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摘 要：高压抽汽背压式汽轮机的热变形，结合汽轮机各种运行工况，分析温差的产生以及由此引起的热变形对汽轮机运行的影响。
关键词：汽轮机的热膨胀;汽轮机的热变形;温差;转子的热弯曲
汽轮机是以具有一定温度和压力的蒸汽为工质，将热能转变为动能，再将蒸汽的动能转为机械能的动力机械，具有功率大、转速高、效率高、运转平稳、经济和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用，特别是中小型高压抽背式汽轮机（50～100 MW）廣泛用于有生产需求的自备电厂，具有投资小、收益高、高效经济等特点。十九大之后，我国经济发展由高速增长转向高质量增长，燃烧介质一般以煤为燃料的中小型自备热电厂，大多以抽汽背压式汽轮机作原动机，发电量占总发电量的80%左右。随着环保要求的提高，小型机组（50 MW以下）逐渐被淘汰。然而，由于机组在运行、维护、检修、改造的过程中存在一些隐患，时常发生汽轮机热变形、转子的热弯曲事故，给企业和社会造成损失[1-2]。
1 具体案例分析
2012年12月5日，盐城某自备电厂1#机组C级检修结束再次启动后，1#机于12月6日10时35分开始冲转，冲转速率为200 r/min，10时40分机组冲转至500 r/min，初步检查无异常。11时05分升速至1 200 r/min，中速暖机，经汽机人员与电气人员检查无异常。11时15分开启高压缸倒暖11#、12#电动门，高压缸进行暖缸。11时26分，汽机班长吴某令副操周某开高压缸法兰加热进汽手动门及中高压缸法兰加热器疏水一二次门，操作完后报告了班长。11时45分，高压缸胀差由11时的0.8 mm上升至1.5 mm，班长吴某开启高压缸法兰加热电动门，投入高压缸法兰加热。11时51分，发现中压缸下部金属温度高于上部金属温度55 ℃，班长令主操王某就地检查高中压缸及本体疏水门，无异常，经分析，认为温度测点有问题，立即联系热工处理，12时35分，测点处理完毕，此时中压缸法兰加热装置恢复正常。12时46分，投中压缸法兰加热装置。13时13分，主操李某在盘上发现1#机2瓦水平振动及大轴偏心率增大，报告班长。13时25分班长就地测量，2#瓦振动达12丝，就地声音明显异常，立即紧急停机。15时38分，1#机转速到0，停轴加风机，切换油泵后投盘车，此时转子偏心率超出500 μm，汽机闷缸，连盘。15时55～59分，转子偏心率降至75 μm左右，又逐渐增大到280 μm并趋向稳定，连盘。后经领导讨论决定：鉴于32 h的连盘后，转子偏心率没有变小，改电动盘车为手动盘车（0.5 h手盘180 ℃进行转子调直）。8日11时30分～13时，3次手盘待转子偏心率下降后，改投电动盘车，转子偏心率升高至260 μm，9日15时45分，高压缸上部温度达135 ℃，停盘车后开始做揭缸检查工作，发现轴瓦磨损严重，转子热弯曲变形。
2 现状
公司现有两台25 MW的国标武汉单缸汽轮机和一台18 MW的非国标武汉单缸汽轮机，都是高压抽汽背压式机组，是集团的能源供热供电中心。抽汽背压式汽轮机是从汽轮机的中间级抽取部分蒸汽，即一抽，供需要较高压力等级3.6 MP的热用户碱厂和5#线，共计160 T/H左右，汽轮机二抽主要供本厂自用汽和热水站用汽，共计50～100 T/H，同时保持一定背压的排汽，供需要较低压力等级的热用户一、二公司和碱厂，共计430 T/H左右，全年发电量达498 000 MW，产汽量4 890 000 T/H，因此，确保机组全年维持安全、稳定、高效、环保、经济运行。
