）极热态启动 停机时间在2h以内，或金属温度仍维持或接近其额定负荷值，例如调节级处下缸金属温度在400以上。由于金属温度水平不同，在安全性能满足的条件下，为了提高经济性，不同的启动方式可以选择不同的升速率、升负荷率，个别设备的启停顺序也有所不同。,二单元机组的停运方式,单元机组的停运是指机组从带负荷运行状态到减去全部负荷、发电机解列、汽轮机惰走、锅炉熄火及机组降压降温的全部过程，它是单元机组启动的逆过程。根据实际情况，单元机组的停运(简称停机)可以划分为以下几种方式：根据停机目的不同，单元机组的停机方式可分为事故停机和正常停机

9、两种。,1事故停机 由于机组本身或电力系统设备故障，为了防止故障扩大，造成设备损坏或因机组无法承担发电任务，必须在短时间内把故障设备甚至整个机组停下的全过程称为事故停机。根据事故的严重程度，事故停机又分为紧急停机和故障停机。紧急停机是指所发生的异常情况已严重威胁机组的安全运行，必须采取措施立即停机。故障停机是指所发生的异常情况，还不会对机组的设备及系统造成严重后果，但机组已不宜继续运行，必须在一定时间内停机。,2正常停机 正常停机是非事故时停机，有充裕的停机时间，停下来是为了机组检修或备用的目的。通常机组正常停机又可分为额定参数停机和滑参数停机。根据停机需要，正常停机又可以分为停运备用和停运检

10、修两种。由于外界负荷减小，经计划调度要求机组处于热备用状态，称为备用停机，根据停机备用时间的长短又可以分为热备用停机与冷备用停机。检修停机则是按照预定计划机组进行大、小修或临修，以提高或者恢复机组运行性能。,根据停机过程中蒸汽参数是否变化，又可分为额定参数停机、滑参数停机。额定参数停机是指整个停机过程中基本上在额定参数下进行。停机过程中，保持主蒸汽参数不变，用关小调节汽门，减少进入汽轮机蒸汽流量来降低机组负荷，发电机解列，打闸停机。该方式多用于设备和系统有一些小缺陷处理，但只需短时间停机，待缺陷处理后就可立即恢复运行。这种情况除事故设备需冷却到检修条件外，其余设备并不希望降温降压，以便重新启动

11、时节省时间。大多数汽轮机都可以在30min内均匀地减负荷至安全停机，而不产生过大应力。,滑参数停机是锅炉和汽机的联合停运，保持调节汽门全开或接近全开位置，在逐渐降低汽温、汽压的情况下，进行锅炉和汽机的减负荷。这种方式可以使机组冷却更快而且均匀，对于停运后需要检修的机组，采用滑参数停机，可以缩短停机到揭缸的时间，但锅炉在低负荷下运行时燃烧稳定性较差。该方式多用于计划大、小修停机，以保持较低的缸体温度，缩短揭缸时间，提早开工。,三单元机组的启停特点,单元机组是炉机电纵向联系的一条龙式的整体生产系统，不同单元之间无横向联系，因而启停操作方式有其特点。另外，单元机组均为大容量高参数机组，故单元机组的启

12、停又体现了大容量高参数机组的某些特殊要求。,在母管制系统中，机炉的启停是分别进行的。锅炉启动是先点火，再升温升压直至蒸汽参数略低于额定参数，然后并入母管，逐步提高蒸发量至预定值，锅炉启动结束。汽轮机启动则是从蒸汽母管引来额定参数蒸汽，先进行暖管，然后冲动转子、升速暖机、并网和带负荷，最终升负荷到预定值，汽机启动结束。由于机炉的启停是分别进行的，所以它们的启停速度分别取决于它们各自的特性，互不影响。母管制系统的这种启停方式耗用时间长，热损失和工质损失大，不经济，金属部件本身及金属部件间温差大，不安全；操作也较复杂。,单元机组的启停是整组启停，炉机电之间互相联系，互相制约，各环节的操作必须协调一致

13、、互相配合，才能顺利完成。由于单元机组采用了集中控制方式，这又为整组启停创造了条件。单元机组的启、停是机、炉、电之间互相联系、互相配合、协调一致的操作过程，这一过程机组内部工况变化极其复杂。机组启、停要在保证机组安全可靠的前提下，尽量缩短时间，并有效地降低热能、电能及工质损失，这要求采用尽可能合理的启、停方式。,所谓合理的启停方式就是寻求合理的加热或降温方式，使启停过程中机组各部件的热应力、热变形、汽轮机转子与汽缸的胀差和转动部件的振动等指标均维持在较好的水平上。近年来，国内外对大容量单元机组的启停进行了大量的实践和研究，积累了不少经验，对单元机组的启停方式提出了下列原则要求：,(1)应在最佳

