300 MW机组冷态启动优化的应用

马岩昕，张晓宇，乔大勇，肖 亮，张 昆，韩瑞斌

(黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161000)

300 MW机组冷态启动优化的应用

马岩昕，张晓宇，乔大勇，肖 亮，张 昆，韩瑞斌

(黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161000)

针对300 MW机组冷态启动时间较长、经济性较差的问题，提出在保证机组和设备安全运行的前提下，改进机组冷态启动措施，优化300 MW机组冷态启动程序。经实际应用验证，改进后的机组冷态启动措施缩短了机组冷态启动时间，实现了300 MW机组安全和经济启动，提高了300 MW机组运行经济性。

冷态启动;暖机时间;热应力;温度匹配

0 引言

某电厂2台300 MW机组汽轮机为C250/N300－16.7/537/537－73D型亚临界、一次中间再热、高中压合缸、双缸、双排汽、凝汽式汽轮机。在非采暖期多数情况下，1台机组运行，另1台机组备用。为了保证冬季安全供热，要求在夏季对2台机组进行频繁启停检修(在2008年、2009年和2010年2台机组累计冷态启动次数分别为6次、5次、7次)，以确保冬季2台机组快速投入运行。因此，本文在保证机组安全投入运行的情况下，研究了适当加快机组冷态启动速度，提升了机组运行经济性。

1 冷态滑参数启动要求

汽轮机在从静止状态到工作状态的启动过程中，各部件的工作参数都将发生剧烈变化，因此，启动过程是汽轮机运行中最复杂的运行过程。

1)在机组启动过程中，汽缸和转子本身的温度分布是不均匀的，受蒸汽冲刷的表面温度高，金属内部温度低，高压、中压转子进汽部分表面温度较高，中心温度较低，由于温度的剧烈变化，以及零部件尺寸很大而且工作条件不同，必将在零部件中形成温度梯度，沿着转子半径存在着一个由里向外温度逐步增高的温度梯度。这个温度梯度使金属各部分膨胀不同，因而产生热应力。当热应力过大而超出其允许值时，将严重危及机组的安全。因此，在汽轮机的启动过程中，一定要控制好汽轮机的热应力，使之不超过允许值，同时使机组按照要求均匀膨胀。

2)冷态滑参数启动的关键问题是主蒸汽、再热蒸汽的温度上升速度能否使汽轮机转子和汽缸均匀加热，也是冷态滑参数启机成败的先决条件之一。因此，为了减缓冲转时产生的热冲击，以减小热应力，要求蒸汽放热系数较小。而低压过热蒸汽的放热系数较小，它相当于额定参数的1/10，所以冲转时采用低压过热蒸汽，以便与汽轮机金属温度合理匹配。

3)升温率控制是冷态滑参数启机成败的另一关键条件。在冷态滑参数启动过程中，转子表面加热快于内壁，内外壁温差成正值，内外壁温差增大时表面应力显著增加。所以，转子和汽缸加热过快是危险的。在升温过程中，再热汽温应与主汽温同步调整，以保证高压缸、中压缸同步加热。升温过程应与升压过程相互配合，必须保证主蒸汽及再热蒸汽温度有56℃的过热度。同时，在保证允许的金属温度变化率的条件下，低参数蒸汽将有较大的流量，使得机组可以很快达到并网带负荷的条件，节约启动时间和启动用燃油。

4)机组的冷态最优化启动是指保证机组零部件热应力、胀差、轴向位移等指标不超限的前提下，机组以最高的经济性，在最短时间内启动。机组的冷态启动过程实质上是一个升温过程，它是由升温速度和幅度决定的。

5)缩短机组冷态启动的途径:主蒸汽、再热蒸汽温度与金属温度相匹配，主蒸汽温度必须有56℃的过热度，这就可以在零部件安全的基础上缩短启动时间;合理安排升温、升负荷速度及暖机时间。

2 热应力计算

热应力主要发生在高压转子的前几级和中压转子的前几级。它是由于转子各部分温度不均匀、各部分材料之间膨胀或收缩互相限制而引起的。一部分材料受拉的同时，则另一部分材料必然受压。温差越大，交变应力就越大，产生疲劳裂纹的时间就越短。