3 汽轮机的热变形
汽轮机在启停和带负荷过程中，由于加热和冷却速度不同及操作不当所形成的温差，除了使汽缸和转子等产生热膨胀外，还会使汽轮机产生热弯曲和热变形，甚至导致转子永久性弯曲，导致设备损坏。
3.1 热变形的规律
从热变形原理可知，当金属部件温度均匀上升，沿长度方向的热膨胀也是均匀的，如图1（a）所示。如果金属部件受热不均匀，两侧温度上升不一致，当上侧温度高于下侧时，金属件上侧的膨胀量⊿L2，从而使这个金属件向上弯曲，产生了热变形，如图1（b）所示。热变形的规律：温度高的一侧向外凸出，温度低的一侧向内凹进，俗称“热凸冷凹”。运行中必须避免热变形的发生。
3.2 汽轮机的几种热变形
汽轮机的结构非常不规则，在启停过程中各个部分的加热或冷却速度也不相同，使得汽缸和转子内温度的分布情况很不一致，易发生十分复杂的热变形损坏设备。
3.2.1 汽轮机上下缸温差引起的几种热变形
汽轮机在启停过程中，上下汽缸存在着温差，一般上缸温度高于下缸温度。上下缸温差产生的主要原因有：
（1）上下汽缸的散热和重量不同。下缸比上缸的重量大。此外，下缸还带有一二抽汽、排汽、疏水等管道，因此，在同样保温、加热或冷却条件下，下缸温度就比上缸温度低，形成上下缸温差。
（2）启动时，蒸汽在汽缸内凝结形成的疏水都经抽排汽逆止门前疏水门排出，疏水在汽缸内形成的水膜降低了汽缸受热条件，较高温度的蒸汽上升过程中加热上缸，故上缸温度比下缸高，最终形成了上下缸温差。
（3）下缸的保温材料因自身重量，容易脱落导致下缸保温不佳，使其保温效果较上缸差，从而形成了上下缸温差。
（4）下缸处于运行平台之下，受到下面温度较低空气的影响，使下缸加速冷却，形成上下缸温差。
（5）停机后，转子在静止状态下，汽缸内残存的蒸汽和进入的空气，在汽缸内形成对流流动，热汽（气）流凝聚在上汽缸，冷汽（气）流和凝结的疏水在下汽缸，使上下缸的受热和冷却程度不一样，形成了上下缸温差。 （6）长时间的空负荷或低负荷运行，对只有上部高调门开启的汽轮机，上下缸受热不均，会使上下缸温差逐渐增大。
实践证明，上下汽缸过大的温差就会造成汽缸向上弯曲的“拱背”热变形，如图2所示，但在启动时，由于下缸加热及调整不当，使上下缸受热不均匀，很有可能导致下汽缸温度高于上汽缸温度，此时汽缸可产生向下弯曲变形。
上下缸的最大温差一般出现在调节级处。通过试验计算可知，汽轮机上下缸温差每增加20 ℃，调节级下部径向间隙减少0.2 mm左右。一般汽轮机隔板汽封径向间隙比较小，正常为0.4 mm，一般不超过0.7 mm，因此，上下汽缸温差规定不得高于35 ℃，严禁超过50 ℃。如果超过50 ℃，径向间隙很可能就消失，导致动静部分摩擦加大，使转子永久弯曲变形，损坏设备甚至事故扩大化。
3.2.2 法兰内外壁温差和汽缸内外壁温差引起的热变形
由于金属机械强度及受热不匀等原因，汽轮机法兰壁厚度正常都大于汽缸壁厚度，故启动时在法兰内外壁会出现温差，从而导致法兰横向和垂直方向的变形，引起热变形。
（1）法兰在水平方向的变形。
（2）法兰在垂直方向的热变形。
4 转子的热弯曲
转子弯曲通常有两种情况：一种是弹性弯曲，即转子径向受热不均，引起转子弯曲，温差消失后转子即恢复原状;另一种是塑性弯曲，即永久性弯曲，不可恢复，通常是因为转子径向温差较大时，引起较大的弯曲，温差消失后，转子弯曲不能消失。转子弹性弯曲往往会引起塑性弯曲，导致永久性弯曲，因此，运行中应使转子均匀加热或冷却，以减小热弯曲，避免产生塑性弯曲。
引起转子弯曲的原因主要有：
