第八章 汽轮机危急遮断系统（ETS ）
第一节 ETS 危急遮断的项目及整定值
为了防止汽轮机在运行中因部分设备工作失常可能导致的汽轮机发生重大操作事故，在机组上装有危急遮断系统。危急遮断系统监视汽机的某些运行参数，当这些参数超过其运行限制值时，该系统就送出遮断信号关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，实现紧急停机。
一、ETS 危急遮断的项目及整定值
1、★汽机转速达到110%额定转速（OPT ）；（动作转速值为3300rpm ） 注：机械遮断110%-112%额定转速（MOPT ）；(动作转速值为3330rpm ）
2、 ●真空低于规定的极限值；（68kPa ）
3、 ●润滑油压下降超过极限值；（0.10MPa ）
4、 ★EH 油压下降超过极限值；（9.5MPa ）
5、 ●转子轴向位移超过极限值；（≥+0.5mm或≤-0.7mm ）
6、 ●高压缸排汽温度超过极限值；（>427℃）
7、 ★透平压比低于极限值；（调节级压力与高缸排汽压力比低于1.7）
8、 ●汽机轴振动达到危险值；（汽机侧≥130μm, 发电机侧≥180μm ）
9、 ●轴瓦、推力瓦钨金温度超过极限值；（汽机侧≥110℃, 发
电机侧≥120℃）
10、★集控室/就地手动停机（双按钮）；
11、●DEH 失电；
12、●发电机冷却水断水保护；
13、●备用四路；（电气遮断、锅炉遮断、旁路遮断、遥控遮断） 带★标志的保护机械遮断油路控制信号为三取二方式。 ETS危急遮断系统的逻辑关系如图8-1所示
图8-1ETS 危急遮断系统的逻辑关系
二、危急遮断的组成
危急遮断系统分为两种情况。一种是机组运行中，为防止部分设备失常造成设备严重损坏，装有自动停机危急遮断系统(AST)，当发生异常情况时，关闭所有进汽阀，紧急停机。；二是超速保护控制系统(OPC),使高压调节汽阀及再热调节汽阀暂时关闭，减少汽轮机进汽量及功率，但不能使汽轮机停机。因此机组相应设有自动停机危急遮断油路（AST ）和超速保护控制油路（OPC ）及机械遮断油路（MOPT ），此外，手动停机也借助于机械遮断油路。ETS 危急遮断系统的原理如图8-2所示
图8-2 ETS危急遮断系统原理
第二节 汽轮机危急遮断系统的功能
一、轴承润滑油压低保护
汽轮机的主轴承和推力轴承分别承担着保证转动部分与静止部分之
间的径向与轴向间隙一定的任务，以维持机组运转时，动、静部分之间不相互碰撞，显然每个部件的稳定运行都是反映机组安全运行的重要参量。而它们的稳定运行又是通过稳定油膜的建立来保证的。破坏油膜的因素很多，如润滑油压、油温、油质、轴瓦与轴的间隙，乌金脱落，发电机或励磁机漏电，等等。一旦油膜遭到破坏，除引起轴承烧瓦事故，还将产生转子轴径局部受热而发生弯曲，轴承剧烈的振动，转动部分与禁止部分之间的摩擦或碰撞等严重的后果。
由此可见，严密监视轴承的工作状态是维持机组安全运行的重要措施。
轴承发生烧瓦事故时，轴承润滑油温度，推力瓦和轴承温度将升高，而轴承油膜压力则迅速下降，所以在系统设计中，对“轴承油压过低”进行保护，一旦此工况发生，将立即遮断机组的运行。至于轴承金属和油的温度的监视与控制，由自动程序控制功能（ATC ）完成。
对轴承润滑油压过低进行保护由ETS 系统实现，机组正常运行时，主油泵提供润滑油系统的全部用油，任何停机或偶然事故引起轴承油压降低到开关整定值0.12MPa 时，报警并启动交流润滑油泵，为机组提供所需的全部用油；若润滑油母管油压继续下降到0.10MPa 时，启动直流润滑油泵和顶轴油泵；“低油压保护”动作，机组跳闸停机。图8-3所示是“润滑油压低”试验块原理。由于“抗燃油压低”和“冷凝汽器真空
过低”的试验块原理基本相同，故以同一图示意。
图8-3 润滑油压低试验块原理
试验块组件由一个钢制试验块、两个压力表、两个截止阀、两个电磁阀和三个针阀所组成，它安装在前轴承座，与安装在附近的一个端子箱中的压力开关相连接，其一侧通过节流孔与系统供油管道相连，而另一侧与泄油或通风阀相连，采用双道对称结构。操作人员可通过集控室按钮或就地手操，开启其中一个通道的电磁阀，泄其压力油，以校验压力开关的报警值。由于每一通道与泄油管道通过一节流孔相连，在试验一通道时，另一通道将不受影响，系统仍具有“低油压自动保护”功能。 在轴承油压降低到压力开关的整定值（0.10MPa ）以下时，双通道的两组压力开关（四个）均向ETS 柜发轴承油压低遮断请求信号，图8-4所示是轴承油压过低控制继电器逻辑。
图8-4轴承油压过低控制继电器逻辑
机组正常运行时，轴承油压大于遮断整定值，四个开关（63-1/LBO～63-4/LBO）的线圈带电，相应的常开触点闭合将引起图中的四个中间继电器1X ～4X/LBO带电，同样地，相应的遮断控制继电器闭合使线圈LBO-1或LBO-2闭合，最终使得ETS 的遮断控制继电器总逻辑系统（见图8-5）中的LBO1，LBO2闭合，从而使轴承油压正常。继电器线圈LBO-1和LBO-2的一侧分别与ETS 盘上左右两侧的选择开关的接点S1和S2相连。正常运行时，接点S1和S2闭合，将两个遮断控制继电器线圈LBO-1、LBO-2并联，因此只有在通道1与通道2各有一闭合触点断开-------每一通道必有一块压力表检测到轴承油压低于遮断整定值时，才可能引起两路自动停机通道遮断（见图8-5），机组紧急停机，这样做可避免某一个触点压力开关或中间继电器误动作而错误停机。图8-4中K1和K2为电磁脱扣继电器。
图8-5 ETS 的遮断控制继电器总逻辑系统
在线试验可以通道1为例予以说明，在ETS 盘上，将左侧选择开关箭头拨至LBO 档，它将使图8-4中原来闭合的触点断开，并接通图8-3中的电磁阀20-1/LBO，释放管道油压，在油压降低到遮断值时，压力开关63-1/LBO，63-3/LBO将引起线圈LBO-1释放，并同时点亮ETS 盘上的LBO1，LBO3指示灯，由此验证通道1是否正常，压力开关整定值是否正确，同理，可以进行通道2的在线试验。
如果一个通道在线试验时，实际的轴承油压低于遮断整定值，则四个压力开关将全部感受到这一情况，并使双通道的两个继电器线圈LBO-1和LBO-2失电，请求紧急停机。
二、凝汽器真空过低保护
在汽轮机运行中，真空下降现象比较常见，汽轮机运行中发生真空下
降，对机组的经济性和安全性有较大的影响。真空下降将使蒸汽在汽轮机内的焓降减小，从而减小了机组的出力和降低了热效率，一般真空下降1％，汽耗约增加1％～2％。汽轮机真空下降，使排汽温度升高，造成低压缸热膨胀变形和低压缸后面的轴承上抬，机组的中心偏移而发生振动；也会使凝汽器铜管的内应力增大，以致破坏凝汽器的严密性，还会使低压端部轴封的径向间隙发生变化，造成摩擦损坏。
凝汽器真空下降的原因难以确定且降落的速度较快时，可能造成严重的事故，为此，须设置凝汽器低真空保护装置。330MW 机组的低真空保护采用两级保护系统，一级保护是类似润滑油压保护那样的逻辑控制回路，所不同的是真空开关代替了压力开关。二级保护是机械保护，它是基于电气保护失灵，而汽轮机排汽压力又过高的情况下采用的。显然，这时一种防止排汽压力过高的双重保护，其措施是装设排大汽阀。 如图8-6所示为排大汽阀的结构，它安装在低压缸缸盖上，并用螺钉4紧固在汽缸法兰上，由一个铅质薄膜环5构成，薄膜环紧压在环形垫片6和阀盖7的外密封面间，其内部用螺钉3压紧在压环2和承压板1的内密封面中，承压板由图中虚线所示的组焊式承压格栅支托，借以承受来自外部的大气压力。
当汽轮机的排汽压力超过设计的最大安全值时，排大汽阀的承压板1即推向外侧，引起铅质薄膜环5在压环外缘和阀盖内圆间剪断，则薄膜
环断裂，汽流自汽缸向上排出，而阀盖7可防止铅质薄膜环、承压板和压环甩出。设在外径上的挡板，起引导汽流向上排出的作用，以免伤人。对薄膜环的承压要求，一般在40～50KPa 时即破坏。“凝汽器真空低保护”的试验原理以及遮断控制逻辑，均类同于“轴承油压低保护”试验的原理。
图8-6 排大气阀的结构
三、EH 油压低保护
EH油系统的任务之一，是维持油压一定，为机组正常的转速与负荷控制提供保证。正常的EH 油压14.5 MPa（范围11. 2～16.2MPa ）是机组启动和正常运行的先决条件。EH 油系统故障将引起EH 油压下降，当油压降到10.00MPa 时，“EH 油压保护”组件发出低油压报警。进一步降至9.5MPa 时，组件请求机组脱扣。EH 油压过低试验块的组成与工作原理，以及遮断控制断电器逻辑，均与“轴承油压低保护”类似。
四、轴向位移保护
前已述及润滑油系统故障引起的油膜破坏，将会使推力瓦块乌金烧熔，此外，负荷突增与下跌，水冲击，动叶结垢，隔板汽封间隙增大，
新蒸汽温度急剧下降，真空下降均将增大转子轴向推力，使推力轴承过负荷，甚至破坏油膜而烧熔乌金。更严重的是，由于轴向位移增大，汽轮机内部转动部件与静止部件之间的轴向间隙可能消失，动静部件之间将发生摩擦和碰撞，从而造成严重的设备损坏事故，如大批叶片折断，大轴弯曲，隔板和叶轮碎裂等。
因此，汽轮机都必须设置轴向位移遮断装置，以实现对机组的安全保护。相对而言，电气遮断逻辑总系统还是比较可靠的，这样，轴向位移的遮断问题，实质上就是如何保证轴向位移测量准确性的问题，以便在轴向位移超标时，向危急遮断系统提供最可靠的遮断信息。
机组的轴向位移遮断机构如图8-7所示，它由四个轴向位移传感器、两个试验汽缸、四个电磁阀和用来作为传感器基准点的联轴器垫片组成，其他零部件是支托架和用来安装试验汽缸和传感器的有关部件。在任何情况下，各传感器的安装都必须与一个基准面保持间隙，例如与联轴器平面或指示盘间有一定的间隙。在试验汽缸和传感器与联轴器指示盘的间隙整定好后，用定位销把试验汽缸最后固定。
在正常情况下，转子的轴向推力是由推力轴承平衡的，机组的失常导致轴向位移的超标，首先由这里有所觉察，因此，监视转子轴向位移的传感器，应当装在推力轴承的附近。
图8-7 轴向位移遮断机构
轴向位移测量装置由测量盘和传感器组成。测量盘装在推力轴承附
近，而在该盘的发电机侧的两水平端面上，各装有两个作为重复保护的传感器，用来测量转子向机头侧和发电机侧两个方向的轴向位移，测量盘和传感器之间间隙的变化表现为轴向位移的变化。转子正常的轴向位移，由推力轴承的间隙、推力轴承的静挠度和推力瓦块的磨损来确定，会有一些正常缓慢的变化，但变化很小。当推力轴承损坏时，若转子向发电机方向移动，传感器与测量盘间的间隙变小；若向机头方向移动，则该间隙变大，这种间隙变化将引起传感器内磁阻的变化，通过变送器使输出的电气信号改变。
变送器提供的信息有两种监控功能：第一种是报警功能，表示过度
的轴承挠曲和瓦片磨损使轴向位移超过第一个规定值，通过继电器向运行人员发出报警信号以提醒注意；第二种是遮断功能，表示位移已增加
到第二个规定值，机组转动部分与静止部分即将接触，监控系统一方面通过声光信息说明位移已达到遮断状态，另一方面使继电器遮断触点动作，通过危急遮断系统使汽轮机紧急停机。
图8-8所示是轴向位移控制继电器逻辑。机组正常运行时，轴
向位移在正常范围内。当轴向位移达遮断值时，轴向位移传感器控
制的触点K1、K2闭合，短接了线圈KTB1、KTB2，使其相应的触点
断开，从而引起AST 电磁阀失电（见图8-5），遮断汽轮发电机组。
图8-8中触点K1～K4可起到隔离两个通道的作用，便于每一通道
做在线试验。
图8-8 轴向位移控制继电器逻辑
五、电气超速保护
