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脹差、軸向位移產生原因及防控措施
2025-09-23
1、軸向位移和脹差的概念
軸位移指的是軸的位移量，而脹差則指的是軸相對于汽缸的相對膨脹量，一般軸向位移變化時其數值較小。軸向位移為正值時，大軸向發電機方向移，若此時汽缸膨脹遠小于軸的膨脹，脹差不一定向正值方向變化；如果機組參數不變，負荷穩定，脹差與軸向位移不發生變化。機組啟停過程中及蒸汽參數變化時，脹差將會發生變化，由于負荷的變化而軸向位移也一定發生變化。運行中軸向位移變化，必然引起脹差的變化。
汽輪機的轉子膨脹大于汽缸膨脹的脹差值稱為正脹差，當汽缸膨脹大于轉子膨脹時的脹差值稱為負脹差。
根據汽缸分類又可分為高差、中差、低I差、低II差。
脹差數值是很重要的運行參數，若脹差超限，則熱工保護動作使主機脫扣，避免動靜部分發生碰撞，損壞設備。
啟動時，一般應用加熱裝置來控制汽缸的膨脹量，而轉子主要依靠汽輪機的進汽溫度和流量以及軸封汽的汽溫和流量來控制轉子的膨脹量。啟動時脹差一般向正方向發展。汽輪機在停用時，隨著負荷、轉速的降低，轉子冷卻比汽缸快，所以脹差一般向負方向發展，特別是滑參數停機時尤其嚴重，必須采用汽加熱裝置向汽缸夾層和法蘭通以冷卻蒸汽，以免脹差保護動作。
汽輪發電機中，由于蒸汽在動葉中做功，以及隔板汽封間隙中的漏汽等原因，使動葉前后的蒸汽壓力有一個壓降。這個壓降使汽輪機轉子順著蒸汽流動方向形成一個軸向的推力，從而產生軸向位移。如果軸向位移大于汽輪機動靜部分的最小間隙就會使汽輪機靜、轉子相碰而損壞。軸向位移增大，會使推力瓦溫度開高，烏金燒毀，機組還會出現劇烈振動，故必須緊急停機，否則將帶來嚴重后果。
差脹保護是指汽輪機轉子和汽缺之間的相對膨脹差。在機組啟、停過程中，由于轉子相對汽缸來說很小，熱容量小，溫度變化快，膨脹速度快。若不采取措施加以控制升溫速度，將使機組轉子與汽缸摩擦造成損壞。故運行中差脹不能超過允許值。
汽輪機轉子停止轉動后，負脹差有可能會更加發展，因此應當維持一定溫度的軸封蒸汽，以免造成惡果。
2、軸向位移和脹差產生的原因（影響機組脹差的因素）
使脹差向正值增大的主要因素簡述如下：
1）啟動時暖機時間太短，升速太快或升負荷太快。
2）汽缸夾層、法蘭加熱裝置的加熱汽溫太低或流量較低，引起汽加熱的作用較弱。
3）滑銷系統或軸承臺板的滑動性能差，易卡澀，汽缸脹不出。
4）軸封汽溫度過高或軸封供汽量過大，引起軸頸過份伸長。
5）機組啟動時，進汽壓力、溫度、流量等參數過高。
6）推力軸承工作面、非工作面受力增大并磨損，軸向位移增大。
7）汽缸保溫層的保溫效果不佳或保溫層脫落，在嚴禁季節里，汽機房室溫太低或有穿堂冷風。
8）雙層缸的夾層中流入冷汽（或冷水）。
9）脹差指示器零點不準或觸點磨損，引起數字偏差。
10）多轉子機組，相鄰轉子脹差變化帶來的互相影響。
11）真空變化的影響(真空降低，引起進入汽輪機的蒸汽流量增大)。
12）轉速變化的影響(轉速降低)。
13）各級抽汽量變化的影響，若一級抽汽停用，則影響高差很明顯。
14）軸承油溫太高。
15）機組停機惰走過程中由于“泊桑效應”的影響。
16）差脹指示表不準，或頻率，電壓變化影響。
使脹差向負值增大的主要原因：
1）負荷迅速下降或突然甩負荷。
2）主汽溫驟減或啟動時的進汽溫度低于金屬溫度。
3）水沖擊。
4）軸承油溫太低。
5）軸封汽溫度太低。
6）軸向位移變化。
7)真空過高，相應排汽室溫降低而影響。
8）啟動進轉速突升，由于轉子在離心力的作用下軸向尺寸縮小，尤其低差變化明顯。
9）雙層汽缸夾層中流入高溫蒸汽，可能來自汽加熱裝置，也可能來自進汽套管的漏汽或者軸封漏汽。
10)汽缸夾層加熱裝置汽溫太高或流量較大，引起加熱過度。
11)滑銷系統或軸承臺板滑動卡澀，汽缸不縮回。
12)差脹值示表不準，或頻率，電壓變化影響。
正脹差 - 影響因素主要有：
（1）蒸汽溫升或溫降速度大
（2）負價苛變化速度的影響