（1）机组升速启动过程中操作不当，如转子未转动就向轴封送汽或抽气管道出口电动门、逆止门、快关阀不严等。
（2）热态启动前，转子晃动度超过极限值。
（3）停机后转子静止，汽缸中有蒸汽漏入或冷却水使转子受热不均。
（4）停机后转子在静止状态，上下缸温差超限使转子径向产生温差。
（5）上下缸法兰内外存在较大的温差，在汽缸变形较大的情况下沖动转子，使动静部分局部发生摩擦过热引起转子弯曲。
（6）机组停转后，未及时投入连盘或连盘过程中盘车电机跳闸未及时发现。
转子热弯曲的数值可在一定的假设条件下，根据上下汽缸的温差值，用公式作似计算，但得不到准确的结果，故运行中通常用直接测量的办法来求得转子的热弯曲值。可以在高压转子前轴封处或在前轴承箱中安装千分表，通过测量转子的晃度值来间接地得出转子的热弯曲最大值：
fmax=0.25fn
式中，fn—千分表所测得轴的晃度值的1/2，mm。
L—两轴承间转子的长度，mm。
l—千分表与轴承间的距离，mm。
5 对策
机组启动过程中、运行时或停止后防止转子弯曲的主要措施如下：
（1）汽轮机主蒸汽管道电动隔离门1、电动隔离门2有压疏水门均开启。
（2）减温水手动隔离门、调整门关闭严密。
（3）1#、2#轴加水封筒加满水后立即关闭加水门，观察水位不超500 mm，否则打开轴加水封筒放水门，防止水从轴封加热器倒至汽封。
（4）机组冲转过程中应密切监视机组各轴承振动，轴承3个方向（水平、垂直、轴向）振动不得超过0.03 mm，特别监视垂直振动值和异音，否则应立即降速，待振动消除后在该转速下暖机10～20 min，再缓慢升速。如发生强烈振动达0.08 mm保护未动作，应立即打闸停机检查，投入盘车连盘，查明原因消除故障后再冲转。
（5）转速达2 800 r/min后，应关小电动主汽门后及自动主汽门疏水门，防止疏水量太大影响本体疏水畅通。
（6）冲转前应对主蒸汽管道、抽汽管道、排汽管道暖管，条件允许可采取正暖和反暖，节约时间且充分暖管。
（7）当锅炉燃烧不稳定时，应严格监视主蒸汽温度的变化，10 min内主蒸汽温度上升或下降50 ℃，应立即紧急停机。
（8）开机过程中应加强疏水膨胀箱、低位水箱、轴封加热器水位的监视，防止水或冷汽倒入汽缸。
（9）停机后及时关闭电动主汽门、抽排汽电动门，立即打开向空排汽电动门同时关闭排汽电动隔离门，关闭门杆漏汽至（高压、低压）除氧器手动门。
（10）关闭至除氧器的抽汽电动门、疏水门、轴封供汽母管前疏水门。
（11）开启汽缸本体、导汽管、主蒸汽管、抽汽管道及排汽管道各疏水门，防止水或冷汽倒入汽缸。
（12）停机转速到0后连盘，密切监视上下缸温度及温差变化。
6 结语
高压冲击抽背式汽轮机，当转子弯曲较大时，也正是汽缸拱起较大的时候，这时汽轮机动静部分之间的径向间隙可能逐渐消失，此时如果转动转子，导致其弯曲部位与隔板汽封摩擦加大，这不仅使汽封发生磨损，而且使转子弯曲部分局部温度逐渐升高，进一步加大转子的弯曲，使得摩擦加剧，机组振动逐渐增大超限，最终发生转子产生永久变形事故。因此，汽轮机在启动前连续盘车过程中，必须测得转子弯曲情况，其弯曲值必须在正常范围内方可启动。一般规定转子的晃度不允许超过0.05 mm（但随着取得测晃度位置的不同，其允许值将有所变化），否则禁止启动，不准启动的这段时间称为“死期”。所以汽轮机应避免“死期”，冲转前及时投入汽轮机相关保护装置（排汽压力低不投），严禁解除相关保护，保证机组安全、稳定、高效、环保、经济、长期运行。
[参考文献]
[1]孙成龙.浅议高压抽背式汽轮机的热膨胀[J].现代盐化工，2016（1）：30-32.
