1000MW二次再热机组汽轮机热应力控制策略分析

陈 林，许海雷，冀 川

(国电泰州发电有限公司，江苏 泰州 225300)

0 引言

泰州发电公司二期两台机组汽轮机采用了上海汽轮机厂的全周进汽、超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、单背压凝汽式、十级回热抽汽汽轮机。机组采用一个超高压缸、一个高压缸、一个中压缸和二个低压缸串联的布置结构。汽轮机五根转子分别由六个径向轴承来支承，除超高压转子由两个径向轴承支承外，其余四根转子，即高压转子、中压转子和两根低压转子均只有一个径向轴承支承。整个汽轮机轴系总长约36m。六个轴承分别位于六个轴承座内。

1 汽轮机应力评估器(TSE)简述

1.1 热应力产生的工况

温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力，又称温变应力[1]。汽轮机的启动过程是将汽轮机从盘车状态升速至额定转速并带负荷运行的过程，在纯冷态启动初期，转子和汽缸温度接近于常温，而在正常运行时，汽轮机的阀门、汽缸、转子的温度较高，超过500℃。从传热学的观点这是个加热过程，相反停机过程则是冷却的过程，此过程中的温差势必产生相应的应力。

1.2 TSE(turbine stress evaluator)

为了使汽轮机整个部件在启停机过程中的热应力均控制在允许范围内，需要对汽轮机的运行状态进行监视，控制其温度变化。为此，机组设置了汽轮机应力评估器(TSE)，精确计算汽轮机运行期间阀门、转子及汽缸的最大应力，并与计算出来的允许值进行比较，最终得出汽轮机启停过程中允许的温度变化率，以确定主再热蒸汽参数与转速、负荷变化率之间的最佳匹配，确保主要部件应力不超限，提高机组正常运行年限。针对泰州公司二次再热机组特点，需要监视的主要部件有：超高压主汽门、调门、汽缸、转子，高压缸主汽门、调门、转子，中压缸转子。测量与蒸汽接触的表面温度和汽缸或阀体中间温度(50%处)，通过各部件的测量和计算得到的温差和材料允许温差进行比较，得到相应部件的温度裕度，将其中最小的温度裕度作为运行时的参考值，输入至TSE中，从而控制转速和负荷的变化率，进而控制热应力。通过应力闭环的控制，将汽轮机的热应力控制在允许范围内。此外，TSE还可以形成不同温度下的X准则，还可以根据裕度计算出汽轮机冲转时最佳蒸汽参数，使锅炉与汽机的参数相适应[2-3]。热应力的大小用金属表面温度与中间温度的差值来表示。温差越大，热应力也越大。为了保证热应力不超允许值，可以通过温差不超过限值来表示。对于汽缸和阀体，通过平均温度Tm的函数来表示。限值共有两根曲线，正值为升转速、加负荷曲线，负值则为降转速、减负荷曲线。T1、Tm为测量温度，Tm为转子平均温度，Tax为转子中心温度，dT为实际温差，dTpermtupr为允许温差(上限)，dTpermtlwr为允许温差(下限)，ddTupr为温度裕度上限，ddTlwr为温度裕度下限，通过测得的阀体和汽缸相关温度参数得到：

上限温度裕度ddTupr=dTpermtupr-dT

下限温度裕度ddTlwr=dT-dTpermtlwr

通过将超高压主汽门、调门、汽缸、转子，高压缸主汽门、调门、转子，中压缸转子八个温度裕度上限最小值送至汽轮机控制器温度裕度控制器最为升速和加负荷的裕度，计算出升速率和加负荷速率。同样也可计算出允许的降速率和降负荷速率。运行人员通过UI界面可以投切TSE模块。同时，如果TSE相关测点故障也会切除相应部件的应力控制器。每个部件的温度裕度在DEH画面中以棒状图显示，如果温度裕度接近0，说明该部件的应力已达到了最大允许值。如果低于0，则应力超过了最大允许值。

2 TSE控制策略

对于1000MW二次再热机组汽轮机，其核心部件转子和叶片均使用高合金钢材料，此材料的许用温度变化关系就是TSE控制器控制策略的核心底层，有了此基础，我们就可以建立一套应力控制的模型，我们对不同材料制成的部件暖机的速率是不同的[4]。汽轮机应力控制器(TSE)是汽轮机一个监控模块，对其各个部件连续不断评估，给出汽轮机能运行在最小寿命损耗工况下提供必要的信息，同时也提供最大的运行灵活性，其有下列功能：在任何条件下，通过TSE能将汽轮机应力控制允许范围内；计算和记录汽轮机部件的寿命损耗。

汽轮机部件的温度改变量主要取决于启停机时蒸汽温度的变化、汽轮机负荷变化。图1是泰州公司二期DEH功能模块主要结构。可以看出TSE处于结构中的顶层，对整个控制输出具有重要意义，具体控制逻辑如下：从汽轮机应力评估WTG中产生的负荷增加温度裕度WTO和负荷降低温度裕度WTU，在MIN或MAX选择功能块中，与最大语序裕度FBMAX进行比较。选出的信号乘以延迟的转速设定值梯度NSVG以产生转速设定值控制的速率，在负荷运行期间，该因子切换到延迟的负荷设定值速率PSVG，升速方向转速上限裕度OFBN，降速方向转速下限裕度UFBN。限制转速设定值上限裕度OFBN最小值，以确保在升速期间转速梯度监控不作出响应。在带负荷控制器的负荷运行LB时，取消减小转速设定值梯度模块PSG，由运行人员设定的期望内部负荷设定值梯度PSGI，与限制温度裕度WTO和WTU及最大允许裕度FBMAX在MIN或MAX选件模块中选择[5]。

图1 泰州公司二期DEH功能模块组成

3 结语

汽轮机应力控制器运行曲线直接引进汽轮机热应力控制策略模块中，能直接反映温度准则，由应力计算到温度准则，汽轮机应力控制器全程监护，减轻了运行人员的工作量，更是有效地防止了人为的误操作，提高工作效率，汽轮机运行安全、可靠。