600MW汽轮机暖机方式的分析

马树银

摘 要：根据云南华能滇东能源有限公司机组的现状，分析了汽轮机暖机过程的作用及思路，介绍了东方汽轮机厂600MW机组典型暖机方式和启动暖机过程中的几个重要问题。建议针对600MW汽轮机启动暖机过程制定启动控制的基本思路。

关键词：冷态中压缸启动 中速暖机 脆性损伤 寿命损耗 热应力

中图分类号：TK269 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0013-04

云南华能滇东能源有限公司6×600MW亚临界汽轮机组为东方汽轮机有限公司引进日立技术生产制造。汽轮机为N600—16.7/538/538—2型亚临界、中间再热、单轴三缸四排汽、冲动凝汽式，设计额定功率为600MW，最大连续出力为641.122MW。汽轮机启动过程各轴劲振动限值为250um。升速暖机过程为：（1）高压缸盘车预暖360min，使调节级金属温度达到150℃以上；（2）升速至1500r/min中速暖机240min；（3）升速至3000r/min额定转速暖机40min；（4）有功功率30MW（5%）初负荷暖机60min。

1 汽轮机暖机过程中的重要问题

1.1 冲转参数的选择

对于中间再热大容量机组，冷态冲转参数的选择，主要是根据机组过临界和维持定速的需要而确定的。一般主蒸汽压力，应综合机炉两方面及旁路系统的因素来考虑，要从便于维持启动参数的稳定出发，使进入汽缸的蒸汽流量应能满足汽机顺利通过临界转速和带初始负荷的要求，同时为使金属各部分加热均匀，增大蒸汽的容积流量，冲转蒸汽压力应尽量选择低一些。蒸汽温度，应能避免启动初期对金属部件的热冲击；同时防止蒸汽过早进入湿蒸汽区而造成的凝结放热及末几级叶片的水蚀，要有足够高的过热度；总之蒸汽温度应与金屬温度相匹配。凝汽器真空，冲转瞬间大量蒸汽进入汽轮机内，因蒸汽的凝结需要有个过程，所以真空会有所降低，如果真空过低在冲转瞬间就会有低压缸安全门动作的危险，同时排汽温度大幅度升高，使凝汽器铜管急剧膨胀，造成胀口松弛而泄漏。过高的真空也是不必要的，在其它冲转参数都具备时仅仅为了等真空上来，必然会延迟机组冲转时间；另外真空过高冲动汽轮机所需的蒸汽量减少，达不到良好的暖机效果从而延长暖机时间。

对冲转参数的选择，必须要考虑调节级处及中压持环处的金属温度与蒸汽温度的匹配。近十几年来随着计算机在火电厂的广泛应用，国内外一些制造厂都对机组提出了典型的启动曲线、图表。这些图表是根据机组在启停过程中转子承受的交变热应力和转子材料的低周疲劳寿命曲线而制定的。根据机组所要承担的运行方式，规定出各种运行方式的启停次数和循环寿命消耗量，同时确定出第一级叶片出口蒸汽温度的变化量和变化率。一般机组启动都是根据金属温度水平、允许的最大失配温度，反过来查出冲转参数的允许范围。这里所谓的失配温度就是调节级出口汽温与调节级处汽缸金属温度之差。正值为蒸汽温度高于金属温度，冲转后直接可对转子进行加热；负值表示蒸汽温度低于金属温度，冲转后蒸汽将对转子进行冷却。理想的失配温度的选择自然是正直。日本电气股份公司对500MW及以上汽轮机的失配温度提出的限值为+170℃～-110℃，并指出理想的限值为+30℃～-50℃。日本三菱公司对其大型机组的启动明确规定，机组冲转时调节级出口气温与调节级金属温度之差应在+110℃～-56℃，由此决定冲转蒸汽条件，并指出该温差的限制值为+140℃～-83℃。本厂机侧冲转参数，主汽压力：6.0MPa，主汽温度：330℃，再热汽压力：1.1MPa，再热汽温：310℃，凝汽器真空：>72kPa。

1.2 暖机时的转速选择

汽轮机的暖机转速接近转子临界转速、汽缸共振转速和叶片共振转速会导致部件在大交变应力下加速疲劳破坏，所以选择暖机转速时应对临界转速、汽缸共振转速和叶片共振区了解清楚，不要随意选择转速长时间暖机。为了防止高中压转子失稳，高中压合缸汽轮机的高中压转子一阶临界转速通常为1500～1800r/min，高中压分缸汽轮机的高压转子一阶临界转速通常为2000～2300r/min。