[2]赵永民.汽轮机设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2001.
关键词：汽轮机的热膨胀;汽轮机的热变形;温差;转子的热弯曲
汽轮机是以具有一定温度和压力的蒸汽为工质，将热能转变为动能，再将蒸汽的动能转为机械能的动力机械，具有功率大、转速高、效率高、运转平稳、经济和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用，特别是中小型高压抽背式汽轮机（50～100 MW）廣泛用于有生产需求的自备电厂，具有投资小、收益高、高效经济等特点。十九大之后，我国经济发展由高速增长转向高质量增长，燃烧介质一般以煤为燃料的中小型自备热电厂，大多以抽汽背压式汽轮机作原动机，发电量占总发电量的80%左右。随着环保要求的提高，小型机组（50 MW以下）逐渐被淘汰。然而，由于机组在运行、维护、检修、改造的过程中存在一些隐患，时常发生汽轮机热变形、转子的热弯曲事故，给企业和社会造成损失[1-2]。
1 具体案例分析
2012年12月5日，盐城某自备电厂1#机组C级检修结束再次启动后，1#机于12月6日10时35分开始冲转，冲转速率为200 r/min，10时40分机组冲转至500 r/min，初步检查无异常。11时05分升速至1 200 r/min，中速暖机，经汽机人员与电气人员检查无异常。11时15分开启高压缸倒暖11#、12#电动门，高压缸进行暖缸。11时26分，汽机班长吴某令副操周某开高压缸法兰加热进汽手动门及中高压缸法兰加热器疏水一二次门，操作完后报告了班长。11时45分，高压缸胀差由11时的0.8 mm上升至1.5 mm，班长吴某开启高压缸法兰加热电动门，投入高压缸法兰加热。11时51分，发现中压缸下部金属温度高于上部金属温度55 ℃，班长令主操王某就地检查高中压缸及本体疏水门，无异常，经分析，认为温度测点有问题，立即联系热工处理，12时35分，测点处理完毕，此时中压缸法兰加热装置恢复正常。12时46分，投中压缸法兰加热装置。13时13分，主操李某在盘上发现1#机2瓦水平振动及大轴偏心率增大，报告班长。13时25分班长就地测量，2#瓦振动达12丝，就地声音明显异常，立即紧急停机。15时38分，1#机转速到0，停轴加风机，切换油泵后投盘车，此时转子偏心率超出500 μm，汽机闷缸，连盘。15时55～59分，转子偏心率降至75 μm左右，又逐渐增大到280 μm并趋向稳定，连盘。后经领导讨论决定：鉴于32 h的连盘后，转子偏心率没有变小，改电动盘车为手动盘车（0.5 h手盘180 ℃进行转子调直）。8日11时30分～13时，3次手盘待转子偏心率下降后，改投电动盘车，转子偏心率升高至260 μm，9日15时45分，高压缸上部温度达135 ℃，停盘车后开始做揭缸检查工作，发现轴瓦磨损严重，转子热弯曲变形。
2 现状
公司现有两台25 MW的国标武汉单缸汽轮机和一台18 MW的非国标武汉单缸汽轮机，都是高压抽汽背压式机组，是集团的能源供热供电中心。抽汽背压式汽轮机是从汽轮机的中间级抽取部分蒸汽，即一抽，供需要较高压力等级3.6 MP的热用户碱厂和5#线，共计160 T/H左右，汽轮机二抽主要供本厂自用汽和热水站用汽，共计50～100 T/H，同时保持一定背压的排汽，供需要较低压力等级的热用户一、二公司和碱厂，共计430 T/H左右，全年发电量达498 000 MW，产汽量4 890 000 T/H，因此，确保机组全年维持安全、稳定、高效、环保、经济运行。
3 汽轮机的热变形