在避免机组超速方面，前面介绍了103％n 0 超速保护，这里，介绍的是110％n 0 电气超速保护，图8-9是电气超速遮断系统原理图，它是由一个安装在盘车处的磁阻发送器和一个安装在ETS 柜中的转速插件组成。磁阻发送器的输出频率正比于轴的转速，该频率送至转换器，经限幅、整形、发达后输出一个正比于频率的模拟信号，此信号一方面经缓冲放大回路进行转换显示，一方面与110％n 0 对应的遮断整定点电压进行比较，在轴的转速小于该遮断整定点（即 n＜110％n 0 ）时，比较器的输出是一个正电压；如果轴的转速大于遮断整定值（即 n＞110％n 0 ），则比较器输出是电压为负值，它将使其后的三级管V1导通，超速遮断继电器线圈KOST 带电，其相应的触点状态将发生变化。
图8-9 电气超速遮断系统原理
图8-10所示是电气超速遮断控制继电器逻辑，机组正常运行时，S1、S2是闭合的，触点KOST 断开，线圈KOS1、KOS2带电，相应的触点（见图8-5）闭合，一旦机组转速超过设定值110％n 0，KOST 线圈通电（见图8-9）而使其相应的触点KOST （图8-10）闭合，短接了线圈KOS1、KOS2，从而断开了图8-5中的触点OS1、OS2，最终导致危急遮断电磁阀的四个线圈（20-1/AST～20-4/AST）失电，释放AST 母管油压，遮断汽轮发电机组。接点S1、S2也是为进行单通道试验而设计的。
图8-10电气超速遮断控制继电器逻辑
从图8-9和图8-10中不难分析：在进行单通道试验时，ETS 系统无“电气超速保护”功能。此时，若机组突然发生了110％n 0的超速，则遮断所有进汽阀门的行为将由机械超速遮断装置完成。
六、遥控遮断保护
危急遮断系统提供一接口，可接 受外部遥控遮断汽轮机的命令。图8- 11表示了遥控遮断控制继电器逻辑。 图中触点S1、S2上跨有跳接线。如果用户遥控遮断汽轮机的触点输入，将短接两个继电器REM1、REM2、其相应触点（见图8-5中的REM1、REM2）断开，释放四只危急遮断电磁阀，实现紧急停机。
对于单通道系统（见图8-11），欲想试验遥控通道而又不引起停机是不可能的。解决这个问题的办法是采用双通道，即将图中虚线变为实线，并将跨接在触点S1、S2的跳接线去掉，这样就可以在进行单通道试验的同时，系统仍具有遥控危急遮断的功能。
图8-11 遥控遮断控制继电器逻辑
七、 机械超速危急遮断系统
（一）、机械超速危急遮断系统的工作原理
在DEH 系统中，对转速的保护是多重的，机械超速遮断系统是一个
独立的系统，与常规液压控制系统中的超速保护基本相同，图8-12所示为机械超速遮断相同的工作原理，它的传感器为飞锤，装于转子延伸轴的横向孔中，其质量中心与转子的几何中心偏置，并通过压弹簧将飞锤紧固在横向小孔中，利用弹簧约束力与离心力平衡的原理来设计动作转速。设飞锤的质量为m ，飞锤质心与转子几何中心的偏心距为a ，飞锤出击距离为x ，离心力为c ，转子角速度ω=
的关系为： c =m (a +x )ω2 （8-1） g π60n ，则飞锤离心力与角速度
从式中可看出，只要确定了转子角速度ω，便可计算出离心力，然后设计弹簧，根据弹簧的约束力F 的方向与离心力的方向相反，可以得到约束力F 与离心力c 的关系。当c ＜F 时，飞锤不出击，当c ≥F 时，飞锤出击，通过机械遮断系统动作而实现停机。
图8-12 机械超速遮断系统的工作原理
机械超速保护系统的机械遮断油系统，与电气超速系统（ETS ）互为独立，采用的是与润滑油主油泵相连接的油系统。当机组正常运行时，脱扣油母管中的机械遮断油－自主油泵出口的透平油经节流孔板后分两路，其中一路经常开电磁阀（1）后，通向危急遮断油门活塞的侧面，另一路是通向隔膜阀的上部。此时，危急遮断油门和隔膜阀封闭，机械遮断系统处于备用状态。
飞锤出击转速，一般为额定转速的110％～112％。当机组正常运行时，飞锤因偏心所产生的离心力，不足以克服弹簧反方向的约束力，飞锤不出击。当机组超速时，随着转速的增加，偏心距加大，离心力也相应增加，虽然随着偏心距的增加，弹簧刀约束力也有所增加，但到达整
定转速后，由于离心力增加较快，迅速地克服约束力并使飞锤出击。出击的飞锤撞击在脱扣碰钩上，克服扭弹簧的力使碰钩围绕其转轴旋转而脱扣，使危急遮断油门的滑阀在下部弹簧力的作用下向上运动，通向危急遮断油门滑阀的侧面的油口和危急遮断油门底部的泄油口接通并泄油，导致机械超速与手动遮断母管的油压降低，使隔膜阀也因其上部机械遮断油压的降低而打开，危急遮断油总管泄油并失压，从而使主汽阀和调节汽阀关闭，切断汽轮机的全部进汽，使机组停机。
机械遮断系统动作、汽轮机停止进汽后，转速逐渐下降，当转速降低到遮断值以下时，由于离心力降低比约束力降低快，弹簧的约束力使飞锤退回到出击前的原位，其对应的转速，称为复位转速。考虑到机组重新启动的方便，一般复位转速稍高于额定转速，大约3050r/min左右。
当飞锤复位后，若要重新建立机械遮断油压，必须打开常闭电磁阀
（3），建立复位油压，作用在危急遮断油门滑阀的上部克服弹簧力使滑阀下移封闭泄油口的同时，挂钩在扭弹簧的作用下转动并重新返回到挂闸位置，顶住遮断油门滑阀，重新建立机械遮断油压，封闭隔膜阀。
（二）、机械超速遮断机构
1、危急遮断器
危急遮断器采用的是北重生产的常规通用部套，技术成熟，性能可靠，兼具调整方便，体积小等特点，在其它机组上得到广泛使用。
危急遮断器采用的是飞锤式机械危急遮断器，转速升高到整定值时，在离心力的作用下，飞锤克服弹簧的作用力飞出，行程约4mm 。通过调整危急遮断器的调节套筒，可以调整弹簧预紧力，达到整定飞锤飞出转速的目的(出厂前飞锤飞出整定已做好) 。此外，危急遮断器的一端还带有60齿的测速齿盘，用于测量机组的转速、危急遮断器飞锤的飞出转速、机组转速飞升时的最高转速及鉴相。
2、危急遮断油门
危急遮断油门与危急遮断器配套使用，也是北重生产的常规通用部套，它排油量大，动作灵活，使用方便。危急遮断油门主要由壳体、套筒、滑阀、挡板、压缩弹簧及扭弹簧组成，它的作用是：挡板接受危急遮断器飞锤的打击信号后与滑阀脱扣，滑阀在底部弹簧的作用下向上弹起，打开原本处于遮挡状态的安全油泄油窗口，使安全油路的油压迅速跌落，造成隔膜阀的快速动作。
3、节流孔板
节流孔板安装在通往危急遮断油门的润滑油路上。设置节流孔板的目的既是为了使危急遮断油门动作后，机械遮断油路油压快速下降；同时又使润滑油压不受机械遮断油压跌落的干扰。
（三）、机械超速试验
机械超速保护装置可做以下试验：
1、 喷油试验
此试验是在汽轮机正常运行条件下检查飞锤动作的可靠性。在充油试验时，为了防止使汽轮机跳闸停机，必须先将常开电磁阀（1）关闭，使试验不会引起隔膜阀动作。
接着将注油用的常闭电磁阀(2)打开，将主油泵出口的压力油，经过常闭电磁阀（2）通向装在汽轮机前轴承箱前端的喷油管，由此油管向正对转子中心的喷嘴供0.2MPa 的油，将油喷入转子端部的中心孔内，经油通道注到飞锤内（如图8-13所示），在机组处于额定转速（3000 r/min）时，离心力和喷油压力共同推动飞锤飞出。飞锤飞出时，由危急遮断指示器给出信号，直至撞击挂钩，使挂钩顺时针转动脱开危急遮断油门活塞的顶部。在确信遮断机构动作正确后，关闭常闭电磁阀（2）。当常闭电磁阀（2）关闭后，飞锤中油流逐渐泄去，油压消失后飞锤便能复位。由于复位转速较正常转速高，因而油压消失后飞锤很快可以复位。然后，打开常闭电磁阀（3）使挂钩和危急遮断油门的滑阀复位、再打开常闭电磁阀
（1），危急遮断器系统恢复正常、喷油试验结束。整个过程可由ETS 来完成。
在做喷油试验时，喷嘴前油压大小决定了飞锤的动作，并用压力表指明使危急遮断器飞锤动作时所需的油压，把这些压力与以前压力比较，可以判定危急遮断器动作是否正常。为了使结果有可比性，在做喷油试
验时，转子转速必须严格保持额定转速（3000 r/min），转子的端面与喷嘴之间的距离必须一定。
图8-13 超速遮断机构喷油试验装置
1、常闭电磁阀（2）；2、试验喷嘴；3、危急遮断飞锤
2、 机械超速试验
为保证汽轮机的安全运行，应当使机械超速保护的动作准确，即机械超速危急遮断器的飞锤动作转速应准确（要求转速在额定转速的
1.10～1.12倍时，危急遮断器动作），并及时使各进汽阀关闭，故应当定期进行超速试验、校验飞锤动作转速的设定值以及保证机械超速保护系统正确动作，试验应进行两次，动作转速范围3330～3360r/min，两次动作转速之差不应超过18r/min。试验前禁止作“喷油试验”且各个进汽阀的严密性试验合格。
制造厂要求：①机组大修后；②运行2000h 后；③机组在安装初始启动期间；④机组甩负荷试验前及前箱检修结束后应做超速试验。 在超速试验期期间，解除TSI110％n 0及DEH110%n0超速保护，在手动遮断旁应当有运行人员。在超速试验时，汽轮机的转速在DEH 控制器控制下，设定目标转速3360r/min、目标升速率100r/min升速。当转速达到汽轮机额定转速的111％～112％的数值时，如果危急遮断器不动作，则应立即手动遮断停机。如果危急遮断器动作性能不合要求，应该停机进行全面检查，继而检查飞锤是否卡涩。如果确信没有问题，检查后重新进行超速试验。如果危急遮断器仍不能动作，则可能是飞锤上弹簧的预紧力过大，阻止了飞锤在规定的转速内出击，用专用工具进行飞锤弹簧压缩量调整，飞锤弹簧做调整后，均应重新做超速试验。
超速试验的转速达到额定转速的1.11～1.12倍 ，因此转子的离心力较正常转速大23％以上，为了防止超速试验带来的危险，在做超速试验时不希望转子再有其它热应力出现，也不希望转子处于低温脆性转变温度以下进行试验。因此，在启动后带上10％额定负荷进行4h 暖机，使转子温度均匀升高，然后方允许减负荷至零进行超速试验，试验时间不允许过长，一次限制15min 。如果定期试验，机组长期在10％额定负荷以上运行时，不必在10％负荷下停留，因为转子温度已经均匀，即可减负荷至零直接升速试验。
第三节 汽轮机危急遮断的控制油路及执行元件
汽轮机危急遮断油路分为自动停机遮断（AST ）油路和超速保护控制（OPC ）油路机械遮断油路（MOPT ）三种，如图8－14所示。自动停机遮断油路是ETS 的传动放大机构；当任一保护装置动作时，都将使AST 油路失压，使执行机构动作并停机。
图8－14 汽轮机危急遮断油路
AST 、OPC 两种油路之间用逆止阀相连。AST 油路与自动主汽阀、再热主汽阀的油动机相连接。OPC 油路则与高压调节汽阀、再热调节汽阀的油动机相连接。另外，机械式超速遮断装置是独立的系统，它通过隔
膜阀与AST 油路相连接。当机械超速保护动作时，隔膜阀动作排油，使AST 油路失压，关闭各进汽阀并停机。
一、 危急遮断控制油路
1、 AST 油路
AST 油路主要用于下列几种危急情况下的自动紧急停机：
低油压、低真空、轴向位移等超过保护的整定值时，相应的遮断信号使电磁阀打开，AST 和OPC 油路相继失压而关闭各主汽阀和各调节汽阀并停机（AST 失压，逆止压打开）。
AST 油压是高压EH 油节流形成，AST 的回油是无压回油。
2、 OPC 油路
OPC 油路在正常运行时，受DEH 控制系统的OPC 部分控制的两个电磁阀失电关闭，封闭了OPC 油路的泄油通道，使高压调节阀与再热调节阀的伺服机构中建立起油压，阀门处于开启状态。当OPC 动作时，OPC 油路失压，高压、再热调节阀迅速关闭。
OPC 油路的主要作用是当机组转速上升到103％ n0时，使高、中压调节汽阀关闭，控制机组转速不致飞升过高，避免超速过大导致危急遮断。OPC 油压是高压EH 油节流形成，OPC 的回油是无压回油。
3、 机械遮断油路（低压安全油）
在EH 供油系统与润滑油系统之间有一个隔膜阀，它为AST 油路与机
械超速遮断油路之间提供了传递压力信号的接口。汽轮机超速时引起危急保安器动作或手打“脱扣油门”使机械遮断油路失压，隔膜阀顶部的机械遮断油压作用力消失，其阀芯在弹簧力的作用下被抬起，打开了阀门下部的AST 油路放油口，AST 油路失压使各进汽阀关闭并停机。