（3）軸封供汽溫度的影響
（4）凝汽器真空的影響
（5）環境溫度的影響
（6）摩擦鼓風的影響
（7）其他：汽缸法蘭螺栓加熱裝置的影響
1.蒸汽溫升或溫降速度大
啟動時，一般應用加熱裝置來控制汽缸的膨脹量，而轉子主要依靠汽輪機的進汽溫度和流量以及軸封汽的汽溫和流量來控制轉子的膨脹量。啟動時脹差一般向正方向發展。汽輪機在停用時，隨著負荷、轉速的降低，轉子冷卻比汽缸快，所以脹差一般向負方向發展，特別是 滑參數停機時尤其嚴重，必須采用汽加熱裝置向汽缸夾層和法蘭通以冷卻蒸汽，以免脹差保護動作。汽輪機轉子停止轉動后，負脹差可能會更加發展，為此應當維持一定溫度的軸封蒸汽，以免造成惡果。
2.負荷變化速度的影響
當負荷變化時，各級蒸汽流量發生變化，特別是在低負荷范圍內，各級蒸汽溫度的變化較大，負荷增長速度愈快，蒸汽的溫升速度也愈快．與金屬表向降負荷速度加快，汽缸和轉子溫升速度的差別愈大。負荷增加速度加快，正脹差增大；降負荷速度加快，正脹差縮小，以致出現負脹差。
3.軸封供氣溫度的影響
軸封供氣對轉子的軸封段和軸封體加熱，由于軸封體是嵌在汽缸兩端，其膨脹對汽缸軸同長度幾乎沒有影響，但轉子軸封段的膨脹卻影響轉子的長度，因而使正脹差加大。由于軸封段占轉子長度的比例較小，故對總脹差影響較小，可是軸封處的局部脹差卻比較大。若軸封供氣溫度過高，則出現正脹差過大；反之，負脹差 過大。一般規定軸封氣溫度略高于軸封金屬溫度。
4.真空對低壓脹差的影響
真空降低，一方面排氣溫度升高，低壓缸排氣口壓力升高，缸體內外壓差減少，兩者促進低壓缸缸體膨脹，從而減少低壓脹差。另一方面，若軸封氣壓不變，低壓缸軸封段軸封氣量減少，轉子加熱減弱，也使低壓脹差減少。
5.環境溫度的影響
低壓脹差對環境溫度較敏感。環境溫度升高，低壓脹差變小，環境溫度降低，低壓脹差升高。主要原因一方面是環境溫度降低，低壓缸冷卻加劇（低壓缸無保溫）；另一方面是循環水溫度降低使真空升高，排氣溫度降低，缸溫下降。經觀察，在不同負荷下，變化規律是一樣的。在同一負荷下，冬季跟夏季低壓脹差相差 15%。
6.摩擦鼓風的影響
在機組啟動和低負荷階段，蒸汽流量較小，而高中低壓級內產生較大的鼓風摩擦損失（與轉速三次方成正比），損失產生的熱量被蒸汽吸收，使其溫度升高。由于葉輪直接與蒸汽相摩擦，因此轉子溫度比汽缸溫度高，故出現正脹差。隨著轉速升高，轉子摩擦鼓風損失產生的熱量相應加大，但此時由于流量增加，使產生的 鼓風損失的級數相應減少，因此每千克蒸汽吸收摩擦鼓風損失產生的熱量先隨轉速升高而增大，使高中低壓缸正脹差增大，后又隨轉速升高而相應減少，對脹差的影響逐漸減少。
3、軸向位移和脹差的危害
1.泊桑效應影響機組低壓脹差約10%，所以開機沖轉前，低壓脹差應保證10%以上。在停機過程中盡量減少低壓脹差（最好控制在90％以下），當低壓脹差超過110%，必須緊急停機，這時隨著轉速下降，低壓脹差會超過120%，在低轉速區可能會有動靜摩擦。
2.在冬季低壓脹差過高時，要注意軸封氣母管壓力，若壓力過高可適當調低，也可用降低真空方法來減少低壓脹差。冬季減少開窗的地方，這是冬季減少低壓脹差有效措施。
3.極熱態啟動時，軸封供氣盡量選擇高溫氣源，輔氣作為氣源時，必須保證其溫度控制在270℃左右，若溫度太低，將造成高壓軸封段大軸急劇冷卻收縮，有可能導致前幾級動靜摩擦。
4.冷態啟動時，軸封氣源高于大軸金屬溫度，大軸將局部受熱伸長，出現較大的正脹差。因此要選擇與軸封金屬溫度相匹配的氣源，不拖延啟動時間。低壓脹差過大，可采用降低真空來調節，盡量提前沖轉升速。機組啟動階段低壓正脹差超過限值時，可破壞真空停軸封氣，待脹差正常后重新啟動。
5.機組倒缸前，主蒸汽氣溫至少比高壓缸金屬溫度高50℃以上，倒缸前應考慮軸向位移對高壓脹差影響。
機組啟停階段脹差變化幅度大，影響因素多，調整難度大，因此要嚴格按規程操作，根據汽缸金屬溫度選擇適當的沖轉參數，適當的升溫升壓曲線，確定合適升溫速度，控制升速和暖機時間，帶負荷后根據具體情況，及時分析和采取有效方法，才能有效控制脹差。