汽轮机在启停和带负荷过程中，由于加热和冷却速度不同及操作不当所形成的温差，除了使汽缸和转子等产生热膨胀外，还会使汽轮机产生热弯曲和热变形，甚至导致转子永久性弯曲，导致设备损坏。
3.1 热变形的规律
从热变形原理可知，当金属部件温度均匀上升，沿长度方向的热膨胀也是均匀的，如图1（a）所示。如果金属部件受热不均匀，两侧温度上升不一致，当上侧温度高于下侧时，金属件上侧的膨胀量⊿L2，从而使这个金属件向上弯曲，产生了热变形，如图1（b）所示。热变形的规律：温度高的一侧向外凸出，温度低的一侧向内凹进，俗称“热凸冷凹”。运行中必须避免热变形的发生。
3.2 汽轮机的几种热变形
汽轮机的结构非常不规则，在启停过程中各个部分的加热或冷却速度也不相同，使得汽缸和转子内温度的分布情况很不一致，易发生十分复杂的热变形损坏设备。
3.2.1 汽轮机上下缸温差引起的几种热变形
汽轮机在启停过程中，上下汽缸存在着温差，一般上缸温度高于下缸温度。上下缸温差产生的主要原因有：
（1）上下汽缸的散热和重量不同。下缸比上缸的重量大。此外，下缸还带有一二抽汽、排汽、疏水等管道，因此，在同样保温、加热或冷却条件下，下缸温度就比上缸温度低，形成上下缸温差。
（2）启动时，蒸汽在汽缸内凝结形成的疏水都经抽排汽逆止门前疏水门排出，疏水在汽缸内形成的水膜降低了汽缸受热条件，较高温度的蒸汽上升过程中加热上缸，故上缸温度比下缸高，最终形成了上下缸温差。
（3）下缸的保温材料因自身重量，容易脱落导致下缸保温不佳，使其保温效果较上缸差，从而形成了上下缸温差。
（4）下缸处于运行平台之下，受到下面温度较低空气的影响，使下缸加速冷却，形成上下缸温差。
（5）停机后，转子在静止状态下，汽缸内残存的蒸汽和进入的空气，在汽缸内形成对流流动，热汽（气）流凝聚在上汽缸，冷汽（气）流和凝结的疏水在下汽缸，使上下缸的受热和冷却程度不一样，形成了上下缸温差。 （6）长时间的空负荷或低负荷运行，对只有上部高调门开启的汽轮机，上下缸受热不均，会使上下缸温差逐渐增大。
实践证明，上下汽缸过大的温差就会造成汽缸向上弯曲的“拱背”热变形，如图2所示，但在启动时，由于下缸加热及调整不当，使上下缸受热不均匀，很有可能导致下汽缸温度高于上汽缸温度，此时汽缸可产生向下弯曲变形。
上下缸的最大温差一般出现在调节级处。通过试验计算可知，汽轮机上下缸温差每增加20 ℃，调节级下部径向间隙减少0.2 mm左右。一般汽轮机隔板汽封径向间隙比较小，正常为0.4 mm，一般不超过0.7 mm，因此，上下汽缸温差规定不得高于35 ℃，严禁超过50 ℃。如果超过50 ℃，径向间隙很可能就消失，导致动静部分摩擦加大，使转子永久弯曲变形，损坏设备甚至事故扩大化。
3.2.2 法兰内外壁温差和汽缸内外壁温差引起的热变形
由于金属机械强度及受热不匀等原因，汽轮机法兰壁厚度正常都大于汽缸壁厚度，故启动时在法兰内外壁会出现温差，从而导致法兰横向和垂直方向的变形，引起热变形。
（1）法兰在水平方向的变形。
（2）法兰在垂直方向的热变形。
4 转子的热弯曲
转子弯曲通常有两种情况：一种是弹性弯曲，即转子径向受热不均，引起转子弯曲，温差消失后转子即恢复原状;另一种是塑性弯曲，即永久性弯曲，不可恢复，通常是因为转子径向温差较大时，引起较大的弯曲，温差消失后，转子弯曲不能消失。转子弹性弯曲往往会引起塑性弯曲，导致永久性弯曲，因此，运行中应使转子均匀加热或冷却，以减小热弯曲，避免产生塑性弯曲。
引起转子弯曲的原因主要有：
（1）机组升速启动过程中操作不当，如转子未转动就向轴封送汽或抽气管道出口电动门、逆止门、快关阀不严等。
（2）热态启动前，转子晃动度超过极限值。