14、工况下启动机炉和增加负荷，并尽可能地在不同的温度情况下实现自动化程序启停；(2)在机组启停期间，工质损失和热损失最小；(3)在任何情况下都要严格保证锅炉给水；(4)根据负荷曲线的要求，对蒸汽参数和蒸汽流量应能自动调节；(5)只能用过热蒸汽(过热度最低为4060)启动汽轮机；(6)汽轮机进汽部分的金属与蒸汽之间的温度差在热态启动时，应不超过50。,四滑参数启停方式的主要优点,（1）安全可靠性好 滑参数启动时，由于采用体积流量大的低参数蒸汽来加热设备部件，使金属温差小，对锅炉汽包、汽轮机转子及汽缸等加热比较均匀，热应力小，从而使启动时的安全可靠性好。,（2）经济性高 单元机组滑参数启动时，由于主蒸

15、汽管道上的所有阀门全开，减少了节流损失；主蒸汽的热能几乎全部用来暖管、暖机；自锅炉点火至发电机并网发电，时间短，可多发电，辅机用电量也相应减少；锅炉不必向空大量排汽，减少了热量和汽水损失，从而也减少了燃料消耗；叶片在启停过程中可得到清洗，使汽轮机效率得到提高。,（3）提高设备的利用率和增加运行调度的灵活性 采用滑参数启动，可以缩短启动时间，提前并网发电。采用滑参数停机，余汽、余热被用来发电的同时，也加速了汽轮机的冷却过程，所以可以提前揭缸检修，缩短了检修工期，增加了设备利用小时数。这样就提高了设备的利用率，增加了运行调度的灵活性。,（4）操作简化 在滑参数启动过程中，当汽轮机采用全周进汽时，汽

16、轮机的调节阀门处于全开位置，操作调节简单。而且给水加热器也可随主机进行滑参数运行，简化了操作；这些都在一定程度上为实现机组自动化顺序启停创造了条件。（5）改善环境 由于减少了蒸汽排放所产生的噪声，故改善了环境。现代大容量单元机组启动均采用滑参数启动方式，而不采用额定参数启动。而单元机组停运则根据具体情况来定，或采用滑参数停机，或采用额定参数停机。,第二节 单元机组旁路系统及其控制,一采用中间再热带来的新问题 在低负荷工况下，锅炉的最小允许负荷为额定蒸发量的30左右，低于此值运行，会引起锅炉燃烧不稳定、水循环被破坏等一系列问题。汽轮机允许空载运行时的蒸汽量只有额定进汽量的58%。单元机组不再有储

17、备蒸汽的蒸汽母管，就必须解决锅炉的过剩蒸汽，否则锅炉对空排汽将损失大量的凝结水。,其次，为了保证再热器不超温，要求再热器内有一定的蒸汽以冷却其管路，根据再热器选用的金属材料及炉内的布置情况，通常要求冷却再热器的蒸汽流量约为额定值的14左右.而汽轮机空载时的进汽量仅为额定值的58，特别是汽机甩负荷时瞬时流量为零，停机不停炉运行时汽轮机完全不进汽。由此可见，中间再热式机组必须解决再热器保护问题。,中间再热式单元机组需解决两个问题：(1)机组低负荷下，如何处理锅炉的过剩蒸汽；(2)再热器的保护。实践表明，在中间再热式单元机组中设置汽轮机旁路系统可解决上述问题，同时还给机组的运行带来了灵活性，提高了机

18、组在电网中的适应能力。,二旁路系统结构和容量 汽轮机旁路系统的结构方式和旁路蒸汽容量，随机组的运行要求不同而不同。目前大型中间再热机组的旁路系统，结构上有一级大旁路系统、两级并联旁路系统、两级串联旁路系统和三级旁路系统等几种典型方式，旁路容量上有30、40、100等。,（1）三级旁路系统 三级旁路系统由大旁路装置，高压旁路装置及低压旁路装置组成。大旁路装置位于蒸汽主管道和凝汽器之间。锅炉来的新蒸汽经过减温减压后直接排往凝汽器，这样在机组发生事故甩负荷时，通过大旁路可维持锅炉在最低稳燃负荷下运行。,图 4-1 三级旁路系统,位于主蒸汽管道和再热器入口之间的减温减压装置是汽轮机高压缸的旁路，故称为

