660 MW二次再热汽轮机启动步序的逻辑参数优化算法

苏广华

(国能蚌埠发电有限公司)

660 MW汽轮机组是一种高效率的能源转化装置。汽轮机组的二次再热器是整个发电系统的核心，直接影响到整个系统的运行效率和经济性。许多电厂都是依靠操作人员的经验和技术水平控制机组的启停，不仅操作耗时耗力，延长了启动和停止的时间，而且设备会产生较大热应力，缩短汽轮机寿命。

基于此，焦玉雪等[1]研究了太阳能光热发电汽轮机转子热机械应力及启动优化方法，优化不合理的初始启动曲线，缩短无负载的冲转时间。卢平等[2]研究了某660 MW等级核电汽轮机的启动分析方法，通过选择合理的汽轮机冲转参数，确定了启动曲线，并对其进行了典型的启动分析。上述算法虽能够实现启动步序控制，但是存在启动步序较多、时延较长的问题。为此，设计660 MW二次再热汽轮机启动步序的逻辑参数优化算法，期望解决当前存在的问题，为启动步序优化提供新思路。

1 逻辑参数优化算法

设计的汽轮机启动步序逻辑参数优化算法，预先制定自启动步骤，以汽轮机启动时的温度场和应力场数值模拟为基础，保证调节汽门能够开启、汽轮机能够提升到额定转速[3-4]、发电机组能够并网。

1.1 自启动步骤

汽轮机启动经过几个阶段，逻辑上的设计比较复杂，具体为：

(1)汽轮机主体和附属设备进行自我检查，检查各个设备和阀门的状态是否良好[5]，并将所有设备投入联锁状态，以便进行自控；

(2)自动启动油路，打开汽轮机的疏水阀，进行暖管和加热阀的工作；

(3)当锅炉点火后，汽轮机进入启动步序。开启主汽热管阀、主汽门和调节汽门，加热主汽管和主汽门，直到主汽门前的蒸汽温度超过360 ℃，满足X1和X2标准；然后打开SGC TURBINE，按下ON执行启动步序，进入暖阀程序；在主汽温度超过360 ℃、过热度超过30 K时，超高压、中压转子的温度裕度>30 K，达到X4、X5、X6标准，并开启主体疏水阀；

(4)当主汽门处的汽温和压力满足汽轮机启动条件时，首先开启汽轮机的超高压调整汽门，然后开启高、中压调整汽门，进行冲转。DEH的启动程序对汽轮机的升温速率进行控制，同时达到X7标准(870 r/min)[6]。达到X7标准时，控制器会停止加热，并将运转速度提升至标称速度。达到X8标准之前，在额定速度下，如果控制器处于负载状态，则说明设备超出了允许的压力范围；

(5)逐步关闭疏水阀，进行热机，达到X8标准后，发电机进入电网，机组开始加载。

1.2 逻辑参数优化基础工作

首先对汽轮机启动时的温度场和应力场进行数值模拟，然后对转子疲劳情况进行分析[7]。由转子疲劳分析结果可知汽轮机的最优工况参数与剩余寿命，便于正确定义边界条件[8-9]，为后续逻辑参数优化提供基础。

2 优化准则制定

Z准则的目标是避免主蒸汽和再热蒸汽的温度过高。因此，在打开高压主汽门之前，对主蒸汽和再热蒸汽的温度进行判定，防止高温对设备造成损害[10]，标准如下：

TMS>TSat+Zs

(1)

式中：TMS为主蒸汽温度；TSat为主蒸汽的饱和温度；Zs为过热度定值。

X准则的主要内容包括：X1准则，防止出现不正常冷却情况；X2准则，避免温度上升引起过热负载；X3准则，防止终端出现湿蒸汽；X4准则，保护超高压气缸与转子；X5准则，保证暖机正常工作。[11]

其中，X2准则是在高压主汽门开启时，保证阀体温度低于主蒸汽温度，防止高压阀体承受过大的热应力。在实际工况中，蒸汽与调节阀直接接触，阀体表面温度快速上升，内部温度较低，阀体内部热应力较大[12]，为此需要对阀体表面进行温度控制，保证阀体温度低于主蒸汽饱和温度。

基于上述分析，采用X2准则进行计算，将该准则表示为：

TSuMS>THCV50%+.3X2

(2)

式中：TSuMS为主蒸汽的饱和温度；THCV50%为高压阀体的平均温度；X2为允许的上升温度裕度[13-14]。

机组运行中，为了保证暖缸暖机，防止高压阀体承受过大的热应力，主蒸汽温度必须高于汽缸最高金属温度且不超过额定蒸汽温度。但是，使用温度不得超过500～520 ℃，否则应该选择与之匹配的主蒸汽温度。X2标准下的启动步序逻辑函数为：

TMSR>max(THPC,THPS)+X5

(3)

式中：TMSR为入口的主蒸汽温度；max(THPC,THPS)为最大转子的平均温度；X5为额定蒸汽温度与入口蒸汽温度的差值[15]。

基于上述过程，完成对660 MW二次再热汽轮机启动步序的参数优化。

3 实验对比

为验证所研究的660 MW二次再热汽轮机启动步序参数优化方法的应用效果，将太阳能光热发电汽轮机转子热机械应力分析及启动优化方法、某660 MW等级核电汽轮机启动分析方法与文中的设计方法的控制效果进行对比。

3.1 机组参数

以某汽轮机为例，型号：N660-31/600/620/620；型式：超超临界二次再热凝汽式、单轴、四排汽轮机；级数：46级；主蒸汽压力：32.45 MPa；一次再热压力：10.45 MPa；一次再热温度：620 ℃；二次再热温度：620 ℃；旁路及容量：高压旁路40%、中压旁路50%。

3.2 实验结果

三种方法的启动时间、高压第一级平均升温率、最大应力、疲劳寿命损耗和低压转子关键部位最大热机械应力对比结果如图1～5所示。

由图1～5可知，经过文中设计方法优化后，660 MW二次再热汽轮机启动过程表现良好，启动时间降低到100 min以下，最大应力提高到335 MPa以上，低压转子关键部位最大热机械应力降低60%以上，机组的升温率提高到2.2 ℃/min。虽然疲劳寿命损耗率增加到2.8%，但在合理范围内。另外两个方法最大应力均低于330 MPa，并且启动时间高于100 min，启动速度明显慢于文中设计方法。这是因为所设计方法预先提出启动步骤，初始部分严格控制启动步序，然后模拟温度场和应力场，计算汽封的换热系数与调节级叶轮的换热系数，保证调节汽门能够开启、汽轮机能够提升到额定转速、发电机组能够并网；分析转子疲劳情况，为后续逻辑参数优化提供基础；采用X准则、Z准则相结合的方式，优化660 MW二次再热汽轮机启动步序的逻辑参数，有效提高了优化效果。

图2 高压第一级平均升温率对比

图3 最大应力对比

图4 疲劳寿命损耗对比

图5 低压转子关键部位最大热机械应力对比

4 结语

完成660 MW二次再热汽轮机启动步序的逻辑参数优化算法的研究。对温度场和应力场进行数值模拟，采用X准则、Z准则相结合的方式，构建启动步序逻辑函数，匹配自启动步骤。对文中的设计方法进行实验，实验结果证明，汽轮机的启动时间缩短，低压转子关键部位最大热机械应力降低，最大应力和平均升温率升高，提高了汽轮机运行的安全性与可靠性。