汽轮机运行注意事项

汽轮机运行注意事项

1、汽轮机本体热应力监视

汽轮机在稳定工况运行时，汽缸壁除承受内部蒸汽压力所产生

的静应力外，还承受内外壁的热应力。由于在稳定工况下汽缸与法兰

的温差、汽缸内外壁的温差都不大，所以热应力数值也有限。但在启

动、停机或负荷大幅度变化等不稳定工况下，汽缸内的蒸汽压力和温

度都将剧烈地变化。压力变化范围再大，只要在设计的范围内，一般

是不会引起什么不良后果的，因为汽缸壁的厚度是根据承受的最高压

力来设计的。但过渡工况下温度剧烈的变化会使汽缸内外壁产生很大

的温度差，由此将引起较大的热应力。当热应力和静应力的综合应力

值超过金属材料的屈服极限，就会引起金属的残余变形，成为汽缸裂

纹和损坏的原因，这就是提出监测汽缸热应力的原因。

从热传导理论可知，对于无限大的平壁，当介质温度一定，金属

壁的两个外表面的温度亦均匀，则沿平壁厚度方向温度的分布呈直线

形式，而且所有各点的温度均不随时间而变化，此时的传热状态称作

稳定传热。汽轮机带一定负荷稳定运行即属此种情况，当启停机时，

极缓慢地升降转速和增减负荷的状态，亦属此种情况。

当介质温度是时间的线性函数，在一段足够长的时间后，沿平壁

厚度任意一点的温度亦为时间的线性函数，且其温度梯度场稳定，此

时传热状态称作准稳定传热，此时沿平壁厚度方向温度分布呈抛物线

形式。汽轮机启停机时较快的升降转速和增减负荷的过程，以及此过

程结束之后不长时间内的热传导皆可视作此种情况。 当介质温度或介质对壁面的放热系数发生剧烈变化时，内壁温度

将很快上升，此时温度梯度场也将随时间而变化，这时的传热状态称

为不稳定传热，这时沿平壁厚度方向温度的分布可视为双曲线形式，

汽轮机启动升速时主汽门门壁、急剧加负荷和甩负荷时调速汽门门

壁、调节级汽室处汽缸壁和法兰的热传导，均与此种情况相似。

当平壁在完全约束状态下（指四周均有约束力限制变形，不考虑

平壁热弯曲的附加应力的影响）加热时，内壁承受最大热压应力，外

壁承受最大热拉应力，对于稳定传热当平壁在完全无约束状态下加热

时，即考虑平壁因热弯曲产生附加应力的影响时，内壁所承受的最大

热压应力值，外壁所承受的最大热拉应力值均将减小，实际上，汽轮

机的汽缸、法兰均是界于完全约束与完全无约束之间的。

汽缸或法兰壁面的热应力的大小，取决于传热方式和内外壁温度

差。由于对确定的金属材料，导热系数为定值，而一般的变动工况（甩

负荷、负荷剧增等急剧冷却和加热的工况例外），传热方式均可按准

稳定传热考虑，此时热应力值仅决定于内外壁温差。因此内外壁温差

可用来作为监视和控制汽缸壁或法兰壁热应力的可靠依据，实际启停

汽轮机时，只要监视和控制汽缸或法兰内外壁温差在规定范围内，就

可保证其内壁热应力不超过允许值。目前大功率汽轮机一般都在关键

部位装设汽缸和法兰内外壁温度的测点，通过监视其温差来监视汽缸

的热力机械状态。

根据热传导理论，在蒸汽对平壁的放热系数恒定的条件下，当达

到准稳定传热状态时，内外壁的温度差亦达到最大恒定值。内外壁温差与温升速度以及壁厚的平方成正比，壁厚一定时，温升速度的大小

即决定了内外壁温差的大小，进而也就决定了壁面热应力的大小。因

此通过监测和控制金属温升速度，也可达到监测控制金属热应力的目

的。在相同的温升速度下，厚壁比薄壁的内外壁温差要大。启动时，

法兰内外壁温差远大于缸壁的温差。从这里还可看出，控制热应力应

以厚度较大部件法兰的内外壁温差作依据，如以汽缸壁作为检测依