19、高压旁路系统。由锅炉来的新蒸汽不经过高压缸而由高压旁路经过减温、减压后进入再热器.经锅炉再热器加热后的蒸汽可经过位于再热器和凝汽器之间的低压减温、减压装置进入凝汽器，该旁路装置与汽机中、低压缸并联而称为低压旁路。,低压旁路装置和高压旁路装置以串联方式，将锅炉的新蒸汽不经过汽机的高、中、低压缸，而直接由主蒸汽管道引至再热器然后排入凝汽器，从而达到冷却再热器的目的。,（2）两级串联旁路系统 与三级旁路系统不同之处就是取消了位于主蒸汽管道和凝汽器之间的大旁路装置，而高压旁路装置和低压旁路装置以串联方式组成汽轮机的旁路系统。高压旁路系统为了保护锅炉再热器不干烧以及为机组启动期间暖管、暖机而提供汽源；低

20、压旁路系统将再热蒸汽引入凝汽器，可提供再热汽系统暖管并回收工质。,图 4-2 两级串联旁路系统,（3）一级大旁路系统 一级大旁路系统的主要作用是为了维持锅炉产生一定参数和流量的蒸汽以满足机组启动和事故处理的需要，并回收工质。这种结构方式的旁路系统特点是设备简单，但不能保护锅炉再热器，故只能适用于再热器允许干烧的机组上。,图 4-3 一级大旁路系统,汽机旁路系统的容量，是指流过旁路系统的最大蒸汽量占锅炉额定蒸发量的百分数。理论上讲，旁路系统的容量越大，对机组的启动及适应各种工况越有利。对于主要为了改善机组启动性能的旁路系统来说，其容量一般在3050左右。,旁路系统容量的选择应考虑以下因素：(1)

21、锅炉稳定燃烧的最低负荷 锅炉稳定燃烧的最低负荷与炉型、煤种等因素有关，有时需要通过试验来确定，对于停机、不停炉的工况，旁路系统的容量应按最低负荷考虑。(2)保护再热器所需的最小蒸汽量 满足保护再热器所需的最小蒸汽量的旁路容量的是机组容量的3040，根据运行经验，保护再热器所需的最小蒸汽量容量的是机组额定蒸发量的1020。(3)冲转时汽轮机所需的蒸汽量 对于承担基本负荷的机组，其启动工况多为冷态或温态、启动次数较少。滑参数启动时所需的冲转压力和蒸汽流量都较低，一般30额定蒸发量的旁路容量就可以满足。,三 旁路系统的功能,(1)改善机组启动性能(2)适应机组的各种启动方式(3)保护再热器(4)汽轮

22、机短时故障可以实现停机、不停炉运行方式(5)电网故障时，通过旁路系统的能量转移，机组可带厂用电负荷运行(6)当主蒸汽压力或再热蒸汽压力超过规定值时，旁路阀迅速开启进行减压泄流，从而对机组实现超压保护。,四 旁路控制系统组成,汽机旁路系统的功能要想得到充分的应用，必须配备一套完善的控制设备，旁路控制系统的功能也应该是完备的。由于国内大多数单元机组配置两级串联的旁路系统，因此对于两级串联旁路系统，其控制系统应包括以下的子系统。,1高压旁路控制系统(1)主蒸汽压力及汽轮机甩负荷压力保护回路；(2)主蒸汽压力自动给定和手动给定控制回路；(3)高压旁路后蒸汽温度控制回路。,(1)主蒸汽压力及汽轮机甩负荷

23、压力保护回路；当主蒸汽压力超过限值，汽轮机甩负荷或紧急停机时，高压旁路系统可以迅速自动开启进行泄流，维持机组的安全运行。,(2)主蒸汽压力自动给定和手动给定控制回路；,在机组启动过程中，主蒸汽压力给定值根据机组启动过程中各阶段对其值的不同要求，自动或由运行人员根据运行状态手动给出，控制系统按给定值自动调整高压旁路阀的开度，保证主蒸汽压力随给定值变化。,3)高压旁路后蒸汽温度控制回路。,高压旁路开启后，为了保证高压旁路出口蒸汽温度满足再热器的运行要求，控制系统自动调整喷水阀开度，控制喷水量达到调整温度的目的。,2低压旁路控制系统：(1)再热蒸汽压力及汽轮机甩负荷保护回路；(2)再热器出口蒸汽压力