为了缩短冷态启动时间，迫切要求对机组转子的热应力作出精确计算。在机组的启动过程中，转子的温度水平不断变化，转子材料损伤在不同温度水平下形成。目前应用的转子疲劳曲线中，30CrMoV钢曲线在某一恒定温度水平下形成。

转子钢的材料特性随温度变化，以转子应力的计算为例，应力计算采用一维简化解析模型，一维转子中心热应力可由下式表示为［1］

式中:β为线膨胀系数;E为弹性模量;α为导温系数，α=λ/(ρc);υ为泊松比;c为轴材比热;ρ为密度;λ为材料导热率;f为形状因子;˙η为温升率;R为转子半径方向上的厚度;Kr为理论集中系数。

若β、E、υ、α等物性参数与温度无关，则热应力仅仅是温升率和时间的函数;但若考虑到上述物性参数中β、E、α的温变特性，则热应力还是启动过程中平均温度水平t的函数，即

对于30CrMoV转子钢，文献 提供了不同温度水平下的物性参数，如图1—图3所示。由图1—图3中可以看出，当温度从200℃变化到600℃时，β变大了27%，E减小了26%，两者基本上相互抵消，导温系数α减小了54%。因此，可以认为导温系数的变化是影响转子热应力的关键因素。

计算表明，如果蒸汽与转子的温差达到150℃，转子表面热应力将增大到材料屈服极限的数值，转子表面很快就会产生裂纹。由此可见，为了限制热应力，就必须限制蒸汽与转子的温差(不大于56℃)。此外，由于构成转子的材料相当厚大，各部分材料之间的热传导需要相当长的时间。于是，限制蒸汽的升温速度成为限制热应力的另一个重要手段。这两种手段在汽轮机启动时是非常重要的。这是因为在高速旋转的情况下，转子表面与蒸汽之间的热交换相当强烈，转子表面将很快被蒸汽所加热;而转子内部材料的热传导却十分缓慢，升温十分缓慢。此时，如果蒸汽很快升温，转子表面也很快升温，就加大了转子本身的温差，造成极大的热应力。为有效地控制汽轮机转子的热应力，根据“转子的寿命计算和寿命管理”理论，组成了按寿命管理的“机组启动控制系统”，运行人员只要保证升温率，机组就能够保证热应力处在安全范围内实现启动。当传热条件、温度分布及金属材料性能已知时，通过对转子在温度变化时热应力的计算，保证主蒸汽温度的升速率不大于1.5℃/min、机组总膨胀、胀差在规定范围内，就可以使汽缸和转子的热应力不超过规定，从而保证机组安全启动。

3 机组冷态启动过程

某电厂两台300 MW机组2007年投入运行以来，每次机组冷态启动的冲转参数:主蒸汽压力为4.12 MPa，主蒸汽温度为320℃，再热蒸汽压力小于0.2 MPa，凝汽器真空为－0.090 MPa以上。

冷态启动过程:

1)冷态启动转速达2 450 r/min时开始暖机，此时再热蒸汽温度为150℃，再热汽温按升速率0.9℃/min提升温度，2 h后再热汽温可达到260℃。

2)当中压主汽门前的再温汽温度达到260℃时，开始计算暖机时间，在任何情况下不允许缩短暖机时间，冷态暖机1 h后开始升速。中速暖机期间，主汽温度保持在320℃，再热汽温在260℃以上，并且在机组的振动、轴向位移、胀差、高中压外缸内壁上下缸温差、汽缸总膨胀等情况良好条件下，汽机可进一步升速。

3)当转速达到2 450 r/min、中压主汽门前的汽温达到260℃时，大约需要2 h。而后才开始计算暖机时间。而冷态暖机时间是1 h，加在一起为3 h。然后冲转至3 000 r/min，开始并网，带初负荷暖机30 min，同时注意维持机前参数的稳定。

