50 MW背压机组冷态启动的暖机策略研究

叶 青，徐新果，居国腾，李丰均，孙海龙，姚 坤

(1.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴 312073;2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 前言

汽轮机缸体金属内部存在温度梯度时会产生热应力[1]。特别是在机组冷态启动过程中，汽轮机缸体与蒸汽存在较大温差，而缸温较低，低于金属脆性转变温度，热应力问题更为严重[2]。此外，由于金属导热过程的滞后性，汽缸和转子膨胀量不一致产生胀差过大问题[3]。为了保障机组安全运行，在机组启动时往往需要长时间的暖机过程来保证汽轮机的安全启动，即通过降低温差缓解汽缸热应力和胀差过大问题[4-7]。目前，针对大型汽轮机暖机策略的研究已经较为普遍[8]。例如，一些学者从暖机所需的蒸汽参数入手，通过降低蒸汽参数减少暖机时间[9]。也有一些研究从冷态启动暖机期间出现上下缸大温差问题入手，进行了分析和试验研究，最终提出了针对性的改进措施，取得了较好的改造效果[10]。然而，现有研究主要针对大型机组，对小型机组，特别是50 MW汽轮机组暖机过程的研究较少。实际上，50 MW汽轮机因其独特的设计，其暖机过程较长，一旦不能准确把握机组暖机状态，将会引起汽轮机动静膨胀不均、振动超限等一系列问题。所以，针对50 MW机组暖机状态的监测有较高的研究价值。

本文针对某50 MW机组冷态启动过程中耗时过长且容易产生胀差过大问题，提出多种暖机方案并进行综合对比分析，最终优选出利用中压蒸汽暖机的改造策略，避免因暖机不充分带来的轴振超限等安全问题，提高机组整体运行经济性。

1 50 MW背压机组启动暖机问题分析

(1)启动胀差问题

3号汽轮机大修后冲转并网，历时近40 h，一共冲转了6次(期间闷缸5次)。在第5次冲转时，成功冲到3 000 r/min，此时的缸胀为6.8 mm和7.5 mm，但维持了90 min后，汽轮机#2轴承振动再次突然上升，最终再次打闸闷缸，振动上升前的缸胀为9.5 mm和10 mm。

4号汽轮机大修后冲转至3 000 r/min，历时22个小时，一共冲转3次(期间闷缸2次)。打闸闷缸均由于汽轮机胀差或振动超标。此外，某次该机组在调停后启动并网，并网后缸温、胀差、轴向位移等运行参数正常。在运转1 h后机组#2瓦轴振通频幅值超过135 μm，机组跳闸。汽机跳机后整个惰走过程时间约为8 min。对比其他同类型的三台机组，时间明显偏短。可以得出，由于汽轮机动静发生碰磨，导致转子惰走阻力增大。机组惰走结束后，盘车过程中转子偏心值上下起伏，偏心数据严重超过冲转前数据。

6号汽轮发电机组于试运期间因汽缸膨胀不畅，出现转子动静碰磨导致大轴弯曲事件。

表1 #4机组汽缸偏摆数据

(2)启动汽缸偏摆问题

多台机组的启动过程中均发现汽缸存在向炉侧偏摆的迹象。以#4机组为例，通过安装在汽缸前端的汽缸偏摆监测装置对汽缸偏摆情况进行监测，如表1所示[11]。机组冲转到升负荷阶段，DCS和现场测量的偏摆数据均显示汽缸向右侧(即向锅炉侧)偏摆0.2 mm左右。

2 暖机方式改造优化方案

为有效缓解50 MW机组暖机启动时间过长的问题，需要对现有暖机方式进行优化。暖机方案设计过程中，蒸汽参数的选择性实验为暖机项目的优化提供数据依据。同时，缸体推力分析为暖机速度及暖机方式的选择提供汽轮机接口金属热应力数据，避免因暖机等操作造成蒸汽接口应力超限。