24、控制回路；(3)低压旁路后蒸汽温度控制回路；(4)凝汽器压力保护回路。,(1)再热蒸汽压力及汽轮机甩负荷保护回路；,当再热蒸汽压力超过限值，或汽轮机甩负荷时，控制系统可以立即自动开启低压旁路阀和喷水阀，以保证机组安全运行。在手动或自动停机时，低压旁路阀也会自动快速开启。,(2)再热器出口蒸汽压力控制回路；,在机组运行期间，再热蒸汽压力是随着机组出力变化而变化的。低压旁路控制系统可依据机组的出力给出再热蒸汽压力定值，通过调整低压旁路阀的开度来保证再热蒸汽压力在给定值，从而满足机组的运行要求。,(3)低压旁路后蒸汽温度控制回路；,为了保证凝汽器正常运行，低压旁路后的蒸汽温度应在规定的范围内变化，低

25、压旁路控制系统可自动调整喷水量来保证温度在该范围内变化。,(4)凝汽器压力保护回路。,由于低压旁路系统出口蒸汽直接排入凝汽器，为了保证凝汽器的安全运行，不能对凝汽器的真空和热井水位造成影响。因此，当出现凝汽器真空过低或热井水位过高时，喷水阀出口水压过低或喷水阀打不开等情况时，控制系统可以迅速关闭低压旁路阀，解列低压旁路系统。,五 旁路系统的控制特性,旁路系统的控制特性是指系统中的阀门特性，衡量旁路系统性能优劣的重要标志是阀门特性的好坏以及执行机构的动作速度和可靠性。目前，旁路系统中的执行机构主要为电动执行机构和液动执行机构两种。,液动执行机构的特点是可靠性高、力矩大、动作速度快；一般可在35s

26、内完成动作，在技术、设备上都比较完善。缺点是系统设备投资大，系统比较复杂而且需要专用油泵，而增加了运行费用和维护工作量；液动驱动装置布置在高温蒸汽管道区，因而要设置防火装置。,电动执行机构的特点是设备投资小、工作可靠性高；检修和维护工作量小、运行费用小。缺点是力矩较小、动作慢，一般全开时间在45s左右，但目前德国西门子公司制造的电动执行机构采取高速、低速两个马达或多级变速马达驱动，而使其执行机构完成动作时间缩短到5s。,第三节 影响锅炉汽轮机启动的因素,一 影响锅炉启动的因素 锅炉启动过程对锅炉各个部件来讲是一个加热过程，由于种种原因，加热不可能是完全均匀的，即每个部件本身各处的温度都有差别，

27、温差的存在将会导致热应力的产生，如果操作不当，由此产生的热应力，可能会导致设备的损伤，在其它条件相同时，被加热的部件愈厚，则其温差愈大，由此而产生的热应力也愈大。,例如汽包、过热器联箱、蒸汽管道以及阀门等壁厚都比较大，因此对它们的加热过程都应该仔细地加以控制，尤其是对汽包的控制。另外，如果装在同一下联箱上的水冷壁管之间温差较大，产生的热应力亦将会达到危险的程度。,在启动过程中各个受热面内部工质的流动还不正常，有的受热面里工质的流量很小，甚至在短时间内是不流动的，因此受热面不能正常地被工质所冷却。如果此时对它们过分地加热，就有可能使受热面金属超温。,水循环尚未建立之前的部分水冷壁管；蒸汽流量很小

28、时的过热器管；没有蒸汽流过或蒸汽流量过少的再热器管；以及暂时停止给水时的省煤器管等部件在锅炉启动过程中都有超温的危险。,在锅炉开始点火的时候，炉膛里的温度是较低的，在点火之后的一段时间内，为了控制各个部件的加热，防止某些受热面超温和产生过大的温度偏差，燃料量只能逐渐增加，所以炉膛温度仍然不很高。此时，若燃烧控制不当就有可能造成炉膛熄火，也有可能发生爆燃。总之，在锅炉启动过程中应该注意的安全问题是较多的。,综上所述，在锅炉启动中存在着安全和经济两方面的问题，为了兼顾两者的利益，启动的原则是：在确保机组设备安全的条件下，既能满足整套机组的需要，又要尽量地节省工质和燃料，力求在最短时间内让机组投入运