4)初负荷暖机结束后，主蒸汽升温速度为1℃/min，主蒸汽升压速度为0.045 MPa/min，需要1 h升至主蒸汽温度380℃和主蒸汽压力为6.8 MPa，此时负荷60 MW。主蒸汽温度为380℃，主蒸汽压力为6.8 MPa，稳定运行需30 min。

5)以主蒸汽升温速度1℃/min、主蒸汽升压速度0.045 MPa/min的速度升至主蒸汽温度450℃、主蒸汽压力9.5 MPa，此时负荷90 MW，需要70 min。主蒸汽温度450℃，主蒸汽压力9.5 MPa，稳定运行需30 min。

6)以主蒸汽升温速度1℃/min、主蒸汽升压速度0.045 MPa/min的速度升至主蒸汽温度530℃、主蒸汽压力12.2 MPa，此时负荷150 MW，需要80 min。主蒸汽温度530℃，主蒸汽压力12.2 MPa，稳定运行需30 min。

7)以主蒸汽升温速度1℃/min、主蒸汽升压速度0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽温度537℃、主蒸汽压力16.7 MPa，此时负荷为180 MW，需要50 min。

8)机组稳定运行30 min后，单阀改为顺序阀运行。整个启机时间大约需要10 h。

在中速暖机时，主汽温度保持稳定，只在发电机并网后，才开始升主蒸汽温度、压力，造成大量的燃油浪费。

4 改进后的操作方法

通过与哈尔滨汽轮机厂反复研究、详细分析，找出了影响机组冷态启动时间长的主要因素(中速暖机过程中，主蒸汽温度、主蒸汽压力保持不变)，提出了相应的改进措施(在中速暖机时，在不缩短暖机时间的前提下，提升主蒸汽温度、主蒸汽压力，从而使机组在带负荷阶段可以快速加负荷至额定负荷)，缩短了冷态启动时间。

在冷态启动时，主蒸汽压力为4.12 MPa，主蒸汽温度为320℃，从冲转至汽轮机转速600 r/min，打闸后临检到再次冲转至2 450 r/min，约需要1h。

当转速达到2 450 r/min、中速暖机时，主蒸汽温度以1℃/min、主蒸汽压力以0.09 MPa/min的上升速度，使主蒸汽温度由320℃升至427℃，主蒸汽压力由4.12 MPa升至10.3 MPa，大约需要2 h，再热汽温才能达到260℃。

此时通流部分蒸汽温度的变化将会在转子内产生热应力，只要转子的表面和内部有温差存在，这种热应力就一直存在。当转子表面和内部的温度均匀一致时，此应力也即消失。由于转子应力的控制就是对转子温差的控制，所以当主蒸汽的温升速度不超过1.5℃/min时，转子的应力就应在可控制范围内。而此时主蒸汽的温升速度是1℃/min。

根据“冷态启动转子加热规程”的规定，在转子中速暖机的过程中，主蒸汽的温升速度不大于1.5℃/min、主蒸汽压力不大于0.09 MPa/min即可。

当中压主汽门前的再温汽温度达260℃时开始计算暖机时间，在任何情况下不允许缩短暖机时间，冷态暖机1 h后开始升速。

中速暖机期间，机组的振动、轴向位移、胀差、高中压外缸内壁上缸、下缸温差、汽缸总膨胀等情况良好条件下，汽机可进一步升速，加在一起需3 h。然后冲转至3 000 r/min，开始并网，带初负荷暖机30 min，同时注意维持机前参数的稳定。

初负荷暖机结束后，主蒸汽温度以1.5℃/min、主蒸汽压力以0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽温度537℃，主蒸汽压力16.7 MPa，此时负荷300 MW，需要80 min。

其次，由于事权与立法权的限制，部委规章和地方性立法不能对知识产权评议的法律性质、法律效力、法律责任等一系列关键性问题作出规定。这就导致一方面，知识产权评议游离于现有的行政管理体制与行政程序之外，处于非常态化和非协同化的状态；另一方面，由于缺乏法律效力与法律责任的“武装”，已经实施的知识产权评议也缺乏必要的约束力，处于“没有牙齿”的窘境。为此，必须及早通过法律的形式，对于知识产权评议的法律性质、法律效力、法律责任等作出明确规定。