“纵观西方哲学研究，自始至终贯穿着感性与理性、经验主义与唯理主义的争论，这些对立的观点以不同的形式反映在语言研究中，并形成了两种对立的语言研究方法:一种是通过可观察到的语言用法，从外部对语言进行研究;另一种是把语言看作人的天赋能力的一部分，看作人类理性的表现，从人类心智内部研究语言。”［1］“传统语文学、对比语言学、描写语言学主要基于经验主义哲学观，而普遍语法、思辨语法、转换生成语法则主要基于唯理主义。”［2］82

2.1 蒸汽系统改造初步方案设计

机组在冷态启动过程中，不同参数的蒸汽源对应的暖机方法和效果必然存在一定的差异性，为充分对比各蒸汽源的暖机效果，根据蒸汽来源设计相应的蒸汽系统改造方案。下述所有改造方案中，暖机目标温度都为220 ℃，且暖机过程中保持盘车投入。

(1)方案一：高压蒸汽暖机系统

由压力9.1 MPa、温度535 ℃的主蒸汽作为暖机汽源，主蒸汽来源为本机对应的锅炉，通过主蒸汽母管引入。在原有主蒸汽管道的电动隔离门的暖管旁路接入暖机蒸汽系统，并利用调节阀实现流量调节，蒸汽进入汽轮机快速阀和调节阀，实现暖机。暖机过程中，汽缸的排汽管路截止，汽缸内平均压力维持0.98 MPa以下。

(2) 方案二：中压蒸汽暖机系统

由压力3.3 MPa、温度394 ℃的中压供热蒸汽作为暖机的汽源，蒸汽来源为中压供热母管中的蒸汽。蒸汽接至主蒸汽管道电动隔离门后，通过调节阀实现流量调节，蒸汽进入汽轮机快速阀和调节阀，实现暖机。当只有一台机在正常供热时，可从中压供热母管接至需要启动机组的暖机系统上。若四台机都不工作的情况下，先启动锅炉，将主蒸汽减温、减压至中压供热参数，再通过中压供热母管接引至暖机蒸汽系统。暖机时汽缸排汽管路截止。

(3)方案三：低压蒸汽暖机系统

由压力0.98 MPa、温度255 ℃的低压供热蒸汽作为暖机汽源，汽源为低压供热母管或辅助蒸汽。通过调节阀实现流量调节，蒸汽进入汽轮机快速阀和调节阀，实现暖机。暖机时汽缸排汽管路截止。

(4)方案四：暖机过程中，汽缸排汽管路连通，并维持排汽压力50 kPa。

2.2 蒸汽系统改造方案可行性分析

对于方案四，排汽管路不截止汽气缸内维持真空状态。一方面，由于进排汽压差较大，蒸汽的内能更倾向于膨胀做功，内能转化为机械能，使转子加速旋转。为了保证转子转速稳定，通入汽缸用于暖机的蒸汽转化的机械功需少于轴承摩擦耗功与叶片鼓风耗功之和。因此对蒸汽进汽量有限制，这极大的延长了暖机时间；另一方面，50 kPa排汽压力下对应的饱和温度为81.3 ℃，少量蒸汽进入汽缸后，快速膨胀，温度极速降低，在维持小流量和压力不变的情况下，温度基本上维持在81.3 ℃附近，难以达到暖机的效果。此外，管道内负压带来的结构受力方向的改变，可能会带来结构的位移问题。因此，方案四缺乏可行性。

对于方案一、二和三，方案一、二的主要难度在于维持汽缸内平均压力。随着汽缸温度随时间上升，汽缸换热量减少，需要通入的蒸汽流量不断减少。由于方案四缺乏可行性，暖机时间暂不估计。综合分析方案改造后效果如表2所示。

表2 暖机方案关键参数对比分析

需要指出的是，在表2所示模型的分析过程中做出了比较多的假设和简化，实际运行时对流换热系数h会随着流动状态不断变化；各部件的形状会影响温度分布的均匀性；流速较低时，蒸汽会在一些部位形成死腔，间接地影响了换热面积。实际上，汽缸也并不是封闭的系统，在汽封疏水口等位置都与外界连通；汽缸除保温层外，热量还会通过轴承座向两端传递。以上因素都会在实际过程中对闷缸暖机至指定温度的总时间，产生实际的影响。