根据转子动力学原理，转速小于一阶临界转速时，转子振动高点与一阶不平衡质量夹角小于90?；转速等于一阶临界转速时，转子振动高点与一阶不平衡质量夹角等于90?；转速大于一阶临界转速时，转子振动高点与一阶不平衡质量夹角大于90?且小于180?。当发生动静碰摩时转子局部发热，向碰摩位置方向弯曲。实践证明，汽轮机高中压转子动静碰摩时摩擦响应主要呈一阶振型。当转速低于一阶临界转速时，转子热弯曲和振动高点矢量和大于转子热弯曲量，动静碰摩进一步加剧，摩擦引起的转子热弯曲不断积累增大；反之，当转速高于一阶临界转速时，摩擦引起的转子热弯曲不能积累；当转速接近一阶临界转速时，转子热弯曲和振动高点矢量和也大于转子热弯曲量，由于一阶临界转速区摩擦热弯曲引起的振动响应大，动静碰摩法向力远高于前两种转速，导致摩擦发热功率加大，摩擦热弯曲加快，形成恶性循环。特别是高中压转子，由于阻尼小，一阶临界转速区，振幅放大因子很大，动静碰摩可能在极短时间内导致转子热弯曲达到很高的水平，如转子局部应力超过材料屈服极限将导致转子发生永久性弯曲，这一过程发展极快，往往是人工不可控的。

低速暖机指1000r/min以下转速暖机。和盘车预暖的目的和原理相同，低速暖机在低应力水平下提高转子的抗脆性失效能力。其风险在于摩擦热弯曲的积累，低转速时不易通过振动发现动静摩擦，当转子快速通过一阶临界转速区时，由于摩擦热弯曲积累的存在，动静碰摩引起的振动远大于不低速暖机的方式。

高速暖机指2000～3000r/min的暖机，高速暖机在将转子应力水平控制在一定程度下获得更高的暖机效率；此外，在高于一阶临界转速下，动静碰摩不会引起强烈振动，加之转速高，磨汽封效果很好，高速暖机转速也称磨汽封转速。但由于高速暖机时进汽量大，热流密度大，导致汽缸温升率不可控，转子应力过大。

中速暖机指1000～2000r/min的暖机，日立、东芝技术的汽轮机除盘车预暖、低速暖机外，主要进行长时间的中速暖机。按照上述分析，中速暖机存在一阶临界转速强烈振动的风险，但是日立、东芝技术汽轮机的中速暖机与传统的中速暖机相比存在明显不同。传统中速暖机转速选择在远离高中压转子一阶临界转速的区域，通常在1000～1200r/min，低于高中压转子一阶临界转速500～600r/min。日立、东芝技术汽轮机中速暖机转速低于高中压转子一阶临界转速150～200r/min，这一转速下振动对动静碰摩比较敏感，当动静碰摩时振动会大幅波动或持续上升，容易被运行人员发现并采取措施；实践证明，这一转速下动静碰摩，局部摩擦发热功率不足以导致局部热应力过大而引起转子永久性弯曲；日立、东芝技术汽轮机的中速暖机转速和振动限值的选择有效防止了不可控动静碰摩。日立、东芝技术汽轮机的中速暖机方式值得研究、试用和利用。综上所述，我厂采用1500r/min中速暖机。

1.3 转子材料的脆性转变温度及脆性损伤

高强度合金钢在低温时冲击韧性会显著下降，工程上，将材料冲击试验时断口形貌中脆性和韧性断裂面积各占50%的试验温度称为脆性转变温度（FATT）。大型汽轮机的高中压转子使用Cr-Mo-V钢，其FATT为80℃～130℃。实践表明，材料在高于FATT 50℃以上时才具有较好的抗脆性破坏能力。因此，汽轮机在启动过程中需要在低应力工况下暖机，使转子温度高于FATT后再逐渐进入高应力工况。

在汽轮机冷态启动升速过程中，由于温升较小，汽轮机部件的热应力还不很大，预防转子低温脆性损伤就成为主要任务之一。这要求合理地安排升速方式，使机组在定速之前，在转子应力水平不高的条件下，进行充分暖机，将转子内孔的金属温度提高到FATT以上。三菱公司汽轮机运行说明书指出，在冷态启动时，中速暖机的目的主要是预防转子脆性损伤。在WH、GE公司的大型汽轮机运行规程中也规定，在升速过程中，当转子内孔金属温度达到FATT之后，才允许升速到定速。

