1 000 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力保護(hù)分析與邏輯配置

程?hào)|科，檀 煒，劉永友

（1.中電電力檢修工程有限公司，上海 200086；2.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086；3.安徽淮南平圩發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232089）

1 000 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力保護(hù)分析與邏輯配置

程?hào)|科1，檀 煒2，劉永友3

（1.中電電力檢修工程有限公司，上海 200086；2.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086；3.安徽淮南平圩發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232089）

隨著火電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的要求也越來越高，其中汽輪機(jī)應(yīng)力控制逐漸成為百萬機(jī)組汽輪機(jī)控制的重要內(nèi)容之一，針對(duì)某發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)應(yīng)力計(jì)算、溫度探頭安裝、應(yīng)力計(jì)算邏輯的實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)力對(duì)機(jī)組升降負(fù)荷裕度的影響進(jìn)行分析，結(jié)合應(yīng)力保護(hù)動(dòng)作的異常事件，就應(yīng)力對(duì)百萬機(jī)組汽輪機(jī)的控制及保護(hù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，為同類型機(jī)組的控制提供參考。

超超臨界；1 000 MW汽輪機(jī)；熱應(yīng)力計(jì)算；保護(hù)邏輯配置

0 引言

某發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)使用北重ALSTOM公司生產(chǎn)的四缸、四排汽、一次再熱反動(dòng)式凝汽汽輪機(jī)，控制系統(tǒng)采用 ALSTOM的P320-V4系統(tǒng)，高壓缸有2個(gè)高壓主汽截止閥、2個(gè)高壓主調(diào)節(jié)閥（MAA11/12AA11）、2個(gè)過載閥（MAA11/12AA113），中壓缸有2個(gè)中聯(lián)主汽截止閥、2個(gè)調(diào)節(jié)閥。

汽輪機(jī)保護(hù)是火電機(jī)組最重要的保護(hù)項(xiàng)目之一，ALSTOM汽輪機(jī)組不僅將應(yīng)力計(jì)算應(yīng)用于汽輪機(jī)啟停及升降負(fù)荷過程中，而且將應(yīng)力作為汽輪機(jī)的重要保護(hù)項(xiàng)目直接作用在汽輪機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)。

金屬部件受熱不均出現(xiàn)溫差就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫差越大熱應(yīng)力也越大。部件加熱時(shí)受到壓縮應(yīng)力，部件冷卻時(shí)受到拉伸應(yīng)力，而壓縮和拉伸應(yīng)力交錯(cuò)循環(huán)將會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生疲勞裂紋，消耗設(shè)備的使用壽命，并逐漸擴(kuò)大直到設(shè)備斷裂失效。汽輪機(jī)在非穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度變化優(yōu)先于轉(zhuǎn)子中心溫度變化，由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子應(yīng)力變化，轉(zhuǎn)子應(yīng)力除了與溫度有關(guān)外還與轉(zhuǎn)子的幾何尺寸、材質(zhì)等相關(guān)。

控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力的最好方法就是控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)外溫差，減緩轉(zhuǎn)子的升、降溫速率，根據(jù)汽輪機(jī)控制的要求建立應(yīng)力控制模型，對(duì)汽輪機(jī)啟停過程中的速率以及變負(fù)荷率進(jìn)行控制，有效地保護(hù)汽輪機(jī)的安全，延長(zhǎng)汽輪機(jī)的使用壽命。

1 轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力檢測(cè)機(jī)理

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，測(cè)量其表面溫度，特別是轉(zhuǎn)子的中心溫度十分困難。以高壓缸為例，應(yīng)力溫度測(cè)點(diǎn)安裝在高壓缸內(nèi)缸進(jìn)汽口處，探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，應(yīng)力溫度組件通過高壓缸內(nèi)缸和外缸之間的套筒安裝在內(nèi)缸壁上，探頭頭部距離高壓內(nèi)缸內(nèi)表面的距離為5 mm，高壓缸內(nèi)壁與高壓缸進(jìn)汽直接接觸，高壓轉(zhuǎn)子表面同樣與高壓缸進(jìn)汽直接接觸，該測(cè)點(diǎn)溫度近似于高壓缸轉(zhuǎn)子表面溫度。溫度探頭安裝到位后將溫度探頭和彈簧盤焊接在一起防止探頭在套管內(nèi)晃動(dòng)，在彈簧盤后元件有一個(gè)S彎防止探頭因膨脹或收縮而損壞。