表1 机组运行操作改进前后的机组主要参数对比

从转子应力的计算可知，转子表面应力的大小与相应的有效温差成正比，在一定的转子材料情况下，对应力的控制问题可以转变为对有效温差的控制。考虑到实际汽轮机转子的温度分布计算十分复杂，影响因素很多，如果采用多维计算模型，势必导致计算量巨大，难以满足实时在线的要求，因此合理地简化模型是必要的。

目前对实际运转的汽轮机转子采用直接应力检测有比较大的困难，因此通过某些温度点的检测以及模型的计算，控制其有效温差，同样可以控制应力，从而缩短汽轮机启动时间。因中速暖机过程中，已提升了主蒸汽温度至420℃、调节级金属温度达到了400℃，可以认定机组已是热态启动的参数了。再根据“热态启动推荐值”，主蒸汽温度以1.5℃/min、主蒸汽压力以0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽温度537℃、主蒸汽压力16.7 MPa，至额定负荷。

冷态启动操作方法改进后操作注意事项如下:

1)在蒸汽参数升压升温时，同时转子冲转的过程中监视机组胀差，如果机组胀差超标，需要及时调整蒸汽参数，特别是控制蒸汽的温升速度。

2)冷态启动全程监测高中压汽缸的上下半温差不允许超过40℃。

3)冷态启动全程监视轴振和瓦振，若发现超标则降低蒸汽温升率，一般蒸汽温度在320～427℃过程中的温升速度小于1.5℃/min。

5 冷态启动操作方法改进后的效果

在保证机组冷态启动安全的前提下，对缩短冷态启动的时间进行了合理的安排，即在2 450 r/min开始计算暖机时间，此时主汽压力、主汽温度开始滑升。2 h后主汽温度滑升至427℃、主汽压力滑升至10.3 MPa，此时再热汽温达到260℃，再加上1 h的暖机时间，总共3 h，然后冲转至2 900 r/min切阀后，升至3 000 r/min定速。

经过对冷态启动操作过程的改进和在2011年内几次机组冷态启动的操作过程，证明上述改进措施实施后，300 MW机组冷态由定速带至额定负荷时间可缩短5 h。300 MW机组冷态启动操作方法改进前后的主要机组参数如表1所示。

某电厂通过几次冷态启动的实践证明，改进后的启动方法可行，节油效果非常明显。原来1次冷态启动需耗油12～14 t，而现在1次冷态启动只需耗油6～7 t，仅1次冷态启动就能节油6～7 t，折合人民币5.6万元。若某电厂每年完成6次冷态机组启动，可节约燃油42 t，能节约成本33.6万元左右。

6 结论

上述分析结果表明，不改变机组控制保护逻辑，通过合理的操作调整，解决了某电厂300 MW机组冷态启动缓机时间偏长的问题，明显缩短了机组冷态启动的暖机时间，从原来的约10 h缩短到5 h。通过经济性分析计算，每年可增加收入33.6万元，节能效果显著。

［1］张保衡.大容量火电机组寿命管理与调峰运行［M］.北京:水电出版社，1988:75－76.

Application of the optimization of cold startup for 300 MW unit

MA Yanxin，ZHANG Xiaoyu，QIAO Dayong，XIAO Liang，ZHANG Kun，HAN Ruibin
(Heilongjiang Huadian Qiqihar Thermal Power Company Limited，Qiqihar 161000，China)

Aiming at the slow cold startup and negative economy of 300 MW unit，this paper，taking the safe running of unit and equipment as a premise，proposes to improve the cold startup and optimize the cold startup program.The application proves that the cold startup speeds up after the improvement，which realizes the safe and economic startup and enhances the economic running of 300 MW unit.

cold startup;warm－up time;thermal stress;temperature matching

TK267

B

1002－1663(2012)03－0231－04

2011－12－26

马岩昕(1968－)，男，2000年毕业于东北电力学院热能动力工程专业，工程师。从事节能、汽轮机、化学运行技术管理方面的工作。

(责任编辑 侯世春)