新型高效超临界660 MW汽轮机启动变温准则的解析

2019-03-26蒋育平黄海跃

热力透平 2019年1期

蒋育平，杨宇，黄海跃

(1.上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240；2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

为了使新研制的超临界660 MW(24.2 MPa/566 ℃/566 ℃)三缸两排汽中间再热凝汽式汽轮机的运行具备高度自动化，整个启动过程应能通过汽轮机主顺控程序来自动完成。在汽轮机冲转、升速到360 r/min、低速暖机、升速到额定转速3 000 r/min、高速暖机一直到并网带负荷的各个启动阶段，主顺控程序会通过启动变温准则来控制关键部件的热应力水平，确保其符合热应力控制要求。如果不能满足要求, 将继续在本阶段所在循环等待，直到满足条件才能进入下一阶段。

启动变温准则的实质就是根据部件的表面温度和体积平均温度之间的温差来限定进口蒸汽参数。通过限制汽轮机顺控启动不同阶段的进口蒸汽参数(主要是温度和过热度)，间接限制关键部件的表面温度，从而控制关键部件的表面温度和体积平均温度的温差，控制关键部件的热应力和低周疲劳寿命损耗水平。

采用启动变温准则避免了运行人员人为决定汽轮机冲转参数选择、判断暖机和并网条件，避免了运行人员的误操作导致热应力超限，提高了机组启动的安全性，减少了整个设备的寿命损耗，也最大限度地提高了汽轮机的启动速率。

本文拟对新型高效超临界660 MW汽轮机启动变温准则的设计原理、定值选取原则、相互间关系等进行研究和解析。研究成果可为各型汽轮机制定基于失配温度的自动启动准则提供参考，为汽轮机实现“一键启动”提供安全保障。

1 启动过程关键部件热应力计算与控制

在启动过程中，关键部件的表面被蒸汽加热和冷却，部件的表面温度迅速接近蒸汽温度。但部件的体积平均温度受传热速率的影响，与表面温度存在一定的温差。

根据热应力理论，该热应力值的大小按下式计算：

(1)

式中：σ为部件表面热应力值；α为材料热膨胀系数；E为材料弹性模数；Δt为部件表面温度与体积平均温度的温差值。

一般认为：在计算汽轮机转子寿命时，小于196 MPa的应力值对转子低周疲劳的寿命损耗(寿命损耗率小于0.001%/次)可以忽略不计；当应力值为196 MPa时，计算Δt值为55.7 ℃。只要将部件表面温度与体积平均温度的温差值控制在不大于50 ℃的水平，则其对转子产生的低周疲劳寿命损耗就可以忽略不计[1]。

不妨把关键部件表面蒸汽温度与部件体积平均温度的温差值叫作失配温度。正值为蒸汽温度高于金属温度，冲转后将对部件进行加热，部件表面承受压应力; 负值表示蒸汽温度低于金属温度，冲转后蒸汽将对部件进行冷却，部件表面承受拉应力。根据材料承受拉应力和压应力能力的特点，失配温度选择正值更合适。陡河、大港几台引进机组允许高压转子的失配温度范围为-110～+167 ℃，宝钢三菱公司350 MW机组允许高压转子的失配温度范围为-56～+111 ℃[2]。

在启动过程中，只要失配温度控制得当，就能确保关键部件的低周疲劳寿命损耗可控。

2 启动变温准则的解析

超临界660 MW汽轮机主顺控中涉及的变温准则见图1[3-4]。系统根据不同功能，保证各个准则在汽轮机顺控启动的不同阶段得到执行。例如：必须同时满足X1、X2限定值准则的要求，才能开启主汽阀门；必须同时满足X4、X5、X6限定值准则的要求，才能开启主汽调节阀门，将机组冲转到低速暖机转速；必须同时满足X7A、X7B限定值准则的要求，才能将机组冲转到额定转速；必须满足X8限定值准则的要求，才能使机组并网带负荷。

图1 汽轮机主顺控变温准则示意图

2.1 变温准则1和2(X1和X2限定值准则)

变温准则1和2主要是为了保护主汽调节阀门免受冲击。需要在开启主汽阀门前不断确认变温准则1和2，只有满足其要求才能进入下一步。变温准则1的失配温度按下式计算：

TMS-TmCV>X1

(2)