熱應(yīng)力是由溫差引起的，熱應(yīng)力大小與溫差成正比，表達(dá)式為：

δ=K（Te-Tm） ， （1）

式中：δ為轉(zhuǎn)子表面熱應(yīng)力；Te為轉(zhuǎn)子表面溫度；Tm為轉(zhuǎn)子平均溫度；K為比例系數(shù)。轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度是高壓缸轉(zhuǎn)子表面溫度經(jīng)過時(shí)間延時(shí)模塊T近似計(jì)算得到的，時(shí)間延時(shí)模塊T是ALSTOM公司設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、仿真及工程實(shí)踐得到。

ALSTOM汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布根據(jù)反動(dòng)葉柵進(jìn)口蒸汽溫度計(jì)算獲得，在危險(xiǎn)區(qū)的最大許用應(yīng)力以參考曲線形式給出，同時(shí)實(shí)際應(yīng)力狀況根據(jù)汽輪機(jī)熱力場(chǎng)計(jì)算模型獲得。

由于運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子表面溫度不能被測(cè)量，汽缸內(nèi)缸表面溫度作為相應(yīng)汽缸轉(zhuǎn)子表面溫度的參考溫度。在應(yīng)力計(jì)算中從轉(zhuǎn)子表面基準(zhǔn)溫度計(jì)算轉(zhuǎn)子溫度分布，從而計(jì)算轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力有不同權(quán)重，這些應(yīng)力（包括拉應(yīng)力、正應(yīng)力，其它應(yīng)力如瞬時(shí)離心力）以不同的權(quán)重合成相應(yīng)的表面基準(zhǔn)應(yīng)力。轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力與轉(zhuǎn)子材料和溫度相關(guān)的應(yīng)力限制曲線作對(duì)比，得出實(shí)際計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力的百分?jǐn)?shù)，即相對(duì)應(yīng)力。壓應(yīng)力和拉應(yīng)力有不同權(quán)重，這些應(yīng)力（包括拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、其它應(yīng)力如瞬時(shí)離心力）以不同的權(quán)重合成，轉(zhuǎn)子表面應(yīng)與轉(zhuǎn)子材料和溫度相關(guān)的應(yīng)力限制曲線作對(duì)比，得出實(shí)際計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力的百分?jǐn)?shù)，即相應(yīng)力。

汽輪機(jī)升速和帶負(fù)荷的裕度，依據(jù)實(shí)際應(yīng)力由應(yīng)力計(jì)算模型獲得，表示瞬間應(yīng)力到許用應(yīng)力限制的距離。只要相對(duì)應(yīng)力小于60%，裕度即為100%，當(dāng)相對(duì)應(yīng)力在60%～100%時(shí)裕度從100%減至0%，當(dāng)相對(duì)應(yīng)力大于100%時(shí)裕度開始變成負(fù)值，即應(yīng)力已超過最大設(shè)定點(diǎn)（控制限），為了限制應(yīng)力繼續(xù)增大，控制系統(tǒng)將進(jìn)行干預(yù)，其應(yīng)力計(jì)算過程模型如圖2所示。

2 轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力保護(hù)邏輯配置

圖1 溫度探頭結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)子應(yīng)力保護(hù)條件設(shè)置

ALSTOM公司P320-V4保護(hù)控制系統(tǒng)采用3個(gè)獨(dú)立的控制器控制3個(gè)跳閘電磁閥，組成硬件的三取二跳機(jī)邏輯，正常情況下3個(gè)跳閘電磁閥都帶電，任意2個(gè)控制器動(dòng)作，電磁閥失電汽機(jī)跳閘。高壓缸應(yīng)力保護(hù)由高壓缸轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力值與當(dāng)前工況下高壓缸應(yīng)力控制值進(jìn)行比較，結(jié)果輸出至保護(hù)控制器STP A/B/C，邏輯運(yùn)算結(jié)果，分別作用于3個(gè)跳閘繼電器。高壓缸應(yīng)力保護(hù)動(dòng)作條件如下：