远方挂闸, 打开复位常闭电磁阀（3）（见图8-12），使危急遮断油门（脱扣油门）的滑阀复位，机械遮断油的回油切断，机械遮断油在隔膜阀的上腔室建立起油压。机械遮断油压力克服弹簧力作用将隔膜阀的阀芯压下，封住了AST 油路的放油口，AST 油路重新建立起油压，逆止阀关闭，OPC 油压建立，为机组开启各个进汽阀创造了条件。
启动时机械遮断油是来自密封备用油泵或者交流润滑油泵、正常运行时是主油泵出口的润滑油节流形成。机械遮断时，机械遮断油的回油到润滑油箱。
二、 危急遮断执行元件
ETS 危急遮断系统的主要执行元件主要由自动停机遮断AST 电磁阀（四只串并联）和超速保护OPC 电磁阀（二只并联）、两只逆止阀、隔膜阀、快速卸荷阀、空气引导阀等组成。OPC 和AST 电磁阀结构相同，仅有的区别是OPC 电磁阀是由内部供油控制，AST 电磁阀则由高压油路外部供油所控制，由其组合形成危急遮断控制块，安装在汽机前轴承箱右侧，见图8-15。 “遮断”的状态是通过两个压力开关63-1/ASP，
63-2/ASP，（见图8-16）反馈到ETS 系统的，在EH 油压降低到9.31MPa 时两个开关都闭合，发出遮断信号。
图8-15 汽轮机自动保护系统执行机构组合结构
1、 AST 电磁阀
（1）、AST 电磁阀的工作原理
危急遮断电磁阀（20-1/AST~20-4/AST）受ETS 系统控制。当机组正常运行是，图8-16中的AST 电磁阀的线圈是通电的，该阀左侧垂直位置的一级阀控制小室的泄油孔被电磁力所关闭，切断了自动停机危急遮断总管上高压油的泄油通道，在该室内建立油压，该油压和弹簧力使水平位置的二级阀关闭，与油动机控制油相连通的ETS 危急遮断总管上的安全油，由ETS 继电器控制逻辑总系统中的各种信号所保持，机组处于正常的工作状态。
图8-16 电磁阀及控制块系统原理
当ETS 系统中的任一参数处于遮断水平时，控制逻辑总系统中的相应继电器把电路断开，结果，AST 电磁阀失电，一级阀的泄油口被打开，控制小室的油压很快下降，使与该室连通的二级阀的端面上的作用力减小，于是，另一侧油压使该级滑阀向左运动，泄去遮断油总管中的安全油，快速卸载阀也因油压下降而将油动机腔室内的控制油泄去，从而关
闭汽轮机所有的进汽阀，实行紧急停机。电磁阀的结构如图图8-17所示。
图8-17 电磁阀的结构
（2）、AST 电磁阀的连接及其动作特点
AST 电磁阀采用串联和并联混合连接系统，其连接过程可简化成图8-13。从图中看出，
该连接的特点是：
①、串联油路中的任何一路电磁阀（20-1/AST，20-2/AST或20-3/AST，20-4/AST）动作，都可以进行停机；而任何一个电磁阀误动作，不会引起错误停机。
②、并联油路中，任何一个奇数号电磁阀（20-1/AST和20-3/AST）和任何一个偶数号电磁阀（20-2/AST和20-4/AST）动作，系统都可以顺序或交叉动作并停机。
这样，由于采取了双路双阀门的顺序或交叉连接系统，不仅确保系统的动作可靠，而且当任何一个阀门不动作或做在线试验时，系统仍然具有保护功能。换言之，该系统只有在一对奇数号或偶数号电磁阀都不起作用的双重故障下，保护系统才会失效，这种机会显然极小。
图8-18 AST 电磁阀的混合连接简化图
综合前面所述，从液压系统看AST 四个电磁阀为混合串联并联连接系统，而从继电器控制逻辑系统看又是双通道（20-1/AST，20-3/AST和20-2/AST，20-4/AST）系统，因此，可使保护系统中的任意一个电气或液压元件发生故障时，都保证系统都能可靠地工作，而且误动作的可能性也减至最小。
2、 超速保护电磁阀（OPC 电磁阀）
OPC 电磁阀由DEH 系统的OPC 系统所控制，机组正常运行时，该阀是关闭的，切断了OPC 总管的泄油通道，使高压和中压调节汽阀油动机活塞的下腔室能建立油压，起正常控制作用。当OPC 系统动作，例如转速
达到103％额定转速时，该电磁阀被激励通道信号所打开，使OPC 总管泄去安全油，快速卸载阀随之打开，并泄去油动机的动力油，使高压和中压调节汽阀关闭。
从图8-16看出，超速保护控制系统的两个电磁阀，即20-1/OPC和20-2/OPC，采用并联回路，其中只要一路动作，便可通过高、中压油动机的快速卸载阀，释放油动机内的控制油，快速关闭调节汽阀，防止超速。何时重新开启，是由DEH 控制器根据故障分析结果，然后发出指令来进行的。这种联接方法可以做到：一路OPC 不起作用，另一路仍可工作，确保系统的可靠和机组的安全；可以进行在线试验，即当一个回路进行在线试验时，另一路回路仍具有连续的保护功能，避免保护系统失控。
OPC电磁阀只对DEH 控制器来的信号产生响应，例如机组负荷下跌，引起机组突然升速，或其他原因使机组超速达到103％n 0 时，由DHE 控制器对电磁阀发出指令，通过快速卸载阀，把高、中压调节汽阀油动机内的控制油泄去，从而关闭调节汽阀，防止继续超速而引起AST 电磁阀的动作。与此同时，止回阀的逆止作用，保证AST 遮断总管不会泄油，使各主汽阀仍保持在全开状态。在各调节汽阀关闭后，待机组的转速下降，DEH 控制器重新发出指令关闭OPC 电磁阀，OPC 总管建立油压，调节汽阀才能恢复控制任务。该方法可避免机组停机减少重新启动的损失。
3、止回阀
两个止回阀即单向阀，分别安装在自动停机危急遮断油路AST 和超速保护控制油路OPC 之间。当OPC 电磁阀动作、AST 电磁阀不动作时，单向阀维持AST 油路的油压，使高、中压主汽阀保持全开，待转速降低到额定转速时，OPC 电磁阀关闭，高、中压调节汽阀重新打开，继续行使控制转速的任务。当AST 电磁阀动作、OPC 电磁阀不动作时，AST 油路的油压下降，OPC 油路通过两个止回阀的油压也下降，关闭所有的进汽阀和抽汽阀，进行停机。
4、快速卸荷阀（快关油门）
快速卸荷阀安装在油动机控制块上，它主要作用是当机组发生故障必须紧急停机时或在危急保安器动作使危急遮断油（AST ）泄油失压后，可使油动机活塞下腔的高压EH 油经快速卸荷阀快速释放，紧急停机。
5、隔膜阀
隔膜阀联接着机械遮断油路系统与危急遮断油（AST ）系统，其作用是当危急保安器动作、机械遮断油泄压时，可通过危急遮断油（AST ）系统，遮断汽轮机。隔膜阀装于前轴承座的侧面，机械遮断油通入阀盖内隔膜上面的腔室中。机械遮断油压力克服了弹簧力，使下部阀门保持在关闭位置，堵住危急遮断油（AST ）母管通向回路的通道，危急遮断油（AST ）油压建立。使EH 系统投入正常工作。
若机械超速遮断或手动超停机操作，均使机械遮断油压力降低或消失，因而使压缩弹簧打开隔膜阀阀门把危急遮断油排到无压回油管，AST 安全油迅速失压将关闭所有的进汽阀和抽汽阀，打开各旁路疏水阀。隔膜阀结构图如图8—19所示。
正常运行时，EH 油压为14.5MPa ，机械遮断油压约为0.25MPa ，当机械遮断油压力跌到约0.07MPa 时，隔膜阀打开；当AST 油压为零，汽轮机机械遮断油压升到约0.2MPa 时，隔膜阀复位。
图8-19 隔膜阀结构图
6、空气引导阀
空气引导阀安装在汽轮机前轴承座旁边，空气引导阀用于控制供给气动抽汽止回阀的压缩空气。该阀由一个油缸和一个带弹簧的青铜阀体组成（见图8-20），油缸控制阀门打开时，弹簧提供关闭阀门所需的力。
当OPC 母管有压力时，油缸活塞往外伸出，空气引导阀的提升头便封住了通大气的孔口，使压缩空气通过此阀进入抽汽止回阀的通道，打开抽汽止回阀。当OPC 母管失压时，该阀由于弹簧力的作用而关闭，提升头封住了压缩空气源的出口通路，截留到抽汽止回阀去的管道中的压缩空气经过大气阀孔口排放，这使得抽汽止回阀快速关闭，避免抽汽倒流使机组超速。
图8-20 空气引导阀
第四节 汽轮机的转子应力监视(RSM）
一、 应力控制原理
汽轮机在启停过程中，转速、功率、蒸汽参数及流量变化较大。由于汽轮机金属部件的热惯性大，如果蒸汽温度变化快，则会引起汽轮机内部不均匀受热情况严重，内部温差大，产生过大的热应能，此外，蒸汽
压力、转子离心力等因素会产生转子机械应力。转子应力实际上是热应力与机械应力的叠加值。
由于启动过程中工况经常变动，所以对热应力的计算与控制尤为重要。高压缸中调节级后汽室的气压、气温随负荷的变化最大，中压缸第一级处的情况与此类似，所以高压缸调节级和中压缸第一级处的汽缸和转子都是热应力较大的部位，同时，转子还要承受巨大的离心力所产生的机械应力，因此，这些部位的应力转子引力往往是最大的。所以，在汽轮机启停运行过程中，只要监视与控制住这两个部位转子应力，其余部位也就不会出现应力超过允许值的情况。
由于转子是高速旋转的部件，它的内部温度无法直接测量，所以只能通过间接方法来求得转子的内部温度，从而计算出转子的热应力。间接方法有两种：一是利用汽轮机传热数学模型来计算；二是运用相似原理建立物理模型来计算。在计算出热应力值的基础上，再考虑机械应力的修正因素，便能得出总的转子应力值。
启动与停机过程中转子应力变化方向相反，每启停一次，便构成一次大幅度的应力循环。同理，负荷每升降一次，也会形成一次一定幅度的应力循环。经过多次应力循环后，汽轮机部件有可能产生疲劳裂纹，导致设备损坏。工程上用应力循环次数来代表设备寿命，而循环次数与应力大小关系很大，假如汽轮机设计寿命是一万次应力循环，当设备使
用不当，导致过大的应力时，则实际寿命就可能只有几千次了。因此现代大型汽轮机普遍采用同时控制高、中压转子应力以及应力循环数来保证设备达到设计寿命。
通过控制汽轮机转速变化量及变化率、功率变化量及变化率，汽轮机中的蒸汽参数、流量的变化量以及变化率便得到间接控制，相应地就控制住了转子应力水平。
通过数据检测装置，采集汽轮机有关点的温度参数，按照专门的计算程序计算出高压转子、中压转子实际应力，然后将它与许用应力进行比较，得其差值，再将它转换为转速或功率目标值和相应的变化率，通过系统控制来改变机组转速或功率，最终使转子应力水平控制在允许值范围内。
为了更好地满足机组启停安全，缩短启停时间，本机组设置了汽轮机热应力监控器，它是一套微处理机系统。它预先按照热力学和热弹性力学方程，编好程序，接受开关量和模拟量形式给出的如阀门位置、压力、温度的数值等输入信号，实时计算转子应力值。应力控制原理如图8-21所示。
图8-21 应力控制原理框图
二、汽轮机转子热应力的计算
汽轮机转子与汽缸的热应力是大功率汽轮机在运行中需要监视的主要参数。因为大功率机组都是高温高压机组，进汽温度可达535～565℃，进汽压可达16.7～23.8MPa 或者更高，转子本身是高速旋转部件，已经承受了比较大的离心力，再由于大功率机组的汽缸的厚度和转子的直径都在不断增大，各部分温度分布不均匀所引起的热应力问题就更加突出。目前，无论是在启动还是在负荷变动的过程中，大功率汽轮机的控制系统都把热应力作为一个主要考虑因素。如果热应力控制的好，则可加快升速与带负荷过程；如果处理不当，汽轮机的汽缸和转子则会产生很大的热应力，影响到机组的使用寿命，甚至会损坏设备。
另外，胀差问题也是汽轮机控制中需要考虑的一个重要因素。它和热应力一样，也是由于温度分部不均匀引起的，目前一般认为，只要热应力得到很好的控制，再加上制造厂在生产汽轮机时适当加大通流部分的轴向间隙，胀差问题就能顺利地得到解决。
1. 热应力的产生
热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力，主要发生在汽轮机
的启动阶段和负荷变动时期，尤其发生在机组冷态启动时。金属的热状态不同表现为其各部分的温度不同，因此热应力和温度差值有关。在启动、停机和负荷变动过程中，蒸汽和汽缸或转子的温度不同，因而蒸汽就要向金属零件的表面发热，或自零件的表面吸取热量。汽缸和转子表面接受来自蒸汽的热量后，再以热传导方式逐渐把热量传给零件的其他部件。在传递热量时必然有温差（由于各零部件受热温度场不均匀所致），有温差就会有热应力。在单位时间内传给金属表面的热量愈多，则汽缸和转子内外的温差就会愈大。所以一般汽轮机在启动时，升速过程，都安排一定的定速暖机时间，其目的就是为了避免汽缸和转子内外产生太大的温差，使热应力超过金属允许的界限。