据，则会产生法兰内外壁温差过大、热应力超过材料许用应力的危险

状态。

螺栓的受热主要靠法兰传递，因此，在启动加热过程中法兰温度

总是比螺栓要高一些，它们之间的温差会使螺栓承受附加的热拉应

力，当螺栓承受的总拉应力超过材料屈服极限时，就有被拉断的危险。

当已知螺栓材料的屈服极限和螺栓的预紧力时，就能计算出法兰、螺

栓间的最大允许温差值。因此，为了控制螺栓的热应力值，就必须监

测法兰与螺栓之间的温差，再根据各该部件金属材料的性能，是不难

得出监视它们的热应力值的控制指标的。

当汽轮机启动加热时，汽缸内壁温度总是大于外壁温度，因此内壁承受

热压应力而外壁承受热拉应力。反之，当汽轮机减负荷停机时，内壁温

度又会低于外壁温度，因而内壁承受热拉应力而外壁承受热压应力，最

大热应力总是产生在内壁。汽轮机在各种不同工况下工作时，汽缸内各

级汽室总容有一定压力的蒸汽，蒸汽压力在汽缸上产生的静应力，在内

外壁上均为拉应力。考虑到静应力的存在，启动加热时内壁承受的热压

应力可略为缓和，而在减负荷和停机冷却时内壁承受的热拉应力则与静应力值迭加，很容易使综合拉应力值超过金属材料的允许值，引起汽缸

裂纹。在负荷骤降，汽室维持较高汽压，静应力值相当大时，这种危险

性就更大。所以对减负荷、停机以及热态启动等可能引起汽缸法兰冷却

的工况，温差控制指标应更严格一些。

2、汽轮机本体热膨胀的监测

汽轮机在启、停和负荷变化过程中，汽缸转子或其它部件都要因

温度变化而发生膨胀或收缩。保证汽缸以轴线、死点为基准在各方向

匀称自由地膨胀和收缩，是防止产生热应力和热变形乃至机组振动的

重要条件。

汽缸的热膨胀数值除与汽缸长度以及材料有关外，还取决于汽轮

机通流部分的热力过程，亦即汽缸各段的温度。由于汽轮机高中压缸

的法兰远比缸壁厚得多，因此汽缸的膨胀往往取决于法兰各段的平均

温度。

汽轮机在运行中的温度场分布总有一定的规律性，总可以找出某

一点作为汽缸膨胀的监视点，再通过计算或实测找出监测点温度变化

与汽缸膨胀值的对应关系，用以监视汽缸的膨胀是否正常。监视点通

常都选取调节级处的法兰温度（对双层缸为外缸法兰温度），此温度

与汽缸膨胀值大体呈直线变化关系。

为了监视汽缸热膨胀，通常在汽轮机两侧均装设绝对膨胀指示仪

表或热膨胀测量装置。需要说明的是：监视汽缸两侧膨胀均匀是很重

要的，这是因为当两侧膨胀相差太大时将会引起机组中心偏斜导致汽

缸轴向膨胀阻涩，严重时还会导致动静部分碰磨，引起机组的强烈振动，因此要经常对照汽缸两侧法兰的温度和两侧的膨胀指示值。对于

仅在一侧安装膨胀指示表的机组，则应经常注意两侧法兰的温度不能

相差过大，进行综合判断，防止汽轮机热膨胀偏差太大。

3、汽轮机本体热变形的监测

①为防止汽缸变形过大，影响到动静各部分之间的间隙，要求汽

缸具有足够的刚度。一般讲，刚度特性主要包括静刚度、动刚度和热

变形等几项，静刚度是指半缸及合缸情况下载荷与变形的关系，对于

轴承座与汽缸铸成一体的机组则还应施加转子的重量。冷态下抽真空

与变形的关系也属于静刚度。动刚度是指抗振强度性能。热变形则主

要指汽轮机在各种不同受热情况下各轴承座和基础台板负载分配的

变化情况，特别是后汽缸温度变化的影响情况。上述这些刚度特性均

应在安装和投产初期通过试验来测定，以便掌握在各种情况下汽轮机

动静各部分之间间隙的变化规律，更好地指导运行人员操作机组。

汽轮机在启动和停机过程中很容易产生上下缸的温度差。由于下

缸重量大、抽汽管道等散热较快，并且保温条件也不如上缸，所以通