式中：TMS为主蒸汽温度，实际是取高压旁路前主汽温度和主汽门前蒸汽温度测点的较小值；TmCV为主汽调节阀门体积平均温度；X1为随主汽调节阀门体积平均温度变化的限定值。X1准则及对应的失配温度见图2。TMS-TmCV即为主蒸汽温度和主汽调节阀门体积平均温度的失配温度ΔTX1。

图2 X1限定值准则及对应的失配温度

变温准则2的失配温度按下式计算：

TSatSt-TmCV

(3)

式中：TSatSt为主蒸汽压力对应的饱和温度；X2为随主汽调节阀门体积平均温度变化的限定值。X2限定值准则及对应的失配温度见图3。TSatSt-TmCV即为主蒸汽压力对应的饱和温度与主汽调节阀门体积平均温度的失配温度ΔTX2。

图3X2限定值准则及对应的失配温度

打开主汽阀门前，主蒸汽管路一直在对高压旁路进行暖管，同时主汽阀门前的管路上相关的疏水阀门开启，将暖管凝结的疏水排走。由于本机组采用的是主汽调节联合阀门，暖管过程中，蒸汽加热主汽阀门壳壁并不断传热，主汽调节阀门壳壁也被预暖。需要注意防止主汽的过热度不够，一旦开启主汽阀门，蒸汽会在主汽调节阀门腔室凝结，这会使得主汽调节阀门内壁面温度迅速变到蒸汽饱和温度。这对于机组冷态启动会造成热冲击，对于机组极热态启动会造成冷冲击。仅仅通过主汽的过热度(≥30℃)难以满足各种启动工况的需求。为此，设计人员特意设计了变温准则1和变温准则2来保证各种启动工况下主汽调节阀门的应力水平不超限。

对于冷态启动，主汽调节阀门体积平均温度一般比较低，经过预暖过程后，温度一般可以达到200～300 ℃，考虑启动过程主汽温度不会超过额定主汽温度(566 ℃)，只要能满足变温准则1，主汽调节阀门的失配温度就能被控制在40～270 ℃。对于极热态启动，主汽调节阀门体积平均温度一般比较高，经过预暖过程后，温度一般可以达到400～500 ℃，考虑启动过程主汽温度不会超过额定主汽温度(566 ℃)，只要能满足变温准则1，主汽调节阀门的失配温度就能被控制在0～70 ℃。通过变温准则1保证失配温度处于合理范围内，可以防止冷态启动时凝结换热的热冲击，也可以防止热态启动时冷蒸汽的冷冲击。

变温准则2控制主蒸汽压力对应的饱和温度，使其不至于太高，实际就是控制主蒸汽压力，使其不至于太高。变温准则2与变温准则1配合，一起来控制打开主汽阀门前的蒸汽参数。蒸汽的物理特性决定了饱和温度最高为374 ℃，因此，变温准则2的高温段的失配温度虽然数值较大，但无实际意义。

通过变温准则2，对主蒸汽压力对应的饱和温度与主汽调节阀门体积平均温度的失配温度进行控制。需要注意在冷态启动时，如果蒸汽过热度不够大，主汽阀门一旦开启，蒸汽即在主汽调节阀门内部发生凝结，大量凝结放热会引起主汽调节阀门内表面温度快速上升到主蒸汽压力对应的饱和温度。对于极热态启动，主汽调节阀门体积平均温度一般比较高，经过预暖过程后，温度一般可以达到400～500 ℃，不存在蒸汽在主汽调节阀门腔室中凝结的问题。

对于冷态启动，主汽调节阀门体积平均温度一般比较低，经过预暖过程后，温度一般可以达到200～300 ℃，只要满足变温准则2，主汽调节阀门的失配温度就能够控制在100 ℃以内。

在设计变温准则1和变温准则2时，需要考虑机组实际长期运行后，主汽调节阀门的严密性将会下降。一旦开启主汽阀门，必然会有一定蒸汽通过主汽调节阀泄漏到高压缸。冷态启动时，如果主蒸汽的温度不够高，泄漏蒸汽会在高压转子关键部位发生凝结，对高压转子造成热冲击。因此在变温准则1和变温准则2的低温段放大了失配温度值。由于变温准则1和变温准则2控制的主汽调节阀门的失配温度均为正值，对应的主汽调节阀门热应力均为压应力，因此变温准则1和变温准则2设计值对主汽调节阀门的寿命损伤和安全性影响较小。