汽轮机在启动过程中，转子属于不稳定的加热过程，其中心孔的金属温度滞后于表面温度。同时在高转速情况下，转子中心孔部位承受比较高的离心力。因此，为了防止脆性损伤，在升速到定速之前，要求高中压转子最后一级叶轮段的转子中心孔部位的金属温度应超过FATT。由于高压缸采取盘车预暖360min，使调节级金属温度达到150℃以上后，升速至1500r/min中速暖机240min，在中速暖机结束时，高压转子最后一级中心孔部位已达到150℃。因此高压转子在中速暖机结束时，能够顺利渡过FATT。而中压转子在中速暖机结束时，末级中心孔部位金属温度还较低，约在90℃～100℃左右，远低于转子材料的FATT。由于冲转时再热蒸汽温度低、蒸汽流量小、压力低、放热系数小、在升速过程中最后几级蒸汽温度变化缓慢、缸体和转子粗大、吸热量多等，所以中压转子后半部金属温升速度缓慢，在中速暖机结束时，难以渡过FATT。因此，汽轮机生产厂家规定，升速至3000r/min额定转速暖机40min，并网后在有功功率30MW（5%）初负荷暖机60min。由此看来，在预防汽轮机转子的脆性损伤时，对中压转子应给予充分的重视。

1.4 中速暖机的时间及指标控制

在冷态启动时，应根据冲转时金属温度的实际状态和暖机结束时的实际金属温度变化状态灵活地确定中速暖机时间，而不是一固定的数据。在升速过程中，汽轮机转子的加热效果，不仅受主汽温度和再热汽温度的影响，特别是中压转子的后半部，还将受到轴封蒸汽温度、汽缸及转子几何形状尺寸、排汽真空等多种因素的影响。即使同样的蒸汽参数，由于运行方式不同，金属的受热状态将有所差异。因此判别转子金属温度是否已渡过FATT，应该以中压缸排汽部分实际金属温度状态或实际排汽温度为依据。为此建议在中压缸排汽管上或中压缸排汽室安装汽温或金属温度测点，进行转子实际受热状态的监测。在东芝公司的大型火电机组启动方式中明确指出，为了预防脆性损伤，应以中压缸排汽室上半部的金属温度实际变化状态来判断中速暖机是否结束；GE公司汽轮机启动和带负荷导则中规定，中速暖机后，中压缸排汽温度低于200℃时，还需进行高速暖机。然而，也并不是说中压缸排汽温度达到启动和带负荷导则中规定的温度时，中速暖机就结束。根据各公司的工业试验结果可知，在一定的蒸汽参数状态下，当中压缸排汽温度达到规定的温度时，由于转子较粗及傳热的滞后，转子中心温度还没有越过FATT，转子中心与转子外表面的温差还很大，只有在中压缸排汽温度达到规定的温度且暖机2～4h后，转子中心的温度才越过FATT。在排汽温度达到规定的温度且暖机2h后，虽然转子中心温度已达到FATT，但转子外表面与转子中心的温差还很大，导致热应力很大；一般在大于4个小时后内外表面的温差<20℃，这时热应力已很小。该厂中速暖机的控制指标为：（1）高压内下缸内壁温>320℃；（2）中压内下缸内壁温>320℃；（3）高中压缸膨胀>8mm；（4）中压缸排汽室内壁温>240℃。

1.5 启动过程中汽轮机的寿命管理及分配

汽轮机的寿命是指从初次投入运行一直到转子出现第一条宏观裂纹（长度为0.2～0.5mm）经历过的交变载荷次数。根据工程经验，汽轮机寿命主要取决于机组启停和负荷变化引起的交变热应力。这种高水平交变热应力，是导致转子低周疲劳损伤的主要因素。度量汽轮机寿命的单位是转子承受的交变载荷的循环次数，并不是运行时间。由于汽轮机转子是整个汽轮机机组中最昂贵的部件，又工作在高温高压的恶劣环境中，一般定义汽轮机转子的寿命即为汽轮机组寿命。

