《单元机组的启停》PPT课件.ppt

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2300 2600rmin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 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200 350左右。 （3）热态启动 停机时间在28h之间，或金属温度 已下降至其额定负荷值的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、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)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 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，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，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4 4(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： 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4 4(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，E 1.8610 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。 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，热量传递的非 常剧烈，传热系数可以高达16800 63000 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。 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 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，也就是说正常运行中 工作瓦承受轴向推力，而非工作瓦是不承受