29、行。,对于新安装的机组，由于其性能还不完全清楚和没有操作经验，启动应较缓慢而且十分谨慎。热态启动过程较短，操作也较少，除了某些特殊情况外，一般热态比冷态启动简单。,二 影响汽轮机启动的因素,一般情况下，影响汽轮机启动的因素有：汽轮机零部件内的热应力、转子和汽缸的相对膨胀、汽轮机主要部件的变形、转子的热弯曲。每个因素都取决于温度的变比。总之，其中热应力对启动有着主要的影响，,1汽轮机零件内的热压力 汽机启动时新蒸汽管道、阀门、汽缸和法兰等，如果温度升高过快，内外壁就会出现较大温差。由于内壁温度高于外壁温度，使内壁受到压应力，外壁受到拉应力，工作蒸汽压力引起的工作压力作用方向与内壁所受热压应力相反

30、，使这个压缩应力有所缓和。即使在额定工况下，汽压引起的压力与不利情况下的热应力相比，其数值也是不大的。,以下通过对金属平板一例单向受热的分析，说明热应力与温度变化的关系。假定平板四边都固定，边不能扭转，与内部受蒸汽冲刷的汽缸壁情况类似。按照加热蒸汽与金属温度的差值及放热系数的不同，沿金属壁厚方向的温度场有双曲线型、抛物线型和直线型三种典型情况，,图44 平板加热时沿厚度方向的温度分布（a）线性分布温度场；(b)抛物线分布温度场；(c)双曲线分布温度场；11中心线,根据热应力的知识，平板内任一点x处的热应力可以按下式计算：吸放热过程渐趋均匀后的稳定加热，可使温度场变为近似直线型，如图44(a)所

31、示，此时平均温度在平板厚度的中心，中心和冷表面之间平板受拉应力，中心和热表面之间平板受压应力，应力相对于中心对称分布，中心处为0，表面最大，且应力最大值为：,吸放热过程渐趋均匀后的稳定加热，可使温度场变为近似直线型，如图44(a)所示，此时平均温度在平板厚度的中心，中心和冷表面之间平板受拉应力，中心和热表面之间平板受压应力，应力相对于中心对称分布，中心处为0，表面最大，且应力最大值为：,显然，热应力只与该板上的温差有关，而与平板的厚度无关，但这不意味着汽机各部分的热应力和壁厚无关。常识所知，壁厚增大时必然使温差增加，亦即传热应力增大。热应力很大程度上还与沿壁厚的温度分布有关。如果温度分布是按图

32、44(b)所示抛物线规律，汽轮机启动时，大部分汽缸、法兰内温度分布情况近似于此规律。这时应力不是均匀地分布，应力的最大值在受热侧，且为：,如果平板一边的温度突然升高很多，这时沿壁厚的温度分布如图44(c)所示。在冲转或温度突然变化时，在汽轮机最热的部位，高压缸进汽部分和调节级区域处会出现这样的温度分布。这时热应力最大值也在受热侧，为：,由公式（42）、（43）、（44）可以看出，在 相同的情况下，按双曲线分布的温度场产生的最大热应力的绝对值最大，即对金属的加热或冷却得愈剧烈，则在其内部所产生的最大热应力愈大。另外热应力与内、外壁金属温差t成正比的关系，因此t被用作控制热应力的直接监督指标。在实

33、际启停汽轮机时，要控制热应力不超过允许值，只要控制机组部件容易发生危险的部位的温差，如汽缸和法兰内外壁的温差在规定范围内即可。,如果取 1110 1，E1.8610 Nmm，0.3，温差 120，温度分布如图44（C）所示，根据式(44)可以算出 350.7Nmm(350.7 MPa)，这一数值相当于汽轮机汽缸常用材料的屈服极限。就材料短时强度考虑，这一温差控制在100左右不致发生接近于屈服强度的热应力，但是考虑到材质不均匀，应力集中以及低周应力对使用寿命的影响等因素，内外壁面温差以不大于50为宜。,对于某些没有内外壁温差监测装置的部件，可以采用金属温度变化率这一指标来反映温差及热应力的情况。