（3）停机后转子静止，汽缸中有蒸汽漏入或冷却水使转子受热不均。
（4）停机后转子在静止状态，上下缸温差超限使转子径向产生温差。
（5）上下缸法兰内外存在较大的温差，在汽缸变形较大的情况下沖动转子，使动静部分局部发生摩擦过热引起转子弯曲。
（6）机组停转后，未及时投入连盘或连盘过程中盘车电机跳闸未及时发现。
转子热弯曲的数值可在一定的假设条件下，根据上下汽缸的温差值，用公式作似计算，但得不到准确的结果，故运行中通常用直接测量的办法来求得转子的热弯曲值。可以在高压转子前轴封处或在前轴承箱中安装千分表，通过测量转子的晃度值来间接地得出转子的热弯曲最大值：
fmax=0.25fn
式中，fn—千分表所测得轴的晃度值的1/2，mm。
L—两轴承间转子的长度，mm。
l—千分表与轴承间的距离，mm。
5 对策
机组启动过程中、运行时或停止后防止转子弯曲的主要措施如下：
（1）汽轮机主蒸汽管道电动隔离门1、电动隔离门2有压疏水门均开启。
（2）减温水手动隔离门、调整门关闭严密。
（3）1#、2#轴加水封筒加满水后立即关闭加水门，观察水位不超500 mm，否则打开轴加水封筒放水门，防止水从轴封加热器倒至汽封。
（4）机组冲转过程中应密切监视机组各轴承振动，轴承3个方向（水平、垂直、轴向）振动不得超过0.03 mm，特别监视垂直振动值和异音，否则应立即降速，待振动消除后在该转速下暖机10～20 min，再缓慢升速。如发生强烈振动达0.08 mm保护未动作，应立即打闸停机检查，投入盘车连盘，查明原因消除故障后再冲转。
（5）转速达2 800 r/min后，应关小电动主汽门后及自动主汽门疏水门，防止疏水量太大影响本体疏水畅通。
（6）冲转前应对主蒸汽管道、抽汽管道、排汽管道暖管，条件允许可采取正暖和反暖，节约时间且充分暖管。
（7）当锅炉燃烧不稳定时，应严格监视主蒸汽温度的变化，10 min内主蒸汽温度上升或下降50 ℃，应立即紧急停机。
（8）开机过程中应加强疏水膨胀箱、低位水箱、轴封加热器水位的监视，防止水或冷汽倒入汽缸。
（9）停机后及时关闭电动主汽门、抽排汽电动门，立即打开向空排汽电动门同时关闭排汽电动隔离门，关闭门杆漏汽至（高压、低压）除氧器手动门。
（10）关闭至除氧器的抽汽电动门、疏水门、轴封供汽母管前疏水门。
（11）开启汽缸本体、导汽管、主蒸汽管、抽汽管道及排汽管道各疏水门，防止水或冷汽倒入汽缸。
（12）停机转速到0后连盘，密切监视上下缸温度及温差变化。
6 结语
高压冲击抽背式汽轮机，当转子弯曲较大时，也正是汽缸拱起较大的时候，这时汽轮机动静部分之间的径向间隙可能逐渐消失，此时如果转动转子，导致其弯曲部位与隔板汽封摩擦加大，这不仅使汽封发生磨损，而且使转子弯曲部分局部温度逐渐升高，进一步加大转子的弯曲，使得摩擦加剧，机组振动逐渐增大超限，最终发生转子产生永久变形事故。因此，汽轮机在启动前连续盘车过程中，必须测得转子弯曲情况，其弯曲值必须在正常范围内方可启动。一般规定转子的晃度不允许超过0.05 mm（但随着取得测晃度位置的不同，其允许值将有所变化），否则禁止启动，不准启动的这段时间称为“死期”。所以汽轮机应避免“死期”，冲转前及时投入汽轮机相关保护装置（排汽压力低不投），严禁解除相关保护，保证机组安全、稳定、高效、环保、经济、长期运行。
[参考文献]
[1]孙成龙.浅议高压抽背式汽轮机的热膨胀[J].现代盐化工，2016（1）：30-32.
[2]赵永民.汽轮机设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2001.