蒸汽和金属壁面之间的放热过程，可以用下面的等式来表达。蒸汽传给金属壁面的热量为：
Q=αA ΔT 1 （8-2）
式中 Q ---------蒸汽传给金属表面的热量；
α------放热系数；
A----------换热面积；
ΔT 1-----蒸汽与金属壁面的温度差；
金属壁面通过热传导将热量传给内壁，它可以用下示公式来表示：
Q＝λA ΔT/δ （8-3）
式中 λ----------导热系数；
δ----------壁厚；
ΔT---------内外壁温差；
A----------导热面积。
图中8- 22是蒸汽温度发生变化时，金属表面（曲线2）和金属内部（曲线3）的温度变化规律。由图可知，金属表面温度变化很快，而内部温度变化却慢得多。在蒸汽温度变化后，内外壁的温差 △T 迅速加大，在达到最大值后又逐渐减小，最后趋于零。
图8- 22 金属内外壁温度变化规律
在蒸汽进入汽缸时，如果金属表面温度低于在此压力下的饱和温度，则属于凝结放热。凝结放热时的放热系数极大，因而金属壁面温度上升很快，金属内外的温差也大，当汽缸壁面温度高于相应蒸汽压力的饱和温度时，这时蒸汽热量以对流方式传给金属表面。对流放热系数的大小和蒸汽速度及汽流的温度压力有关。在冷态启动时，金属表面的温度一
般低于饱和温度，属于凝结放热，传热量大，因此要求启动的速度低，以免出现过大的热应力。
汽轮机各部分的热应力也不相同。在汽轮机的调节级部分，蒸汽的温度和压力最高，进汽量变化时它们的变化幅度最大，因此在启动和负荷变动时热应力也最大。除此之外，再热气温也很高，一般与主蒸汽温度相同，因此中压缸进汽部分的热应力也很大。由于以上原因，汽轮机热应力的监视点一般都设在高压缸的调节级和中压缸的进口处。
以汽轮机的热应力和转子的热应力相比，由于转子的热应力比汽缸的热应力更危险，因此在汽轮机启动、停机和负荷变化时期，主要应控制高压缸调节级和中压缸第一级处的转子应力，只要这两处的热应力不超过安全允许的限度，则其他部分一般也不成问题。
转子的热应力虽然是由于负荷变化所引起的，但是计算表明并非是负荷变化幅度愈大时应力也愈大，而是在不同的负荷下，同样的负荷变化幅度所产生的热应力也不同。图8-23（a ）是汽轮机带100％负荷时，减负荷所产生的热应力计算曲线。由图可见，当甩掉全负荷时，即
％时，热应力 σ＝19.6MPa ；而当 ∆P ＝100P 0∆P ＝50％时，热应力可达68.6MPa 。P 0
图8-23（b ）是汽轮机带80％负荷时，减负荷所产生的热应力计算曲线。
由图可见，同样 P ＝50％，热应力仅为39.2MPa 。而当汽轮机带50P 0
％负荷时〔 见图8-23（c ）〕，最大应力仅为11.77MPa 。图8-23（b ）、（c ）中的虚线是负荷突然增加的情况。由图可见，当汽轮机突然增加负荷时所产生的热应力远远大于负荷突然降低时所产生的热应力。但是也要说明的是，由于在增负荷时转子所受的是压应力，而减负荷时所受的是拉应力，金属材料在受压时的许用应力比受拉时要大得多，因此最危险的工况还要具体分析。
以上计算仅仅说明了一个稳定工作点变化到另一个稳定工作点所产生的热应力。实际的运行情况更为复杂，负荷的变化有可能是连续的，例如先从50％负荷增加到80％负荷，在各部分温度场尚未达到稳定，又从80％负荷增加到100％负荷。因此，有必要寻找几种有效的热应力的测量方法（或计算方法），以便能够随时测定汽轮机的热应力。
图8-23 负荷突然变化时汽轮机的热应力
2、 热应力检测方法
检测热应力的方法目前有两种：一种是通过计算来确定热应力。它是根据蒸汽初温、初压、高压缸第一级的温度、蒸汽流量、转速以及冲
转开始的时间来计算出传热系数、转子中心温度和实际温升，根据实际温升就可以确定热应力，后面将详细介绍。另一种是采用热模拟的方法，该方法用转子表面温度的变化来反映热应力的变化。对于汽轮机转子这种圆柱形结构，转子表面温度低于平均温度，则转子表面就产生拉应力；当转子表面温度高于平均温度时，如汽轮机加负荷时，由于转子外表面温度升高，内部仍保持原温度，于是就产生压应力。应力的大小与温度成正比，其关系式可用下式表示：
σ＝K 0（T o -T m ） （8-4）
式中 σ-----------转子表面的热应力；
To--------------------转子表面温度；
Tm-------------------转子平均温度；
K0-------------------比例系数 。
因此，只要测出转子的表面温度 Te 和平均温度T m 就不难求得热应力。除了有热应力σ以外，转子还存在汽压对转子的作用力和高速转动的机械应力σm ，所以，转子总的工作应力为热应力σ和机械应力的合成应力σs
为了便于监视和控制应力，引用应力裕度系数K 表征转子表面实际热应力的相对值。应力裕度系数用下式计算：
K =
式中 σL-----------σL -σS （8-5） σS 材料在使用温度下的许用应力。它决定于转子材料和工作温度，是保证机组安全的转子许用应力上限。
2. 转子热应力的计算
汽轮机转子在升速和变负荷的过程中，热应力变化最大，是监视的重点，因此应快速实时计算转子热应力。为了解决这一问题，硬件上目前都采用计算机，软件上应尽可能简化计算方法，建立易于计算的数学模型。
为了简化计算，通常将汽轮机转子视为一个无限长的圆柱体，既不考虑转子的叶轮形状，也不考虑轴向传热过程，只考虑径向传热，并且只计算圆柱体外表面和中心孔内表面的热应力。计算过程为，根据测得的蒸汽热力参数和汽缸金属温度实时值计算转子内、外表面的温度及转子的平均温度，再计算转子内、外表面的热应力及转子的机械应力，最后算出应力裕度系数。检测的参数有高压主汽阀前的蒸汽温度和压力，高压缸进口内壁金属温度，高压缸内金属温度，高压缸排汽压力，中压缸主汽阀前蒸汽温度和压力，中压缸进口内壁金属温度，中压缸内金属温度，发电机功率等。
对于无限长圆柱体，径向受热时导热的微分方程可用式（8-6）表示：
∂2θ1∂θ1∂θ＋＝ （8-6） ∂r 2r ∂r a ∂t
其中 a ＝λ ρc p
式中 θ------ 转子任意半径r 处的金属温度；
r---------转子任意一点的半径；
t---------时间；
a---------热扩散率；
λ--------转子材料热导率；
ρ--------材料体积质量；
cp--------------材料质量定压比热容。
λ、ρ、c p-均为温度的函数，当材料已知时，λ（θ）、ρ（θ）、c p （θ） 都是已知值。
方程（8-6）在下列边界条件下求解：转子的内孔是实心的或者内孔是绝热的，即内表面满足式（8-7）： ⎛ ∂θ⎫⎪＝0 （8-7） ⎝∂r ⎭i
转子的外表面直接与热汽流接触，即外表面满足式（8-8）： λ⎛ ∂θ⎫⎪＝h (θD -θO ) (8-8) ⎝∂r ⎭o
式中 h----- 蒸汽对转子的对流传热系数，取决于蒸汽参数、转子
转速和几何形状；
θD ---蒸汽温度；
θO ---转子外表面温度。
将边界条件代入式（8-6），即可求出转子的平均温度θav 、转子外表面温度θo 、转子内表面温度θi ，据此可求出转子内、外表面的热应力。
转子内表面热应力用下式计算： σi ＝
转子外表面热应力用式（8-9）计算： σi ＝
上两式中 E ---------- 弹性模量，也称杨氏模量；
ε--------线膨胀系数；
μ--------泊松系数。
转子内外表面热应力中较大者定义为σth
机械应力包括汽压对转子的作用力和转子旋转离心力所形成的作用力。若根据转子额定转速和高、中压缸第一级叶轮处的蒸汽压力计E ε(θav -θo ) (8-10) 1-μE ε(θav -θi ) (8-9) 1-μ
算出机械应力σm ，则实际应力σs ，可用下式计算：
σs ＝σm ＋σth （8-11）
根据转子的材料和工作温度计算许用应力，则应力裕度系数用式（8-5）计算。应力裕度系数计算框图见图8-24，图中，
中压转子应力裕度系数。
图8-24 应力计算程序框图
三、应力监控器作用
K H 、K I 代表高、
1、启运监视指导
尽管厂家给出了四种典型工况，冷态启动、温态启动、热态启动和极热态启动曲线，即升压、升温曲线，转速、负荷变化曲线。显然这四种工况不能包括所有的启动，且由于燃料影响加上其它因素，实际的参数变化与启动曲线上的理论值总是存在偏差，而且参数的变化过程也很难保持长期连续和稳定。为了在汽轮机启停全过程特别是负荷和温度发生较大变化时，本监控系统通过安全指标－应力裕度系数K ，向运行人员提供安全指导。应力裕度系数K 表示在许用应力范围内还有多大裕量可供使用。K ＝1表示实际应力为零，这种情况只有在汽轮机停机且充分冷却后才会发现。只要汽轮机运转，即使没有热应力，也存在机械应力，K 不会等于1。K ＝0表示实际应力等于许用应力，无裕量可供使用。K ＜0表示实际应力已超过许用应力，这是不允许的。
对转子应力裕度的监视可以指导机组在最佳状态下运行，可以保证在汽轮机转子实际应力不超过许用应力的情况下以最大升速率升速和以最大的变负荷速率变负荷。当应力计算器计算出汽机高压缸和中压缸的应力裕度系数K HP 和K LP 后，再进行比较，选择两者的较小值，作为应力限制回路的输入量，应力限制回路根据其数值控制可以使汽机在最佳状态下运行，且在保证实际应力不超过许用应力情况下，使汽机以最快的速度启动或者变负荷。在应力监控系统指导下，控制汽机使它的应力裕度系
数K 尽量接近零而不小于零。理想状况所对应的最快启动，就是让应力裕度系数K 始终接近于零的启动。
热应力监控系统具有本身工作的自检功能和数据检查功能，在系统本身工作异常或者测量数据发生异常时，都能发出报警信息。
2、安全经济运行控制
尽管应力裕度系数K 十分有用，本系统同时还可以向运行人员显示其它安全指标，以便于对锅炉进行最有效操作，当运行人员根据电网指令给出目标负荷速度时，应力监视器显示实时动态的实际温升速度，同时显示出高压缸和中压缸中进汽部分最大允许温升速度，运行人员对比两种数据可决定如何对锅炉实行最有效的操作，既保证安全，又快速实现预定目标。利用应力裕度系数K 和对应计算温升速度的指导功能，可以使运行人员最充分地挖掘设备潜力，实现机组安全经济控制。
3、机组应力限制保护
本监控装置采用应力限制回路，可以起到自动负荷限制器的作用，能够自动保护汽机安全，当应力裕度系数K 在0.2以上时，限制回路不起作用，当应力裕度系数K 低于0.2时，限制回路会按比例降低汽机负荷变化率，当K 等于零时，保持负荷不变，负荷变化率降到零，而由于传热的惯性，应力裕度系数也可能降到小于零，可是由于负荷不再上升，应力过了一段时间又开始下降，其效果相当于暖机，使应力裕度系数K
回升。当应力降到低于许用应力后，即K>0后，应力限制回路使汽机以较低的负荷变化率升负荷，使应力裕度系数K 保持在0～0.2之间，维持安全经济的工况，这时转子的应力不会超过许用应力，而汽机又能以较高的负荷变化率升负荷。当计算出的应力裕度系数K HP 和K LP 任一为零时，监视系统能发出报警信息，而当裕度系数K 在1～2分钟时间内下降到－0.2时，监控系统提供跳闸信息给汽轮机危急遮断系统，使汽机跳闸。为了保证可靠性，汽轮机跳闸信息必须在应力监控系统本身无故障，而测量数据无异常时才能送出。
另外，当运行人员不能有效地控制过热汽温和再热汽温时，或者增负荷太快、应力裕度系数K 下降过快发生危险时，应力监视器可以越过运行人员起作用，限制负荷或自动减负荷暖机。