2.3 不同改造方案应力分析

暖机系统改造会改变汽轮机蒸汽管道受力分布，这种力需要借助管道的支吊架抵消。当改造不合理时，管道固定结构无法抵消作用力，其会通过管道与汽轮机缸体接口传递给汽轮机外缸。对于大型机组，汽轮机缸体自重较大，该力并不足以引起缸体产生位移。然而，对于小型机组，缸体承受外力的能力较差，较大的外力会引起缸体移动，进而引发汽缸偏摆问题。为有效平衡管道作用力，在改造方案设计过程中，需要对比不同改造方案对机体造成的结构应力，充分考虑改造方案可实施性。

方案一采用主蒸汽暖机，对管道布置和支吊点设置如图1所示。主蒸汽母管设置有固定支吊架，主蒸汽以一路管道供至汽轮机基座处，在机头侧的主蒸汽立管设置了Y向限位支架(限制了向锅炉侧正负方向的位移)，管道一分为二后分别接入汽轮机本体的主蒸汽进汽口。

图1 主蒸汽管道平面布置图

方案二中对压供热抽汽管道布置和支吊点设置进行优化。中压供热抽汽管道在汽缸下部引出，接至中压供热母管，按顺序设置了水平限位支架、竖向弹簧支吊架、水平限位支架、竖向吊架以及水平限位支架。三个不同方向水平限位支架的设置，减小了管道热胀对汽轮机接口的推力。

方案三的低压供热排汽管道和支吊点设置也进行了优化。低压排汽接口用于除氧器加热、小汽轮机供汽以及低压供热。在汽缸底部接口引出后，设置了水平限位支架，然后蒸汽一分为二，一部分汇入低压供热母管，另一部分反向往锅炉方向布置，分别引入小汽轮机和除氧器加热蒸汽母管。管道在水平方向上推力均匀，有水平限位支架进行了适当的限制，减小管道对汽机本体的接口推力。

对比分析三种方案可以得出，方案二、三中管道的固定结构较多，其承受管道应力能力较强，后期进行加固改造的施工量较少。因此，从应力分析角度考虑，应优先选择方案二或方案三。

3 改造效益分析

在改造前，平均每次启动时间约42 h，且面临启动失败的风险。对于不同的改造方案，其优化效果如表3所示。为进一步核算出不同改造方案的经济效益，假设节省启动的时间全部用于供热和发电，按每台机组中压供热和低压供热分别162.5 t/h，发电量53.4 MW计算，每次启动节省的启动时间带来每小时供热及发电的效益为7.08万元/h。不同改造方案的经济效益如表3所示。

从表3可以看出，方案二采用中压蒸汽，蒸汽温度适中，暖机时间充足，相比方案一更有利于传热均匀，且经济效益远高于方案三，从当前的效果估算进行比较，方案二是较优的方案。

表3 不同改造方案的预期经济效益

经计算，4台机组按优化方案二进行实施后，每年可节约标准煤1 808 t，间接经济效益达到154万元/年，相应减少CO2排放4 734 t，NOx排放约13.8 t，SOx排放约29 t，具有较大的社会环保效益。

4 结论

本文针对50 MW机组冷态启动的暖机方法进行研究，通过对暖机蒸汽参数和管道热应力分析，综合考虑暖机时长及经济性，优选出最佳的改造方案：由参数为3.3 MPa，394 ℃中压供热蒸汽作为暖机汽源，并充分考虑暖机时汽机对应锅炉的启停状态，通过设置多路汽源保证暖机过程的可实施性。此方法不仅改善了机组暖机耗时，又避免因暖机不充分带来的轴振超限等安全问题，提高机组整体运行经济性，具有较高推广价值。