4、機組啟動時脹差變化的分析與控制
汽輪機在啟停過程中，轉子與汽缸的熱交換條件不同。因此，造成他們在軸向的膨脹也不一致，即出現相對膨脹。相對膨脹通常也稱為脹差。脹差的大小表明了汽輪機軸向動靜間隙的變化情況。監視脹差是機組啟停過程中的一項重要任務。為避免軸向間隙變化而使動靜部分發生摩擦，不僅應對脹差進行嚴格的監視，而且脹差對汽輪機運行的影響應該有足夠的認識。
受熱后汽缸是從“死點”向機頭方向膨脹的，所以，脹差的信號發生器一般安裝在汽缸相對基礎的“死點”位置。脹差發信器安裝在前軸承箱座上。
機組的啟動按啟動前汽輪機金屬溫度水平分為：冷態啟動（金屬溫度150-180度）；溫態啟動（180度-350度）；熱態啟動（350度-450度）；極熱態啟動（450度以上）。
現僅就常見的冷態啟動和熱態啟動時機組脹差的變化與控制進行簡單分析：
在機組冷態啟動過程中，脹差的變化和對脹差的控制大致分為以下幾個階段：
1.汽封供汽抽真空階段。
從汽封供汽抽真空到轉子沖轉前脹差值是一直向正方向變化的。因為在加熱或冷卻過程中，轉子溫度升高或降低的速度都要比汽缸快，相應的膨脹或收縮的速度也要比汽缸快。在我們投入均壓箱對汽封供汽時，汽封套受熱后向兩側膨脹，對整個汽缸的膨脹影響不大。而與汽封相對應的轉子主軸段受熱后則使轉子伸長。汽封供熱對轉子伸長值的影響是由供汽溫度來決定的，但加熱時間也有影響。所以，冷態啟動時均壓箱的壓力不宜過高，一般應保持在0.1MPA以下，而溫度則應在250攝氏度左右。當抽氣系統投入并開始抽真空后，如果脹差向正值變化過快，可以采取降低均壓箱壓力或適當提升凝汽器真空的方法，因為通過提升真空可以減少蒸汽在汽封中的滯留時間。
總體上來說，冷態開機，汽封來汽溫度和壓力應該低一些，真空應該提升的快一點，在確保安全的前提下盡早達到沖轉的條件。
2.暖機升速階段。
從沖轉到定速，脹差基本上繼續上升。在這一階段，蒸汽流量小，蒸汽主要在調節級內做功。中速暖機以后再升速時，脹差值才會有減小的趨勢。這主要是因為隨著轉速的升高，離心力增大，軸向的分力也增大了，而使轉子變粗縮短。同時汽缸溫度逐漸上升，氣缸的膨脹速度也在上升，相對遲滯了轉子的膨脹值。在沖轉時，蒸汽的壓力和溫度都應適當低一些，但是溫度要保持一定的過熱度，沖轉速率要低。在沖轉過程當中要密切注意缸溫的變化，此時如果脹差正值過高應穩定轉速，或者降低真空，讓蒸汽在汽缸中的滯留時間長一些，充分暖機。有時在暖機升速過程中，如果汽缸本體疏水調節不當也會影響到脹差，所以，開機時應當注意控制汽缸本體疏水。為了防止脹差表數據失真，我們還應當密切觀察機組熱膨脹和軸向位移的變化，通過熱膨脹，軸向位移的對比來進一步判斷脹差變化。同時嚴密監視機組振動情況，特別是跨越臨界轉速時更為重要。
3.定速和并列帶負荷階段。
由于從升速到定速的時間較短，蒸汽溫度和流量幾乎不變化，對脹差的影響在定速后才能反映出來。定速后，脹差增加的幅度較大，持續的時間較長，特別是在發電機并網以后。在低負荷暖機階段，蒸汽對轉子和汽缸的加熱比較劇烈。并網后，隨著調節汽閥的開大，調節級的溫度上升比較快，調節汽門的開啟速度對脹差的影響比較大。也就是說，為了防止脹差變化過快，并網后應但在低負荷狀態下暖機一段時間，具體的低負荷暖機時間由汽缸上、下壁溫度，調節級溫度和脹差的變化趨勢來定。只有脹差值出現下降趨勢而且比并網時的數值下降10%以后才能開始逐步提負荷，一旦脹差又出現上漲并且達到并網時的數值時就應當適當的減緩升負荷速度甚至停止升負荷繼續暖機。這樣一直到機組負荷升至額定值。
總的來說，影響機組脹差的因素主要有以下幾點：暖機時間的長短，凝汽器真空的變化，軸封供汽溫度的高低和供汽時間的長短，主蒸汽的溫升、溫降率，負荷變化的影響等。
而冷態啟動機組簡單的說就是要做到：“調真空，穩供汽，緩升速，慢暖機。低負荷，不要急，缸溫上，再去提”。
（來源：火電廠技術聯盟）
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