第八章 汽轮机危急遮断系统（ETS ）
第一节 ETS 危急遮断的项目及整定值
为了防止汽轮机在运行中因部分设备工作失常可能导致的汽轮机发生重大操作事故，在机组上装有危急遮断系统。危急遮断系统监视汽机的某些运行参数，当这些参数超过其运行限制值时，该系统就送出遮断信号关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，实现紧急停机。
一、ETS 危急遮断的项目及整定值
1、★汽机转速达到110%额定转速（OPT ）；（动作转速值为3300rpm ） 注：机械遮断110%-112%额定转速（MOPT ）；(动作转速值为3330rpm ）
2、 ●真空低于规定的极限值；（68kPa ）
3、 ●润滑油压下降超过极限值；（0.10MPa ）
4、 ★EH 油压下降超过极限值；（9.5MPa ）
5、 ●转子轴向位移超过极限值；（≥+0.5mm或≤-0.7mm ）
6、 ●高压缸排汽温度超过极限值；（>427℃）
7、 ★透平压比低于极限值；（调节级压力与高缸排汽压力比低于1.7）
8、 ●汽机轴振动达到危险值；（汽机侧≥130μm, 发电机侧≥180μm ）
9、 ●轴瓦、推力瓦钨金温度超过极限值；（汽机侧≥110℃, 发
电机侧≥120℃）
10、★集控室/就地手动停机（双按钮）；
11、●DEH 失电；
12、●发电机冷却水断水保护；
13、●备用四路；（电气遮断、锅炉遮断、旁路遮断、遥控遮断） 带★标志的保护机械遮断油路控制信号为三取二方式。 ETS危急遮断系统的逻辑关系如图8-1所示
图8-1ETS 危急遮断系统的逻辑关系
二、危急遮断的组成
危急遮断系统分为两种情况。一种是机组运行中，为防止部分设备失常造成设备严重损坏，装有自动停机危急遮断系统(AST)，当发生异常情况时，关闭所有进汽阀，紧急停机。；二是超速保护控制系统(OPC),使高压调节汽阀及再热调节汽阀暂时关闭，减少汽轮机进汽量及功率，但不能使汽轮机停机。因此机组相应设有自动停机危急遮断油路（AST ）和超速保护控制油路（OPC ）及机械遮断油路（MOPT ），此外，手动停机也借助于机械遮断油路。ETS 危急遮断系统的原理如图8-2所示
图8-2 ETS危急遮断系统原理
第二节 汽轮机危急遮断系统的功能
一、轴承润滑油压低保护
汽轮机的主轴承和推力轴承分别承担着保证转动部分与静止部分之
间的径向与轴向间隙一定的任务，以维持机组运转时，动、静部分之间不相互碰撞，显然每个部件的稳定运行都是反映机组安全运行的重要参量。而它们的稳定运行又是通过稳定油膜的建立来保证的。破坏油膜的因素很多，如润滑油压、油温、油质、轴瓦与轴的间隙，乌金脱落，发电机或励磁机漏电，等等。一旦油膜遭到破坏，除引起轴承烧瓦事故，还将产生转子轴径局部受热而发生弯曲，轴承剧烈的振动，转动部分与禁止部分之间的摩擦或碰撞等严重的后果。
由此可见，严密监视轴承的工作状态是维持机组安全运行的重要措施。
轴承发生烧瓦事故时，轴承润滑油温度，推力瓦和轴承温度将升高，而轴承油膜压力则迅速下降，所以在系统设计中，对“轴承油压过低”进行保护，一旦此工况发生，将立即遮断机组的运行。至于轴承金属和油的温度的监视与控制，由自动程序控制功能（ATC ）完成。
对轴承润滑油压过低进行保护由ETS 系统实现，机组正常运行时，主油泵提供润滑油系统的全部用油，任何停机或偶然事故引起轴承油压降低到开关整定值0.12MPa 时，报警并启动交流润滑油泵，为机组提供所需的全部用油；若润滑油母管油压继续下降到0.10MPa 时，启动直流润滑油泵和顶轴油泵；“低油压保护”动作，机组跳闸停机。图8-3所示是“润滑油压低”试验块原理。由于“抗燃油压低”和“冷凝汽器真空
过低”的试验块原理基本相同，故以同一图示意。
图8-3 润滑油压低试验块原理
试验块组件由一个钢制试验块、两个压力表、两个截止阀、两个电磁阀和三个针阀所组成，它安装在前轴承座，与安装在附近的一个端子箱中的压力开关相连接，其一侧通过节流孔与系统供油管道相连，而另一侧与泄油或通风阀相连，采用双道对称结构。操作人员可通过集控室按钮或就地手操，开启其中一个通道的电磁阀，泄其压力油，以校验压力开关的报警值。由于每一通道与泄油管道通过一节流孔相连，在试验一通道时，另一通道将不受影响，系统仍具有“低油压自动保护”功能。 在轴承油压降低到压力开关的整定值（0.10MPa ）以下时，双通道的两组压力开关（四个）均向ETS 柜发轴承油压低遮断请求信号，图8-4所示是轴承油压过低控制继电器逻辑。
图8-4轴承油压过低控制继电器逻辑
机组正常运行时，轴承油压大于遮断整定值，四个开关（63-1/LBO～63-4/LBO）的线圈带电，相应的常开触点闭合将引起图中的四个中间继电器1X ～4X/LBO带电，同样地，相应的遮断控制继电器闭合使线圈LBO-1或LBO-2闭合，最终使得ETS 的遮断控制继电器总逻辑系统（见图8-5）中的LBO1，LBO2闭合，从而使轴承油压正常。继电器线圈LBO-1和LBO-2的一侧分别与ETS 盘上左右两侧的选择开关的接点S1和S2相连。正常运行时，接点S1和S2闭合，将两个遮断控制继电器线圈LBO-1、LBO-2并联，因此只有在通道1与通道2各有一闭合触点断开-------每一通道必有一块压力表检测到轴承油压低于遮断整定值时，才可能引起两路自动停机通道遮断（见图8-5），机组紧急停机，这样做可避免某一个触点压力开关或中间继电器误动作而错误停机。图8-4中K1和K2为电磁脱扣继电器。
图8-5 ETS 的遮断控制继电器总逻辑系统
在线试验可以通道1为例予以说明，在ETS 盘上，将左侧选择开关箭头拨至LBO 档，它将使图8-4中原来闭合的触点断开，并接通图8-3中的电磁阀20-1/LBO，释放管道油压，在油压降低到遮断值时，压力开关63-1/LBO，63-3/LBO将引起线圈LBO-1释放，并同时点亮ETS 盘上的LBO1，LBO3指示灯，由此验证通道1是否正常，压力开关整定值是否正确，同理，可以进行通道2的在线试验。
如果一个通道在线试验时，实际的轴承油压低于遮断整定值，则四个压力开关将全部感受到这一情况，并使双通道的两个继电器线圈LBO-1和LBO-2失电，请求紧急停机。
二、凝汽器真空过低保护
在汽轮机运行中，真空下降现象比较常见，汽轮机运行中发生真空下
降，对机组的经济性和安全性有较大的影响。真空下降将使蒸汽在汽轮机内的焓降减小，从而减小了机组的出力和降低了热效率，一般真空下降1％，汽耗约增加1％～2％。汽轮机真空下降，使排汽温度升高，造成低压缸热膨胀变形和低压缸后面的轴承上抬，机组的中心偏移而发生振动；也会使凝汽器铜管的内应力增大，以致破坏凝汽器的严密性，还会使低压端部轴封的径向间隙发生变化，造成摩擦损坏。
凝汽器真空下降的原因难以确定且降落的速度较快时，可能造成严重的事故，为此，须设置凝汽器低真空保护装置。330MW 机组的低真空保护采用两级保护系统，一级保护是类似润滑油压保护那样的逻辑控制回路，所不同的是真空开关代替了压力开关。二级保护是机械保护，它是基于电气保护失灵，而汽轮机排汽压力又过高的情况下采用的。显然，这时一种防止排汽压力过高的双重保护，其措施是装设排大汽阀。 如图8-6所示为排大汽阀的结构，它安装在低压缸缸盖上，并用螺钉4紧固在汽缸法兰上，由一个铅质薄膜环5构成，薄膜环紧压在环形垫片6和阀盖7的外密封面间，其内部用螺钉3压紧在压环2和承压板1的内密封面中，承压板由图中虚线所示的组焊式承压格栅支托，借以承受来自外部的大气压力。
当汽轮机的排汽压力超过设计的最大安全值时，排大汽阀的承压板1即推向外侧，引起铅质薄膜环5在压环外缘和阀盖内圆间剪断，则薄膜
环断裂，汽流自汽缸向上排出，而阀盖7可防止铅质薄膜环、承压板和压环甩出。设在外径上的挡板，起引导汽流向上排出的作用，以免伤人。对薄膜环的承压要求，一般在40～50KPa 时即破坏。“凝汽器真空低保护”的试验原理以及遮断控制逻辑，均类同于“轴承油压低保护”试验的原理。
图8-6 排大气阀的结构
三、EH 油压低保护
EH油系统的任务之一，是维持油压一定，为机组正常的转速与负荷控制提供保证。正常的EH 油压14.5 MPa（范围11. 2～16.2MPa ）是机组启动和正常运行的先决条件。EH 油系统故障将引起EH 油压下降，当油压降到10.00MPa 时，“EH 油压保护”组件发出低油压报警。进一步降至9.5MPa 时，组件请求机组脱扣。EH 油压过低试验块的组成与工作原理，以及遮断控制断电器逻辑，均与“轴承油压低保护”类似。
四、轴向位移保护
前已述及润滑油系统故障引起的油膜破坏，将会使推力瓦块乌金烧熔，此外，负荷突增与下跌，水冲击，动叶结垢，隔板汽封间隙增大，
新蒸汽温度急剧下降，真空下降均将增大转子轴向推力，使推力轴承过负荷，甚至破坏油膜而烧熔乌金。更严重的是，由于轴向位移增大，汽轮机内部转动部件与静止部件之间的轴向间隙可能消失，动静部件之间将发生摩擦和碰撞，从而造成严重的设备损坏事故，如大批叶片折断，大轴弯曲，隔板和叶轮碎裂等。
因此，汽轮机都必须设置轴向位移遮断装置，以实现对机组的安全保护。相对而言，电气遮断逻辑总系统还是比较可靠的，这样，轴向位移的遮断问题，实质上就是如何保证轴向位移测量准确性的问题，以便在轴向位移超标时，向危急遮断系统提供最可靠的遮断信息。
机组的轴向位移遮断机构如图8-7所示，它由四个轴向位移传感器、两个试验汽缸、四个电磁阀和用来作为传感器基准点的联轴器垫片组成，其他零部件是支托架和用来安装试验汽缸和传感器的有关部件。在任何情况下，各传感器的安装都必须与一个基准面保持间隙，例如与联轴器平面或指示盘间有一定的间隙。在试验汽缸和传感器与联轴器指示盘的间隙整定好后，用定位销把试验汽缸最后固定。
在正常情况下，转子的轴向推力是由推力轴承平衡的，机组的失常导致轴向位移的超标，首先由这里有所觉察，因此，监视转子轴向位移的传感器，应当装在推力轴承的附近。
图8-7 轴向位移遮断机构
轴向位移测量装置由测量盘和传感器组成。测量盘装在推力轴承附
近，而在该盘的发电机侧的两水平端面上，各装有两个作为重复保护的传感器，用来测量转子向机头侧和发电机侧两个方向的轴向位移，测量盘和传感器之间间隙的变化表现为轴向位移的变化。转子正常的轴向位移，由推力轴承的间隙、推力轴承的静挠度和推力瓦块的磨损来确定，会有一些正常缓慢的变化，但变化很小。当推力轴承损坏时，若转子向发电机方向移动，传感器与测量盘间的间隙变小；若向机头方向移动，则该间隙变大，这种间隙变化将引起传感器内磁阻的变化，通过变送器使输出的电气信号改变。
变送器提供的信息有两种监控功能：第一种是报警功能，表示过度
的轴承挠曲和瓦片磨损使轴向位移超过第一个规定值，通过继电器向运行人员发出报警信号以提醒注意；第二种是遮断功能，表示位移已增加
到第二个规定值，机组转动部分与静止部分即将接触，监控系统一方面通过声光信息说明位移已达到遮断状态，另一方面使继电器遮断触点动作，通过危急遮断系统使汽轮机紧急停机。
图8-8所示是轴向位移控制继电器逻辑。机组正常运行时，轴
向位移在正常范围内。当轴向位移达遮断值时，轴向位移传感器控
制的触点K1、K2闭合，短接了线圈KTB1、KTB2，使其相应的触点
断开，从而引起AST 电磁阀失电（见图8-5），遮断汽轮发电机组。
图8-8中触点K1～K4可起到隔离两个通道的作用，便于每一通道
做在线试验。
图8-8 轴向位移控制继电器逻辑
五、电气超速保护