低周疲劳损伤是构成转子损伤的主要部分，产生热应力的原因是转子本身受热不均，存在着温差，主要发生在汽轮机启动阶段、停机阶段和负荷变动阶段。启动时，转子工作在稳定导热条件下，但是转子表面先受到蒸汽加热膨胀。转子表面接受到热量后，再以热传导的方式将热量传递带其他部分。转子内部温度较低，限值表面膨胀，从而导致了热应力的产生，此时转子表面产生压应力，二中心部位承受拉应力。单位时间内传给转子表面的的热量越多，则温差越大，热应力也就越大。汽轮机的停机过程正相反，是一个冷却过程，热力参数和机械设备的状态也要发生一系列变化。停机时转子表面先冷却，中心部位保持较高温度，从而使表面承受拉应力而中心部位承受压应力。这样，每启停一次，转子表面和中心部位就承受一次压应力和一次拉伸应力的作用，这种交变应力引起金属材料的疲劳损伤，长期积累就有可能出现裂纹。因此，控制金属温升率，限值部件的热应力，保证循环寿命消耗量不超过规定数值，是汽轮机启停控制的基本准则。其中，寿命消耗主要考虑以下两个方面。

（1）由蠕变引起的寿命消耗：它占整个寿命消耗量的20%～30%，其寿命消耗量通常用t0/tR表示。其中t0为运行小时数，tR为相应此运行状态的温度和应力作用下，达到蠕变损坏所需的小时数。总的蠕变寿命消耗量为：

一般启动过程中，金属温度不高，通常不考虑蠕变寿命消耗。只有金属温度超过420℃时才考虑合金钢部件的蠕变问题。

（2）低周疲劳引起的寿命消耗：它占整个寿命消耗量的70%～80%，其寿命消耗量通常表示为：

式中，n为实际的循环次数，一个完整的循环包括启动、带负荷运行、停机的整个过程；N为相应此运行温度和应力到达产生低周疲劳裂纹的循环次数。总的低周疲劳寿命消耗量为：

2 暖机过程中存在的问题

2.1 烟煤启动导致蒸汽温度过高

近几年，火电行业大面积亏损，为了提高启机过程的经济性，为了节省燃油量和厂用电，争先恐后地实行烟煤启动。由于实施烟煤启动导致炉膛内的辐射热量和对流热量发生较大变化，火焰中心上移。导致炉膛产汽量偏少和蒸汽温度不可控。最终导致中速暖机过程中蒸汽温度不可控，蒸汽温度过高。这将使得暖机过程中调节级金属温度和中压持环金属温度在短时间内达到中速暖机结束的目标值，但对于汽缸和转子将造成很大的损伤，尤其是转子。

2.2 中速暖机的指标控制及暖机时间

东方汽轮机厂600MW机组中速暖机的指标控制为：（1）高压内下缸内壁温>320℃；（2）中压内下缸内壁温>320℃；（3）高中压缸膨胀>8mm；（4）中压缸排汽室内壁温>240℃。中速1500r/min暖机240min，然后升速至额定转速3000r/min暖机40min，并网后在有功功率30MW（5%）初负荷暖机60min。大部分厂在暖机过程中主要看缸胀和调节级温度，只要这两个指标达到就准备升速并网带负荷。

2.3 中速暖机过程中的金属温升率

高压转子金属温度从冲转前的150℃加热到320℃，温度上升170℃，按60℃/h的温升率算，3h即可完成暖机；中压转子金属温度从冲转前的80℃左右加热到320℃，温度上升240℃，按60℃/h的温升率算，4h即可完成暖机。最近大部分电厂在中速暖机过程中一般2.5～3h就达到320℃，中压缸温升率在1.5℃/min左右，寿命消耗也在允许的范围内。单从温升率看是没问题。

2.4 中速暖机结束后进一步阶段性暖机

厂家要求中速暖机结束后，升速至额定转速3000r/min暖机40min，并网后在有功功率30MW（5%）初负荷暖机60min。许多电厂在中速暖机结束后就直接升速至3000r/min，接着就并网带负荷。

3 针对中速暖机的建议

3.1 执行烟煤启动方案时，把控好投粉时机及投粉量

在烧参数阶段一般汽包起压，高低旁开启后就准备投粉，二次风温度也没有达到规程要求。从最近几年烟煤启动来看，投粉时间越早，蒸汽参数越难控制。

而且投粉早且粉量大的情况下，更容易出现蒸汽温度高而压力低的现象。出现此现象的主要原因就是投粉早引起的，投入煤粉后减小了油流量，导致辐射热量减少，对流热量比例增大，最终导致产汽量减少，压力起不来且蒸汽温度偏高。要想改变此现象，只能是增高炉膛高度，但这是不可能的。因此，在烧参数时，建议汽轮机冲转后开始中速暖机后再投粉，这样蒸汽参数要好控一些。投粉量根据中速暖机过程中温度上升幅度来调整，主再热气温控制在420℃～450℃为好。