34、所谓温度变化率是指被加热或冷却的金属部件在单位时间内的温度变化量。以金属允许热应力为基础，通过热传导计算，即可确定所允许的金属温度变化率。,控制热应力的另一个手段是限制蒸汽与受热侧金属壁面的温差，通过控制这一温差，可以得到预期的金属温度变化率。一般情况下，在金属温度变化率恒定的情况下，蒸汽与受热侧金属壁面的温差同金属内外壁温差以及壁厚的关系，可以由下式表达,在工况变动时，不同部件传热系数的变化可能相差很大，机组启停过程中这种差别尤为显著，此时换热系数的变化情况应特别注意。当金属表面温度低于加热蒸汽压力下饱和温度时(锅炉点火、暖管、暖机等过程均存在这种现象)，蒸汽向金属的传热以凝结放热为主，热量

35、传递的非常剧烈，传热系数可以高达1680063000 kJh，且压力愈高，放热系数愈大。此时金属升温很快，产生的热应力也较大。,当金属壁温度在蒸汽压力下相应的饱和温度以上时，蒸汽对金属的放热以对流和导热为主，传热强度取决于蒸汽与金属的温度差及蒸汽流速。此时传热系数在4208400 kJh范围内变化。一般情况下，这时金属被加热的剧烈程度比凝结放热时要小些，但在转子高转速下升速和升负荷时，不仅蒸汽同金属壁之间的温差增加，同时汽流和部件之间的相对流速也增加很多，故在这种情况下，传热系数也将有明显增加，金属中的热应力仍有可能达到危险程度。,由于机组启停期间放热系数变化幅度比较大，在温差相同情况下，在机

36、组启停过程中同别的时刻相比，蒸汽对金属部件加热强度却有很大差别，故经常将启停过程划分为若干阶段，分别规定每一阶段内允许温差值，从而使整个启停工作既可靠又合理。,随着机组单机容量的增大，转子直径也随之增大，如300MW机组高压转于轴径接近600 mm，若中心孔直径为100 mm，轴壁厚超过了汽缸壁厚的两倍，因此在机组启停和变参数运行时，转子面临恶劣的工作条件，生产实践中也发生了多次转子表面出现裂纹甚至引起断轴飞车的事故。因此，就大机组而言，热应力控制的重点，已经由对汽缸的考虑转移到对转子的考虑。,转子在冷态启动时，表面温度迅速上升，但中心孔温度上升则明显滞后，温差使得表面产生压缩应力，内孔受到拉

37、伸应力。停机过程中，转子表面受到冷却而产生拉伸应力，内孔则出现压缩应力，这样一次交变热应力虽不一定立即造成可见的缺陷，但累计多次，将使转子出现宏观裂纹，因而每一次较大的热应力交变，都会消耗转子的使用寿命。,对转子运行中的温度或应力监视比较困难。通过试验证明，转子表面温度的变化和调节级汽缸内壁非常相近，只是稍有滞后，在稳定工况时二者基本相等所以一般是用监视和控制调节级汽缸内壁温度的方法来控制转子热应力。,2转子和汽缸的相对膨胀,汽轮机在启动过程中，汽缸和转子将产生明显的热膨胀，汽轮机整个滑销系统的合理布置和应用能引导汽缸在各个方向的自由热膨胀。汽缸和转子分别以各自的死点为基准进行有规则的膨胀。,

38、横销位于发电机侧的低压缸的两侧，在汽缸支撑上及基础台板上铣有矩形销槽，横销装在基础台板的销槽中，横销垂直于主轴，距低压缸中心线300mm，其作用是保证汽缸在横向的正确膨胀和限制汽缸沿纵向的移动，以确定低压缸的轴向位置，保证汽缸在运行中受热膨胀时中心位置不会发生变化。,在低压缸前后两端的纵向中心线上各有2个纵销，其作用是保证汽缸在纵向正确膨胀，并限制汽缸沿横向移动，以确定低压缸的横向位置。,纵销中心线与横销中心线的交点形成整个汽缸的膨胀死点。在汽缸膨胀时，该点始终保持不动，汽缸只能以此点为中心向前、后、左、右方向膨胀。,在前轴承座下设有纵销，该销位于前轴承座及其台板间的轴向中心线上，允许前轴承座