在避免机组超速方面，前面介绍了103％n 0 超速保护，这里，介绍的是110％n 0 电气超速保护，图8-9是电气超速遮断系统原理图，它是由一个安装在盘车处的磁阻发送器和一个安装在ETS 柜中的转速插件组成。磁阻发送器的输出频率正比于轴的转速，该频率送至转换器，经限幅、整形、发达后输出一个正比于频率的模拟信号，此信号一方面经缓冲放大回路进行转换显示，一方面与110％n 0 对应的遮断整定点电压进行比较，在轴的转速小于该遮断整定点（即 n＜110％n 0 ）时，比较器的输出是一个正电压；如果轴的转速大于遮断整定值（即 n＞110％n 0 ），则比较器输出是电压为负值，它将使其后的三级管V1导通，超速遮断继电器线圈KOST 带电，其相应的触点状态将发生变化。
图8-9 电气超速遮断系统原理
图8-10所示是电气超速遮断控制继电器逻辑，机组正常运行时，S1、S2是闭合的，触点KOST 断开，线圈KOS1、KOS2带电，相应的触点（见图8-5）闭合，一旦机组转速超过设定值110％n 0，KOST 线圈通电（见图8-9）而使其相应的触点KOST （图8-10）闭合，短接了线圈KOS1、KOS2，从而断开了图8-5中的触点OS1、OS2，最终导致危急遮断电磁阀的四个线圈（20-1/AST～20-4/AST）失电，释放AST 母管油压，遮断汽轮发电机组。接点S1、S2也是为进行单通道试验而设计的。
图8-10电气超速遮断控制继电器逻辑
从图8-9和图8-10中不难分析：在进行单通道试验时，ETS 系统无“电气超速保护”功能。此时，若机组突然发生了110％n 0的超速，则遮断所有进汽阀门的行为将由机械超速遮断装置完成。
六、遥控遮断保护
危急遮断系统提供一接口，可接 受外部遥控遮断汽轮机的命令。图8- 11表示了遥控遮断控制继电器逻辑。 图中触点S1、S2上跨有跳接线。如果用户遥控遮断汽轮机的触点输入，将短接两个继电器REM1、REM2、其相应触点（见图8-5中的REM1、REM2）断开，释放四只危急遮断电磁阀，实现紧急停机。
对于单通道系统（见图8-11），欲想试验遥控通道而又不引起停机是不可能的。解决这个问题的办法是采用双通道，即将图中虚线变为实线，并将跨接在触点S1、S2的跳接线去掉，这样就可以在进行单通道试验的同时，系统仍具有遥控危急遮断的功能。
图8-11 遥控遮断控制继电器逻辑
七、 机械超速危急遮断系统
（一）、机械超速危急遮断系统的工作原理
在DEH 系统中，对转速的保护是多重的，机械超速遮断系统是一个
独立的系统，与常规液压控制系统中的超速保护基本相同，图8-12所示为机械超速遮断相同的工作原理，它的传感器为飞锤，装于转子延伸轴的横向孔中，其质量中心与转子的几何中心偏置，并通过压弹簧将飞锤紧固在横向小孔中，利用弹簧约束力与离心力平衡的原理来设计动作转速。设飞锤的质量为m ，飞锤质心与转子几何中心的偏心距为a ，飞锤出击距离为x ，离心力为c ，转子角速度ω=
的关系为： c =m (a +x )ω2 （8-1） g π60n ，则飞锤离心力与角速度
从式中可看出，只要确定了转子角速度ω，便可计算出离心力，然后设计弹簧，根据弹簧的约束力F 的方向与离心力的方向相反，可以得到约束力F 与离心力c 的关系。当c ＜F 时，飞锤不出击，当c ≥F 时，飞锤出击，通过机械遮断系统动作而实现停机。
图8-12 机械超速遮断系统的工作原理
机械超速保护系统的机械遮断油系统，与电气超速系统（ETS ）互为独立，采用的是与润滑油主油泵相连接的油系统。当机组正常运行时，脱扣油母管中的机械遮断油－自主油泵出口的透平油经节流孔板后分两路，其中一路经常开电磁阀（1）后，通向危急遮断油门活塞的侧面，另一路是通向隔膜阀的上部。此时，危急遮断油门和隔膜阀封闭，机械遮断系统处于备用状态。
飞锤出击转速，一般为额定转速的110％～112％。当机组正常运行时，飞锤因偏心所产生的离心力，不足以克服弹簧反方向的约束力，飞锤不出击。当机组超速时，随着转速的增加，偏心距加大，离心力也相应增加，虽然随着偏心距的增加，弹簧刀约束力也有所增加，但到达整
定转速后，由于离心力增加较快，迅速地克服约束力并使飞锤出击。出击的飞锤撞击在脱扣碰钩上，克服扭弹簧的力使碰钩围绕其转轴旋转而脱扣，使危急遮断油门的滑阀在下部弹簧力的作用下向上运动，通向危急遮断油门滑阀的侧面的油口和危急遮断油门底部的泄油口接通并泄油，导致机械超速与手动遮断母管的油压降低，使隔膜阀也因其上部机械遮断油压的降低而打开，危急遮断油总管泄油并失压，从而使主汽阀和调节汽阀关闭，切断汽轮机的全部进汽，使机组停机。
机械遮断系统动作、汽轮机停止进汽后，转速逐渐下降，当转速降低到遮断值以下时，由于离心力降低比约束力降低快，弹簧的约束力使飞锤退回到出击前的原位，其对应的转速，称为复位转速。考虑到机组重新启动的方便，一般复位转速稍高于额定转速，大约3050r/min左右。
当飞锤复位后，若要重新建立机械遮断油压，必须打开常闭电磁阀
（3），建立复位油压，作用在危急遮断油门滑阀的上部克服弹簧力使滑阀下移封闭泄油口的同时，挂钩在扭弹簧的作用下转动并重新返回到挂闸位置，顶住遮断油门滑阀，重新建立机械遮断油压，封闭隔膜阀。
（二）、机械超速遮断机构
1、危急遮断器
危急遮断器采用的是北重生产的常规通用部套，技术成熟，性能可靠，兼具调整方便，体积小等特点，在其它机组上得到广泛使用。
危急遮断器采用的是飞锤式机械危急遮断器，转速升高到整定值时，在离心力的作用下，飞锤克服弹簧的作用力飞出，行程约4mm 。通过调整危急遮断器的调节套筒，可以调整弹簧预紧力，达到整定飞锤飞出转速的目的(出厂前飞锤飞出整定已做好) 。此外，危急遮断器的一端还带有60齿的测速齿盘，用于测量机组的转速、危急遮断器飞锤的飞出转速、机组转速飞升时的最高转速及鉴相。
2、危急遮断油门
危急遮断油门与危急遮断器配套使用，也是北重生产的常规通用部套，它排油量大，动作灵活，使用方便。危急遮断油门主要由壳体、套筒、滑阀、挡板、压缩弹簧及扭弹簧组成，它的作用是：挡板接受危急遮断器飞锤的打击信号后与滑阀脱扣，滑阀在底部弹簧的作用下向上弹起，打开原本处于遮挡状态的安全油泄油窗口，使安全油路的油压迅速跌落，造成隔膜阀的快速动作。
3、节流孔板
节流孔板安装在通往危急遮断油门的润滑油路上。设置节流孔板的目的既是为了使危急遮断油门动作后，机械遮断油路油压快速下降；同时又使润滑油压不受机械遮断油压跌落的干扰。
（三）、机械超速试验
机械超速保护装置可做以下试验：
1、 喷油试验
此试验是在汽轮机正常运行条件下检查飞锤动作的可靠性。在充油试验时，为了防止使汽轮机跳闸停机，必须先将常开电磁阀（1）关闭，使试验不会引起隔膜阀动作。
接着将注油用的常闭电磁阀(2)打开，将主油泵出口的压力油，经过常闭电磁阀（2）通向装在汽轮机前轴承箱前端的喷油管，由此油管向正对转子中心的喷嘴供0.2MPa 的油，将油喷入转子端部的中心孔内，经油通道注到飞锤内（如图8-13所示），在机组处于额定转速（3000 r/min）时，离心力和喷油压力共同推动飞锤飞出。飞锤飞出时，由危急遮断指示器给出信号，直至撞击挂钩，使挂钩顺时针转动脱开危急遮断油门活塞的顶部。在确信遮断机构动作正确后，关闭常闭电磁阀（2）。当常闭电磁阀（2）关闭后，飞锤中油流逐渐泄去，油压消失后飞锤便能复位。由于复位转速较正常转速高，因而油压消失后飞锤很快可以复位。然后，打开常闭电磁阀（3）使挂钩和危急遮断油门的滑阀复位、再打开常闭电磁阀
（1），危急遮断器系统恢复正常、喷油试验结束。整个过程可由ETS 来完成。
在做喷油试验时，喷嘴前油压大小决定了飞锤的动作，并用压力表指明使危急遮断器飞锤动作时所需的油压，把这些压力与以前压力比较，可以判定危急遮断器动作是否正常。为了使结果有可比性，在做喷油试
验时，转子转速必须严格保持额定转速（3000 r/min），转子的端面与喷嘴之间的距离必须一定。
图8-13 超速遮断机构喷油试验装置
1、常闭电磁阀（2）；2、试验喷嘴；3、危急遮断飞锤
2、 机械超速试验
为保证汽轮机的安全运行，应当使机械超速保护的动作准确，即机械超速危急遮断器的飞锤动作转速应准确（要求转速在额定转速的
1.10～1.12倍时，危急遮断器动作），并及时使各进汽阀关闭，故应当定期进行超速试验、校验飞锤动作转速的设定值以及保证机械超速保护系统正确动作，试验应进行两次，动作转速范围3330～3360r/min，两次动作转速之差不应超过18r/min。试验前禁止作“喷油试验”且各个进汽阀的严密性试验合格。
制造厂要求：①机组大修后；②运行2000h 后；③机组在安装初始启动期间；④机组甩负荷试验前及前箱检修结束后应做超速试验。 在超速试验期期间，解除TSI110％n 0及DEH110%n0超速保护，在手动遮断旁应当有运行人员。在超速试验时，汽轮机的转速在DEH 控制器控制下，设定目标转速3360r/min、目标升速率100r/min升速。当转速达到汽轮机额定转速的111％～112％的数值时，如果危急遮断器不动作，则应立即手动遮断停机。如果危急遮断器动作性能不合要求，应该停机进行全面检查，继而检查飞锤是否卡涩。如果确信没有问题，检查后重新进行超速试验。如果危急遮断器仍不能动作，则可能是飞锤上弹簧的预紧力过大，阻止了飞锤在规定的转速内出击，用专用工具进行飞锤弹簧压缩量调整，飞锤弹簧做调整后，均应重新做超速试验。
超速试验的转速达到额定转速的1.11～1.12倍 ，因此转子的离心力较正常转速大23％以上，为了防止超速试验带来的危险，在做超速试验时不希望转子再有其它热应力出现，也不希望转子处于低温脆性转变温度以下进行试验。因此，在启动后带上10％额定负荷进行4h 暖机，使转子温度均匀升高，然后方允许减负荷至零进行超速试验，试验时间不允许过长，一次限制15min 。如果定期试验，机组长期在10％额定负荷以上运行时，不必在10％负荷下停留，因为转子温度已经均匀，即可减负荷至零直接升速试验。
第三节 汽轮机危急遮断的控制油路及执行元件
汽轮机危急遮断油路分为自动停机遮断（AST ）油路和超速保护控制（OPC ）油路机械遮断油路（MOPT ）三种，如图8－14所示。自动停机遮断油路是ETS 的传动放大机构；当任一保护装置动作时，都将使AST 油路失压，使执行机构动作并停机。
图8－14 汽轮机危急遮断油路
AST 、OPC 两种油路之间用逆止阀相连。AST 油路与自动主汽阀、再热主汽阀的油动机相连接。OPC 油路则与高压调节汽阀、再热调节汽阀的油动机相连接。另外，机械式超速遮断装置是独立的系统，它通过隔
膜阀与AST 油路相连接。当机械超速保护动作时，隔膜阀动作排油，使AST 油路失压，关闭各进汽阀并停机。
一、 危急遮断控制油路
1、 AST 油路
AST 油路主要用于下列几种危急情况下的自动紧急停机：
低油压、低真空、轴向位移等超过保护的整定值时，相应的遮断信号使电磁阀打开，AST 和OPC 油路相继失压而关闭各主汽阀和各调节汽阀并停机（AST 失压，逆止压打开）。
AST 油压是高压EH 油节流形成，AST 的回油是无压回油。
2、 OPC 油路
OPC 油路在正常运行时，受DEH 控制系统的OPC 部分控制的两个电磁阀失电关闭，封闭了OPC 油路的泄油通道，使高压调节阀与再热调节阀的伺服机构中建立起油压，阀门处于开启状态。当OPC 动作时，OPC 油路失压，高压、再热调节阀迅速关闭。
OPC 油路的主要作用是当机组转速上升到103％ n0时，使高、中压调节汽阀关闭，控制机组转速不致飞升过高，避免超速过大导致危急遮断。OPC 油压是高压EH 油节流形成，OPC 的回油是无压回油。
3、 机械遮断油路（低压安全油）
在EH 供油系统与润滑油系统之间有一个隔膜阀，它为AST 油路与机
械超速遮断油路之间提供了传递压力信号的接口。汽轮机超速时引起危急保安器动作或手打“脱扣油门”使机械遮断油路失压，隔膜阀顶部的机械遮断油压作用力消失，其阀芯在弹簧力的作用下被抬起，打开了阀门下部的AST 油路放油口，AST 油路失压使各进汽阀关闭并停机。