3.2 控制好燃油量，不能过分追求节油

现在各电厂之间加强了交流沟通学习，最近在烟煤启动方案的交流甚为频繁，由于对比导致一个厂想比一个厂节油经济。本厂现在烟煤启动从锅炉点火至机组负荷350MW断油，各阶段耗油分析如下：锅炉烧参数阶段耗油40～45t，汽轮机冲转至中速暖机结束阶段耗油20～30t，机组并网至油枪全部撤出阶段耗油15～20t，机组启动用油大概在75～95t；启动炉运行约20～25h，耗油20～30t；共计耗油在95～125t的范围。以前的纯油启动耗油在170～180t的范围，相比之前烟煤启动节约50～70t的油耗。有些厂能将油耗控制在50t左右在有邻炉加热的情况下，通过学习观摩后发现咱们也能达到这个油耗，但这导致机组参数不可控，在这种情况下还想缩短暖机时间，势必导致热冲击、热应力及寿命损耗过大，长久来说对机组安全产生不利影响。

3.3 中速暖机的时间把控

高压调节级金属温度从冲转前的150℃加热到320℃，温度上升170℃，按60℃/h的温升率算，3h即可完成暖机；中压持环金属温度从冲转前的80℃左右加热到320℃，温度上升240℃，按60℃/h的温升率算，4h即可完成暖机。我厂最近在中速暖机过程中一般2.5～3h就达到320℃，中压缸温升率在1.5℃/min左右，寿命消耗也在允许的范围内，单从温升率看是没问题。但是根据各公司的工业试验结果可知，在一定的蒸汽参数状态下，当中压缸排汽温度达到规定的温度时，由于转子较粗及传热的滞后，转子中心温度还没有越过FATT，转子中心与转子外表面的温差还很大，只有在中压缸排汽温度达到规定的温度且暖机2～4h后，转子中心的温度才能越过FATT。在排汽温度达到规定的温度且暖机2h后，虽然转子中心温度已达到FATT，但转子外表面与转子中心的温差还很大，导致热应力很大；一般在排汽温度达到规定的温度后暖机大于4h后內外表面的温差小于20℃，这时热应力已很小，对机组损伤才达最小。因此，建议通过中压缸排汽温度及四段抽汽温度的变换来安排暖机时间，即在中速暖机1h后，检查中压缸排汽温度及四段抽汽温度，若两个温度测点都达200℃以上，则再暖机2h后转子中心孔与转子外表面的内外壁温差小于80℃，而且转子中心的温度也基本能越过FATT，在这种情况下即可升速至额定转速。

3.4 升速至3000r/min及带5%的初始负荷暖机

汽轮机生产厂家规定，中速暖机结束后升速至3000r/min额定转速暖机40min，并网后在有功功率30MW（5%）初负荷暖机60min。这样的目的是为了进一步使转子中心孔与转子外表面的内外壁温差缩小，减小转子内外表面热应力，同时也使高压调节级和中压持环内外壁金属温差缩小，减小了缸体的热应力。在此阶段，将主汽阀阀壳、调节阀阀壳以及中压进汽室和调节级进汽室缸体内外壁温度差值降至最小，对缸体及阀体的损伤也减至最小。汽轮机运行说明书指出，在主汽阀阀壳内表面金属温度在300℃～400℃时，内外壁金属温差不大于116℃～106℃；调节阀阀壳内表面金属温度在300℃～400℃时，内外壁金属温差不大于108℃～96℃；中压进汽室和调节级进汽室缸体内表面金属温度在300℃～400℃时，内外壁金属温差不大于110℃～98℃。因此，在暖机过程中，只要上述温差超过此范围，就应稳住汽温，停止加负荷，进一步进行暖机，直至温差在控制范围内。

4 结语

（1）对汽轮机中压转子脆性损伤的预防应给予足够的重视。

（2）为了预防脆性损伤，应以中压缸排汽部分金属温度和汽温的实际变化状态作为判断中速暖机结束的标致。

（3）中速暖机的转速最好先在厂家推荐值暖机一段时间后再做升降速暖机，在降速暖机时，降低转子振动限值对防止一阶临界转速区不可控动静碰摩是非常有效的，建议将振动限值降至规定值的0.7倍及以下值。

（4）汽轮机暖机方式是非常复杂的，对汽轮机的寿命和安全运行非常关键，在电力生产中常常忽视而导致设备事故。因此，充分分析汽轮机的设计思想、计算数据、设备特性、运行状况以及启动过程相关技术问题，并经过严格的试验验证。不合理的暖机方式，不但会加速汽轮机的寿命消耗，还可能导致严重的汽轮机安全事故。

参考文献

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