常总是上缸温度高于下缸温度，因此，汽缸产生向上拱起的变形，并

使下缸底部动静部分之间的径向间隙减小，当上下缸温差过大时，就

会导致动静部分的径向摩擦。

机组启停过程中，由于调节级温度变化较大，最大温差多发生在

该处。通过计算和实测表明，上下缸温差每增加10℃，动静间隙约

减少0.1mm。隔板汽封的径向间隙一般为0.4—0.7毫米，故一般规定

上下缸温差值应控制在35～50℃以下。 当汽缸法兰内壁受热时，内外壁温差将引起法兰弯曲变形，此时

横向法兰将向内弯曲引起两内侧间隙的减小，在轴向将使汽缸前后两

端的横截面成为扁椭圆，而中间部分则成为立椭圆，从而使调节级及

其后几级两侧径向间隙的减小，成为诱发动、静部分碰磨的主要因素。

因此，监视和控制法兰内外壁温差也是控制汽缸热变形的有效手段。

对于没有装设法兰内壁温度测点的机组，可采用监视汽缸壁与法兰壁的温

差来间接控制汽缸的热变形，因为这一温差与法兰沿宽度的温度差具有对

应的关系，参照变动工况下汽缸内外壁的温差数值范围，再对照法兰内外

壁温差的控制范围，一般取汽缸壁与法兰壁温差的控制值为70－80℃（加

热时）或40－50℃（冷却时）。

②汽缸温度测点的布置

监视汽缸的热力机械状态，除需在汽缸各段装设监视蒸汽压力值的压

力仪表外，还需装设监视汽缸热膨胀值的绝对膨胀指示仪表，以及通过

监视各点温度和各部温差来监视汽缸热应力、热变形用的温度测点。

调节级汽室能准确灵敏地反映汽轮机的工作状态，且蒸汽的压力温度都

比较高，是监视汽缸热力机械状态比较理想的区段，所以温度测点也较

集中地布置在这一区域。对再热机组中压缸温度也很高，所以常取中压

缸第一级汽室前后布置温度测点，有的机组为了更好掌握汽缸状态还在

抽汽口区段布置汽缸温度测点。

③汽缸运行注意问题

汽缸由于运行不当所可能引起的问题主要是汽缸变形（指永久变

形）和裂纹。汽缸变形可造成水平或垂直法兰接合面不严密，在高压侧会向外漏汽，当漏汽部位接近前轴承时，蒸汽会漏入轴承使油质劣

化；在低压侧，会使外部空气漏入影响凝汽器真空，当变形严重时还

会使汽缸重量在机座上重新分配，引起汽轮机动静中心线的变化，甚

至导致动静碰触，引起机组振动，损坏汽轮机。

A、造成汽缸变形的主要原因有以下几个方面：1、汽缸长时间在

超过汽缸材料允许温度下运行，造成汽缸蠕变，紧固件的应力松弛。

2、 滑销系统卡涩，不能保证正常膨胀，形成过大变形热应力。3、

汽缸内隔板与汽缸径向间隙过小，隔板膨胀时顶住汽缸。4、汽缸外

部保温不良或局部分离、脱落，造成长期不均匀受热或冷却。

B、造成汽缸裂纹的主要原因有：1、汽缸多次承受冷热交替的运

行方式，使应力超过薄弱地点的强度，产生疲劳裂断裂。2、长期强

烈振动，使汽缸材料的应力超过疲劳极限。3、汽缸材料有缺陷或热

处理不良，使汽缸局部承受较大内应力。4、运行方式不当，汽缸不

均匀加热或冷却时，这些部位的应力有可能超过允许值。5、 转动部

件损伤脱落如断叶片等，强力冲击造成汽缸裂纹。

综上所述，为保证汽缸安全可靠的运行，必须做到：严格控制进汽参数，

不允许汽轮机长时间在超温条件下运行。负荷变化应平稳缓慢些，防止

由于运行方式的剧烈变化，使汽缸承受冷热交变作用。持滑销系统结合

面清洁，防止卡涩，并经常检查和监视汽缸各处的膨胀情况。保持汽缸

保温完好，防止汽缸膨胀不均。经常注意检测机组振动情况，有异常振

动或异音时，应及时分析处理。采用合理运行方式，尽可能使汽缸沿圆

周均匀受热冷却，采用定－滑－定运行方式等。