远方挂闸, 打开复位常闭电磁阀（3）（见图8-12），使危急遮断油门（脱扣油门）的滑阀复位，机械遮断油的回油切断，机械遮断油在隔膜阀的上腔室建立起油压。机械遮断油压力克服弹簧力作用将隔膜阀的阀芯压下，封住了AST 油路的放油口，AST 油路重新建立起油压，逆止阀关闭，OPC 油压建立，为机组开启各个进汽阀创造了条件。
启动时机械遮断油是来自密封备用油泵或者交流润滑油泵、正常运行时是主油泵出口的润滑油节流形成。机械遮断时，机械遮断油的回油到润滑油箱。
二、 危急遮断执行元件
ETS 危急遮断系统的主要执行元件主要由自动停机遮断AST 电磁阀（四只串并联）和超速保护OPC 电磁阀（二只并联）、两只逆止阀、隔膜阀、快速卸荷阀、空气引导阀等组成。OPC 和AST 电磁阀结构相同，仅有的区别是OPC 电磁阀是由内部供油控制，AST 电磁阀则由高压油路外部供油所控制，由其组合形成危急遮断控制块，安装在汽机前轴承箱右侧，见图8-15。 “遮断”的状态是通过两个压力开关63-1/ASP，
63-2/ASP，（见图8-16）反馈到ETS 系统的，在EH 油压降低到9.31MPa 时两个开关都闭合，发出遮断信号。
图8-15 汽轮机自动保护系统执行机构组合结构
1、 AST 电磁阀
（1）、AST 电磁阀的工作原理
危急遮断电磁阀（20-1/AST~20-4/AST）受ETS 系统控制。当机组正常运行是，图8-16中的AST 电磁阀的线圈是通电的，该阀左侧垂直位置的一级阀控制小室的泄油孔被电磁力所关闭，切断了自动停机危急遮断总管上高压油的泄油通道，在该室内建立油压，该油压和弹簧力使水平位置的二级阀关闭，与油动机控制油相连通的ETS 危急遮断总管上的安全油，由ETS 继电器控制逻辑总系统中的各种信号所保持，机组处于正常的工作状态。
图8-16 电磁阀及控制块系统原理
当ETS 系统中的任一参数处于遮断水平时，控制逻辑总系统中的相应继电器把电路断开，结果，AST 电磁阀失电，一级阀的泄油口被打开，控制小室的油压很快下降，使与该室连通的二级阀的端面上的作用力减小，于是，另一侧油压使该级滑阀向左运动，泄去遮断油总管中的安全油，快速卸载阀也因油压下降而将油动机腔室内的控制油泄去，从而关
闭汽轮机所有的进汽阀，实行紧急停机。电磁阀的结构如图图8-17所示。
图8-17 电磁阀的结构
（2）、AST 电磁阀的连接及其动作特点
AST 电磁阀采用串联和并联混合连接系统，其连接过程可简化成图8-13。从图中看出，
该连接的特点是：
①、串联油路中的任何一路电磁阀（20-1/AST，20-2/AST或20-3/AST，20-4/AST）动作，都可以进行停机；而任何一个电磁阀误动作，不会引起错误停机。
②、并联油路中，任何一个奇数号电磁阀（20-1/AST和20-3/AST）和任何一个偶数号电磁阀（20-2/AST和20-4/AST）动作，系统都可以顺序或交叉动作并停机。
这样，由于采取了双路双阀门的顺序或交叉连接系统，不仅确保系统的动作可靠，而且当任何一个阀门不动作或做在线试验时，系统仍然具有保护功能。换言之，该系统只有在一对奇数号或偶数号电磁阀都不起作用的双重故障下，保护系统才会失效，这种机会显然极小。
图8-18 AST 电磁阀的混合连接简化图
综合前面所述，从液压系统看AST 四个电磁阀为混合串联并联连接系统，而从继电器控制逻辑系统看又是双通道（20-1/AST，20-3/AST和20-2/AST，20-4/AST）系统，因此，可使保护系统中的任意一个电气或液压元件发生故障时，都保证系统都能可靠地工作，而且误动作的可能性也减至最小。
2、 超速保护电磁阀（OPC 电磁阀）
OPC 电磁阀由DEH 系统的OPC 系统所控制，机组正常运行时，该阀是关闭的，切断了OPC 总管的泄油通道，使高压和中压调节汽阀油动机活塞的下腔室能建立油压，起正常控制作用。当OPC 系统动作，例如转速
达到103％额定转速时，该电磁阀被激励通道信号所打开，使OPC 总管泄去安全油，快速卸载阀随之打开，并泄去油动机的动力油，使高压和中压调节汽阀关闭。
从图8-16看出，超速保护控制系统的两个电磁阀，即20-1/OPC和20-2/OPC，采用并联回路，其中只要一路动作，便可通过高、中压油动机的快速卸载阀，释放油动机内的控制油，快速关闭调节汽阀，防止超速。何时重新开启，是由DEH 控制器根据故障分析结果，然后发出指令来进行的。这种联接方法可以做到：一路OPC 不起作用，另一路仍可工作，确保系统的可靠和机组的安全；可以进行在线试验，即当一个回路进行在线试验时，另一路回路仍具有连续的保护功能，避免保护系统失控。
OPC电磁阀只对DEH 控制器来的信号产生响应，例如机组负荷下跌，引起机组突然升速，或其他原因使机组超速达到103％n 0 时，由DHE 控制器对电磁阀发出指令，通过快速卸载阀，把高、中压调节汽阀油动机内的控制油泄去，从而关闭调节汽阀，防止继续超速而引起AST 电磁阀的动作。与此同时，止回阀的逆止作用，保证AST 遮断总管不会泄油，使各主汽阀仍保持在全开状态。在各调节汽阀关闭后，待机组的转速下降，DEH 控制器重新发出指令关闭OPC 电磁阀，OPC 总管建立油压，调节汽阀才能恢复控制任务。该方法可避免机组停机减少重新启动的损失。
3、止回阀
两个止回阀即单向阀，分别安装在自动停机危急遮断油路AST 和超速保护控制油路OPC 之间。当OPC 电磁阀动作、AST 电磁阀不动作时，单向阀维持AST 油路的油压，使高、中压主汽阀保持全开，待转速降低到额定转速时，OPC 电磁阀关闭，高、中压调节汽阀重新打开，继续行使控制转速的任务。当AST 电磁阀动作、OPC 电磁阀不动作时，AST 油路的油压下降，OPC 油路通过两个止回阀的油压也下降，关闭所有的进汽阀和抽汽阀，进行停机。
4、快速卸荷阀（快关油门）
快速卸荷阀安装在油动机控制块上，它主要作用是当机组发生故障必须紧急停机时或在危急保安器动作使危急遮断油（AST ）泄油失压后，可使油动机活塞下腔的高压EH 油经快速卸荷阀快速释放，紧急停机。
5、隔膜阀
隔膜阀联接着机械遮断油路系统与危急遮断油（AST ）系统，其作用是当危急保安器动作、机械遮断油泄压时，可通过危急遮断油（AST ）系统，遮断汽轮机。隔膜阀装于前轴承座的侧面，机械遮断油通入阀盖内隔膜上面的腔室中。机械遮断油压力克服了弹簧力，使下部阀门保持在关闭位置，堵住危急遮断油（AST ）母管通向回路的通道，危急遮断油（AST ）油压建立。使EH 系统投入正常工作。
若机械超速遮断或手动超停机操作，均使机械遮断油压力降低或消失，因而使压缩弹簧打开隔膜阀阀门把危急遮断油排到无压回油管，AST 安全油迅速失压将关闭所有的进汽阀和抽汽阀，打开各旁路疏水阀。隔膜阀结构图如图8—19所示。
正常运行时，EH 油压为14.5MPa ，机械遮断油压约为0.25MPa ，当机械遮断油压力跌到约0.07MPa 时，隔膜阀打开；当AST 油压为零，汽轮机机械遮断油压升到约0.2MPa 时，隔膜阀复位。
图8-19 隔膜阀结构图
6、空气引导阀
空气引导阀安装在汽轮机前轴承座旁边，空气引导阀用于控制供给气动抽汽止回阀的压缩空气。该阀由一个油缸和一个带弹簧的青铜阀体组成（见图8-20），油缸控制阀门打开时，弹簧提供关闭阀门所需的力。
当OPC 母管有压力时，油缸活塞往外伸出，空气引导阀的提升头便封住了通大气的孔口，使压缩空气通过此阀进入抽汽止回阀的通道，打开抽汽止回阀。当OPC 母管失压时，该阀由于弹簧力的作用而关闭，提升头封住了压缩空气源的出口通路，截留到抽汽止回阀去的管道中的压缩空气经过大气阀孔口排放，这使得抽汽止回阀快速关闭，避免抽汽倒流使机组超速。
图8-20 空气引导阀
第四节 汽轮机的转子应力监视(RSM）
一、 应力控制原理
汽轮机在启停过程中，转速、功率、蒸汽参数及流量变化较大。由于汽轮机金属部件的热惯性大，如果蒸汽温度变化快，则会引起汽轮机内部不均匀受热情况严重，内部温差大，产生过大的热应能，此外，蒸汽
压力、转子离心力等因素会产生转子机械应力。转子应力实际上是热应力与机械应力的叠加值。
由于启动过程中工况经常变动，所以对热应力的计算与控制尤为重要。高压缸中调节级后汽室的气压、气温随负荷的变化最大，中压缸第一级处的情况与此类似，所以高压缸调节级和中压缸第一级处的汽缸和转子都是热应力较大的部位，同时，转子还要承受巨大的离心力所产生的机械应力，因此，这些部位的应力转子引力往往是最大的。所以，在汽轮机启停运行过程中，只要监视与控制住这两个部位转子应力，其余部位也就不会出现应力超过允许值的情况。
由于转子是高速旋转的部件，它的内部温度无法直接测量，所以只能通过间接方法来求得转子的内部温度，从而计算出转子的热应力。间接方法有两种：一是利用汽轮机传热数学模型来计算；二是运用相似原理建立物理模型来计算。在计算出热应力值的基础上，再考虑机械应力的修正因素，便能得出总的转子应力值。
启动与停机过程中转子应力变化方向相反，每启停一次，便构成一次大幅度的应力循环。同理，负荷每升降一次，也会形成一次一定幅度的应力循环。经过多次应力循环后，汽轮机部件有可能产生疲劳裂纹，导致设备损坏。工程上用应力循环次数来代表设备寿命，而循环次数与应力大小关系很大，假如汽轮机设计寿命是一万次应力循环，当设备使
用不当，导致过大的应力时，则实际寿命就可能只有几千次了。因此现代大型汽轮机普遍采用同时控制高、中压转子应力以及应力循环数来保证设备达到设计寿命。
通过控制汽轮机转速变化量及变化率、功率变化量及变化率，汽轮机中的蒸汽参数、流量的变化量以及变化率便得到间接控制，相应地就控制住了转子应力水平。
通过数据检测装置，采集汽轮机有关点的温度参数，按照专门的计算程序计算出高压转子、中压转子实际应力，然后将它与许用应力进行比较，得其差值，再将它转换为转速或功率目标值和相应的变化率，通过系统控制来改变机组转速或功率，最终使转子应力水平控制在允许值范围内。
为了更好地满足机组启停安全，缩短启停时间，本机组设置了汽轮机热应力监控器，它是一套微处理机系统。它预先按照热力学和热弹性力学方程，编好程序，接受开关量和模拟量形式给出的如阀门位置、压力、温度的数值等输入信号，实时计算转子应力值。应力控制原理如图8-21所示。
图8-21 应力控制原理框图
二、汽轮机转子热应力的计算
汽轮机转子与汽缸的热应力是大功率汽轮机在运行中需要监视的主要参数。因为大功率机组都是高温高压机组，进汽温度可达535～565℃，进汽压可达16.7～23.8MPa 或者更高，转子本身是高速旋转部件，已经承受了比较大的离心力，再由于大功率机组的汽缸的厚度和转子的直径都在不断增大，各部分温度分布不均匀所引起的热应力问题就更加突出。目前，无论是在启动还是在负荷变动的过程中，大功率汽轮机的控制系统都把热应力作为一个主要考虑因素。如果热应力控制的好，则可加快升速与带负荷过程；如果处理不当，汽轮机的汽缸和转子则会产生很大的热应力，影响到机组的使用寿命，甚至会损坏设备。
另外，胀差问题也是汽轮机控制中需要考虑的一个重要因素。它和热应力一样，也是由于温度分部不均匀引起的，目前一般认为，只要热应力得到很好的控制，再加上制造厂在生产汽轮机时适当加大通流部分的轴向间隙，胀差问题就能顺利地得到解决。
1. 热应力的产生
热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力，主要发生在汽轮机
的启动阶段和负荷变动时期，尤其发生在机组冷态启动时。金属的热状态不同表现为其各部分的温度不同，因此热应力和温度差值有关。在启动、停机和负荷变动过程中，蒸汽和汽缸或转子的温度不同，因而蒸汽就要向金属零件的表面发热，或自零件的表面吸取热量。汽缸和转子表面接受来自蒸汽的热量后，再以热传导方式逐渐把热量传给零件的其他部件。在传递热量时必然有温差（由于各零部件受热温度场不均匀所致），有温差就会有热应力。在单位时间内传给金属表面的热量愈多，则汽缸和转子内外的温差就会愈大。所以一般汽轮机在启动时，升速过程，都安排一定的定速暖机时间，其目的就是为了避免汽缸和转子内外产生太大的温差，使热应力超过金属允许的界限。