2.2 变温准则4、5 和6(X4～X6限定值准则)

变温准则4和5主要是为了保护高压转子免受冷冲击，需要在开启主汽调节阀门前不断确认其要求是否得到了满足。变温准则6主要是为了保护中压转子免受冷冲击，需要在开启再热调节阀门前不断确认其要求是否得到了满足。满足上述准则后才能进入下一步。

变温准则4的失配温度按下式计算：

TMS-TSatSt>X4

(4)

式中：X4为随主汽温度和压力变化的限定值。X4限定值准则对应的失配温度见图4。TMS-TSatSt即为主蒸汽温度和主蒸汽压力对应饱和温度的失配温度ΔTX4。

图4X4限定值准则及对应的失配温度

X4限定值准则能够确保主汽调节阀门前的蒸汽具备足够的过热度，避免过热度不够高的蒸汽进入汽轮机高压缸。

变温准则5的失配温度按下式计算：

TMS-TmHPS>X5

(5)

式中：TmHPS为高压转子体积平均温度；X5为随高压转子体积平均温度变化的限定值。X5限定值准则及对应的失配温度见图5。TMS-TmHPS即为主蒸汽温度和高压转子体积平均温度的失配温度ΔTX5。

图5 X5限定值准则及对应的失配温度

X5限定值准则确保主蒸汽的温度比高压转子的体积平均温度高，防止开启主汽调节阀门后汽轮机高压转子出现不必要的冷却。

变温准则6的失配温度按下式计算：

TRS-TmIPS>X6

(6)

式中：TRS为再热蒸汽温度；TmIPS为中压转子的体积平均温度；X6为随中压转子体积平均温度变化的限定值。X6限定值准则及对应的失配温度见图6。TRS-TmIPS即为再热蒸汽温度和中压转子体积平均温度的失配温度ΔTX6。

图6X6限定值准则及对应的失配温度

X6限定值准则确保再热蒸汽的温度比中压转子的体积平均温度高，防止开启再热调节阀门后，汽轮机中压转子出现不必要的冷却。

2.3 变温准则7(X7限定值准则)

变温准则7主要是为了确保机组从启动到达到额定转速的阶段，高压缸已通过低速旋转而充分暖机。只有满足变温准则7才能允许执行下一步操作，即开大主汽调节阀，将机组加速到额定转速。

变温准则7的失配温度按下式计算：

TMS-TmHPS

(7)

式中：X7为随高压转子体积平均温度变化的限定值。X7限定值准则及对应的失配温度见图7。TMS-TmHPS即为主蒸汽温度和高压转子体积平均温度的失配温度ΔTX7。

图7X7限定值准则及对应的失配温度

下一步骤是将机组加速到额定转速，转子必须快速地通过临界转速区域。为此，必须在转子达到临界转速前对高压缸进行充分的暖机，以便减少通过临界转速时机组的整体应力。

X7限定值准则选取的失配温度相对其他准则略大，主要是为了配合转子快速通过临界转速区域。

2.4 变温准则8(X8限定值准则)

变温准则8的失配温度按下式计算：

TRS-TmIPS

(8)

式中：X8为随中压转子体积平均温度变化的限定值。X8限定值准则及对应的失配温度见图8。TRS-TmIPS即为再热蒸汽温度和中压转子体积平均温度的失配温度ΔTX8。

图8X8限定值准则及对应的失配温度

在定速后机组并网带负荷之前，通过X8限定值准则确认汽轮机中压部分暖机是否充分，如果不能满足X8限定值准则，则在本步骤等待中压缸充分预暖。

通常，为了保证发电机按照设定的过程可靠地运行，在发电机同期(发电机与电网系统之间的相序、频率、电压相同)后机组必须带一定的负荷。在同期期间，一些部件将承受较大应力，而变温准则8作为蒸汽温度的一个函数，确保了这些部件在同期之前优先得到充分的预热。在停机期间，中压缸的冷却速度比高压缸更快，而在预热期间，中压缸温度上升比高压缸慢。中压缸如果不能被充分预暖，则会在后续升负荷的最初阶段限制负荷的提升。

为了满足变温准则8，中压缸的预热时间可能较长。在某些情况下，为了使该变温准则更快地得到满足，可采用降低再热蒸汽温度的方式。