39、作轴向自由膨胀，但限制其横向移动。因此，整个机组以死点为中心，通过高、中压缸带动前轴承座向前膨胀。前轴承座的轴向位移就表示了高、中、低压缸向前膨胀值之和，一般说来，汽缸对座架的膨胀值称为绝对膨胀值，所以推力轴承处测得的轴向膨胀就称为高、中、低压缸的绝对膨，这就是我们通常所说的缸胀。,该机组推力轴承布置在前轴承箱内，机组正常运行中，由于高压缸前后压差大于中压缸前后压差，而低压缸由于对称布置其轴向推力基本相互抵消，布置在高压缸排气和中压缸入口的两个平衡活塞可抵消大部分轴向推力，但仍还有部分剩余的推力依然存在，因此，机组轴向推力整体表现指向机头，布置在前箱靠近机头的推力瓦就是工作瓦，也就是说正常运行

40、中工作瓦承受轴向推力，而非工作瓦是不承受轴向推力的。因此，工作的推力轴承（工作瓦）的位置就是转子相对于汽缸膨胀的死点，因此在机组加热过程中，转子向发电机方向膨胀。,图45 汽缸内壁温度高于外壁温度和法兰内壁温度高于外壁温度时，汽缸中间段和前后两端横截面的变形,由于汽缸和转子的质量与蒸汽接触的表面积之比，即质面比的不同，汽缸的质面比大于转子的质面比，且蒸汽对转子的换热系数大于对汽缸的换热系数，因此在加热初期转子加热速度较快，使汽缸与转子产生明显的温差，从而两者产生相对膨胀，使其在轴向的动静间隙发生变化。若转子轴向膨胀大于汽缸轴向膨胀，二者之差叫做正胀差，反之称为负胀差。,影响此类胀差的因素很多，

41、如新蒸汽的参数高，轴端汽封内蒸汽温度的不合理，汽缸热膨胀受阻，以及暖机时真空大小等等都有影响。可以借助于内部受蒸汽冲刷的圆管放热系数公式，分析放热系数与哪些因素有关。,正确的汽轮机设计应该使汽缸和转子的重量与表面积的比值近似相等，这样就可以保证它们能以相同的速度随汽温变化，这时，相对膨胀量最小。总之，随着机组容量的增大，转子和汽缸的重量相差越来越大，质面比也相差很大，在负荷变化速度较大时(主要是负荷增加)，由于转子反应较快，不可避免地会出现相对膨胀。负荷降低时，转子向蒸汽的放热减小，从而转子温度下降不像负荷增加时变化得那样快。大多数汽缸都有水平法兰，水平法兰在升速过程中一般温度较低，因而阻碍了

42、汽缸的膨胀，所以要采用合适的法兰加热系统，使法兰温度也能随着汽流温度的变化而变化。,另外合理地选择止推轴承的位置，可以适当地减少转子的总伸长和相对膨胀量，例如：在国产200MW汽轮机组上，止推轴承安装在高、中压缸之间，这样可将高压转于的伸长量分出来。,3汽机部件的热变形,由于零件的受热不均匀，在启动过程中，会产生暂时的扭曲变形，使通流部分或其它地方的间隙产生变化，可能发生漏汽现象，甚至引起严重事故。在汽机停机以后，多数都会产生汽缸向上弯的拱背形热弯曲，并且在汽缸拱起的同时，转子也有某种程度的拱起,产生这种情况的原因是：停机以后，冷却过程中，汽机下缸的温度总是比上缸温度低，这种弯曲一开始，随着停

43、机时间的延长而变大，后来又随着机组的逐渐冷却而渐渐消失，如果在汽缸热弯曲度较大时再次启动汽轮机，必然会引起内部零件的相互擦碰。,4转子的热弯曲,转子的弯曲有两种情况，一种是由于转子某段上径向存在温差引起的热弯曲，当温度均匀后这种弯曲自动消除，转子恢复原状，这是所谓的弹性弯曲(或热弯曲、暂时弯曲)。另一种是转子金属产生塑性变形后的塑性弯曲(或永久弯曲)。塑性弯曲差不多总是从弹性弯曲开始的，而且在温度均匀后，永久弯曲的凸面居于原来弹性弯曲凸面的相对的一侧。,当转子发生弯曲时，转子重心位置也随之发生变化而产生偏心。停机时间断或连续地进行盘车，虽然可以使得转子的热弯曲度不致过大，但是某些汽轮机没有监视转子热弯曲度的仪表，这种情况下，不能监视转子的偏心度，也就不能合理地确定汽轮机启动时的状态，以致经常发生轴封片很大的磨损，使机组效率降低。,通常都是通过监视转子轴的晃动度来监视转子的热弯曲，这时常常把千分表插在轴颈或轴相位移变送器处轴的圆盘上进行测量。,