蒸汽和金属壁面之间的放热过程，可以用下面的等式来表达。蒸汽传给金属壁面的热量为：
Q=αA ΔT 1 （8-2）
式中 Q ---------蒸汽传给金属表面的热量；
α------放热系数；
A----------换热面积；
ΔT 1-----蒸汽与金属壁面的温度差；
金属壁面通过热传导将热量传给内壁，它可以用下示公式来表示：
Q＝λA ΔT/δ （8-3）
式中 λ----------导热系数；
δ----------壁厚；
ΔT---------内外壁温差；
A----------导热面积。
图中8- 22是蒸汽温度发生变化时，金属表面（曲线2）和金属内部（曲线3）的温度变化规律。由图可知，金属表面温度变化很快，而内部温度变化却慢得多。在蒸汽温度变化后，内外壁的温差 △T 迅速加大，在达到最大值后又逐渐减小，最后趋于零。
图8- 22 金属内外壁温度变化规律
在蒸汽进入汽缸时，如果金属表面温度低于在此压力下的饱和温度，则属于凝结放热。凝结放热时的放热系数极大，因而金属壁面温度上升很快，金属内外的温差也大，当汽缸壁面温度高于相应蒸汽压力的饱和温度时，这时蒸汽热量以对流方式传给金属表面。对流放热系数的大小和蒸汽速度及汽流的温度压力有关。在冷态启动时，金属表面的温度一
般低于饱和温度，属于凝结放热，传热量大，因此要求启动的速度低，以免出现过大的热应力。
汽轮机各部分的热应力也不相同。在汽轮机的调节级部分，蒸汽的温度和压力最高，进汽量变化时它们的变化幅度最大，因此在启动和负荷变动时热应力也最大。除此之外，再热气温也很高，一般与主蒸汽温度相同，因此中压缸进汽部分的热应力也很大。由于以上原因，汽轮机热应力的监视点一般都设在高压缸的调节级和中压缸的进口处。
以汽轮机的热应力和转子的热应力相比，由于转子的热应力比汽缸的热应力更危险，因此在汽轮机启动、停机和负荷变化时期，主要应控制高压缸调节级和中压缸第一级处的转子应力，只要这两处的热应力不超过安全允许的限度，则其他部分一般也不成问题。
转子的热应力虽然是由于负荷变化所引起的，但是计算表明并非是负荷变化幅度愈大时应力也愈大，而是在不同的负荷下，同样的负荷变化幅度所产生的热应力也不同。图8-23（a ）是汽轮机带100％负荷时，减负荷所产生的热应力计算曲线。由图可见，当甩掉全负荷时，即
％时，热应力 σ＝19.6MPa ；而当 ∆P ＝100P 0∆P ＝50％时，热应力可达68.6MPa 。P 0
图8-23（b ）是汽轮机带80％负荷时，减负荷所产生的热应力计算曲线。
由图可见，同样 P ＝50％，热应力仅为39.2MPa 。而当汽轮机带50P 0
％负荷时〔 见图8-23（c ）〕，最大应力仅为11.77MPa 。图8-23（b ）、（c ）中的虚线是负荷突然增加的情况。由图可见，当汽轮机突然增加负荷时所产生的热应力远远大于负荷突然降低时所产生的热应力。但是也要说明的是，由于在增负荷时转子所受的是压应力，而减负荷时所受的是拉应力，金属材料在受压时的许用应力比受拉时要大得多，因此最危险的工况还要具体分析。
以上计算仅仅说明了一个稳定工作点变化到另一个稳定工作点所产生的热应力。实际的运行情况更为复杂，负荷的变化有可能是连续的，例如先从50％负荷增加到80％负荷，在各部分温度场尚未达到稳定，又从80％负荷增加到100％负荷。因此，有必要寻找几种有效的热应力的测量方法（或计算方法），以便能够随时测定汽轮机的热应力。
图8-23 负荷突然变化时汽轮机的热应力
2、 热应力检测方法
检测热应力的方法目前有两种：一种是通过计算来确定热应力。它是根据蒸汽初温、初压、高压缸第一级的温度、蒸汽流量、转速以及冲
转开始的时间来计算出传热系数、转子中心温度和实际温升，根据实际温升就可以确定热应力，后面将详细介绍。另一种是采用热模拟的方法，该方法用转子表面温度的变化来反映热应力的变化。对于汽轮机转子这种圆柱形结构，转子表面温度低于平均温度，则转子表面就产生拉应力；当转子表面温度高于平均温度时，如汽轮机加负荷时，由于转子外表面温度升高，内部仍保持原温度，于是就产生压应力。应力的大小与温度成正比，其关系式可用下式表示：
σ＝K 0（T o -T m ） （8-4）
式中 σ-----------转子表面的热应力；
To--------------------转子表面温度；
Tm-------------------转子平均温度；
K0-------------------比例系数 。
因此，只要测出转子的表面温度 Te 和平均温度T m 就不难求得热应力。除了有热应力σ以外，转子还存在汽压对转子的作用力和高速转动的机械应力σm ，所以，转子总的工作应力为热应力σ和机械应力的合成应力σs
为了便于监视和控制应力，引用应力裕度系数K 表征转子表面实际热应力的相对值。应力裕度系数用下式计算：
K =
式中 σL-----------σL -σS （8-5） σS 材料在使用温度下的许用应力。它决定于转子材料和工作温度，是保证机组安全的转子许用应力上限。
2. 转子热应力的计算
汽轮机转子在升速和变负荷的过程中，热应力变化最大，是监视的重点，因此应快速实时计算转子热应力。为了解决这一问题，硬件上目前都采用计算机，软件上应尽可能简化计算方法，建立易于计算的数学模型。
为了简化计算，通常将汽轮机转子视为一个无限长的圆柱体，既不考虑转子的叶轮形状，也不考虑轴向传热过程，只考虑径向传热，并且只计算圆柱体外表面和中心孔内表面的热应力。计算过程为，根据测得的蒸汽热力参数和汽缸金属温度实时值计算转子内、外表面的温度及转子的平均温度，再计算转子内、外表面的热应力及转子的机械应力，最后算出应力裕度系数。检测的参数有高压主汽阀前的蒸汽温度和压力，高压缸进口内壁金属温度，高压缸内金属温度，高压缸排汽压力，中压缸主汽阀前蒸汽温度和压力，中压缸进口内壁金属温度，中压缸内金属温度，发电机功率等。
对于无限长圆柱体，径向受热时导热的微分方程可用式（8-6）表示：
∂2θ1∂θ1∂θ＋＝ （8-6） ∂r 2r ∂r a ∂t
其中 a ＝λ ρc p
式中 θ------ 转子任意半径r 处的金属温度；
r---------转子任意一点的半径；
t---------时间；
a---------热扩散率；
λ--------转子材料热导率；
ρ--------材料体积质量；
cp--------------材料质量定压比热容。
λ、ρ、c p-均为温度的函数，当材料已知时，λ（θ）、ρ（θ）、c p （θ） 都是已知值。
方程（8-6）在下列边界条件下求解：转子的内孔是实心的或者内孔是绝热的，即内表面满足式（8-7）： ⎛ ∂θ⎫⎪＝0 （8-7） ⎝∂r ⎭i
转子的外表面直接与热汽流接触，即外表面满足式（8-8）： λ⎛ ∂θ⎫⎪＝h (θD -θO ) (8-8) ⎝∂r ⎭o
式中 h----- 蒸汽对转子的对流传热系数，取决于蒸汽参数、转子
转速和几何形状；
θD ---蒸汽温度；
θO ---转子外表面温度。
将边界条件代入式（8-6），即可求出转子的平均温度θav 、转子外表面温度θo 、转子内表面温度θi ，据此可求出转子内、外表面的热应力。
转子内表面热应力用下式计算： σi ＝
转子外表面热应力用式（8-9）计算： σi ＝
上两式中 E ---------- 弹性模量，也称杨氏模量；
ε--------线膨胀系数；
μ--------泊松系数。
转子内外表面热应力中较大者定义为σth
机械应力包括汽压对转子的作用力和转子旋转离心力所形成的作用力。若根据转子额定转速和高、中压缸第一级叶轮处的蒸汽压力计E ε(θav -θo ) (8-10) 1-μE ε(θav -θi ) (8-9) 1-μ
算出机械应力σm ，则实际应力σs ，可用下式计算：
σs ＝σm ＋σth （8-11）
根据转子的材料和工作温度计算许用应力，则应力裕度系数用式（8-5）计算。应力裕度系数计算框图见图8-24，图中，
中压转子应力裕度系数。
图8-24 应力计算程序框图
三、应力监控器作用
K H 、K I 代表高、
1、启运监视指导
尽管厂家给出了四种典型工况，冷态启动、温态启动、热态启动和极热态启动曲线，即升压、升温曲线，转速、负荷变化曲线。显然这四种工况不能包括所有的启动，且由于燃料影响加上其它因素，实际的参数变化与启动曲线上的理论值总是存在偏差，而且参数的变化过程也很难保持长期连续和稳定。为了在汽轮机启停全过程特别是负荷和温度发生较大变化时，本监控系统通过安全指标－应力裕度系数K ，向运行人员提供安全指导。应力裕度系数K 表示在许用应力范围内还有多大裕量可供使用。K ＝1表示实际应力为零，这种情况只有在汽轮机停机且充分冷却后才会发现。只要汽轮机运转，即使没有热应力，也存在机械应力，K 不会等于1。K ＝0表示实际应力等于许用应力，无裕量可供使用。K ＜0表示实际应力已超过许用应力，这是不允许的。
对转子应力裕度的监视可以指导机组在最佳状态下运行，可以保证在汽轮机转子实际应力不超过许用应力的情况下以最大升速率升速和以最大的变负荷速率变负荷。当应力计算器计算出汽机高压缸和中压缸的应力裕度系数K HP 和K LP 后，再进行比较，选择两者的较小值，作为应力限制回路的输入量，应力限制回路根据其数值控制可以使汽机在最佳状态下运行，且在保证实际应力不超过许用应力情况下，使汽机以最快的速度启动或者变负荷。在应力监控系统指导下，控制汽机使它的应力裕度系
数K 尽量接近零而不小于零。理想状况所对应的最快启动，就是让应力裕度系数K 始终接近于零的启动。
热应力监控系统具有本身工作的自检功能和数据检查功能，在系统本身工作异常或者测量数据发生异常时，都能发出报警信息。
2、安全经济运行控制
尽管应力裕度系数K 十分有用，本系统同时还可以向运行人员显示其它安全指标，以便于对锅炉进行最有效操作，当运行人员根据电网指令给出目标负荷速度时，应力监视器显示实时动态的实际温升速度，同时显示出高压缸和中压缸中进汽部分最大允许温升速度，运行人员对比两种数据可决定如何对锅炉实行最有效的操作，既保证安全，又快速实现预定目标。利用应力裕度系数K 和对应计算温升速度的指导功能，可以使运行人员最充分地挖掘设备潜力，实现机组安全经济控制。
3、机组应力限制保护
本监控装置采用应力限制回路，可以起到自动负荷限制器的作用，能够自动保护汽机安全，当应力裕度系数K 在0.2以上时，限制回路不起作用，当应力裕度系数K 低于0.2时，限制回路会按比例降低汽机负荷变化率，当K 等于零时，保持负荷不变，负荷变化率降到零，而由于传热的惯性，应力裕度系数也可能降到小于零，可是由于负荷不再上升，应力过了一段时间又开始下降，其效果相当于暖机，使应力裕度系数K
回升。当应力降到低于许用应力后，即K>0后，应力限制回路使汽机以较低的负荷变化率升负荷，使应力裕度系数K 保持在0～0.2之间，维持安全经济的工况，这时转子的应力不会超过许用应力，而汽机又能以较高的负荷变化率升负荷。当计算出的应力裕度系数K HP 和K LP 任一为零时，监视系统能发出报警信息，而当裕度系数K 在1～2分钟时间内下降到－0.2时，监控系统提供跳闸信息给汽轮机危急遮断系统，使汽机跳闸。为了保证可靠性，汽轮机跳闸信息必须在应力监控系统本身无故障，而测量数据无异常时才能送出。
另外，当运行人员不能有效地控制过热汽温和再热汽温时，或者增负荷太快、应力裕度系数K 下降过快发生危险时，应力监视器可以越过运行人员起作用，限制负荷或自动减负荷暖机。