（1）高壓缸應(yīng)力實(shí)際值超過102%，延時(shí)5 min動(dòng)作。

（2）高壓缸冷卻（降溫）過程中，高壓缸應(yīng)力超過105%，無延時(shí)動(dòng)作。

（3）高壓缸加熱（升溫）過程中，高壓缸應(yīng)力超過105%，延時(shí)1 min動(dòng)作。

2.2 應(yīng)力計(jì)算流程及保護(hù)邏輯配置

高壓缸表面應(yīng)力值由高壓缸應(yīng)力溫度測(cè)點(diǎn)（3只）平均值，經(jīng)過不同時(shí)間（5 345.7 s，1 014.6 s，412.8 s，222.3 s，55.6 s）的積分，分別乘以相應(yīng)系數(shù)（-0.689，-0.138，-0.048，-0.041，-0.252），累計(jì)相加后得到高壓缸表面應(yīng)力，高壓缸表面應(yīng)力與高壓缸應(yīng)力計(jì)算溫度參考值之和經(jīng)過跟蹤積分運(yùn)算得出高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度，計(jì)算流程見圖3。

高壓缸表面應(yīng)力乘以系數(shù)1.413后進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算，經(jīng)過限制器（上限1 000℃、下線0℃）計(jì)算出高壓缸轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力值，見圖4。

高壓缸應(yīng)力控制值產(chǎn)生過程：

（1）在降溫冷卻過程中，高壓缸應(yīng)力計(jì)算值為恒定值35。

（2）在機(jī)組發(fā)生RB工況時(shí)，高壓缸應(yīng)力計(jì)算值為120。

（3）高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度經(jīng)過限制器（上限605℃、下限20℃）與高壓缸應(yīng)力計(jì)算參考溫度進(jìn)行F（x，y）運(yùn)算得出高壓缸應(yīng)力正常限制值。

以上3個(gè)運(yùn)算結(jié)果取大值進(jìn)行跟蹤積分計(jì)算，經(jīng)過限制器（上限300℃、下限10℃）后進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算得出高壓缸應(yīng)力控制值，見圖5。該F（x，y）函數(shù)在升溫加熱過程中使用，高壓缸應(yīng)力控制值為可變參數(shù)。

2.3 負(fù)荷裕度計(jì)算邏輯配置

圖2 應(yīng)力計(jì)算過程模型結(jié)構(gòu)

圖3 高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫差計(jì)算流程

高壓缸轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力值除以高壓缸應(yīng)力控制值所得商的百分?jǐn)?shù)，經(jīng)過限制器（上限125%、下限0%）后得出高壓缸參考應(yīng)力。高壓缸參考應(yīng)力經(jīng)過F3（x）函數(shù)運(yùn)算，得出高壓缸抗張力情況下的高壓缸減負(fù)荷裕度和高壓缸非抗張力情況下的高壓缸增負(fù)荷裕度，見圖6。

在高排壓力限制器未激活的情況下，高壓缸增負(fù)荷裕度經(jīng)過跟蹤積分運(yùn)算，限制器（上限100%、下限-100%）后，得出升負(fù)荷速率限制，若升負(fù)荷速率限制小于-0.1%則直接將目標(biāo)負(fù)荷置為-3%。高壓缸減負(fù)荷裕度進(jìn)行跟蹤積分運(yùn)算，經(jīng)過限制器（上限100%、下限-100%），得出降負(fù)荷速率限制。

升負(fù)荷速率裕度或降負(fù)荷速率裕度經(jīng)過絕對(duì)運(yùn)算，乘以運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定的升負(fù)荷率（上限20%/min、下限0%/min），得到變負(fù)荷率。

變負(fù)荷率直接作用在自動(dòng)控制器的負(fù)荷設(shè)定點(diǎn)上，通過負(fù)荷設(shè)定值，最終調(diào)整汽機(jī)調(diào)門開度指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷變化的控制。

3 轉(zhuǎn)子應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

圖4 高壓缸轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力計(jì)算流程

圖5 高壓缸應(yīng)力控制值計(jì)算流程

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間，汽輪機(jī)經(jīng)過充分暖機(jī)，應(yīng)力基本為零，穩(wěn)定不變。在機(jī)組啟停及負(fù)荷快速變化期間，由于主汽溫度、主汽壓力、特別是應(yīng)力溫度的快速大幅變化，應(yīng)力值會(huì)快速大幅變化，甚至超過應(yīng)力變化允許值，可能導(dǎo)致機(jī)組跳閘。如圖7所示，汽機(jī)轉(zhuǎn)速從0 r/min升至3 000 r/min、高調(diào)閥開至26%、主汽壓力從6.3 MPa升至7.0 MPa、應(yīng)力溫度從56℃升至215℃，實(shí)際應(yīng)力值從0升至80%，機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)全過程的應(yīng)力變化情況得到了正確的顯示，監(jiān)控保護(hù)功能運(yùn)行正常。

圖8曲線為機(jī)組啟動(dòng)帶負(fù)荷及正常工況下加負(fù)荷階段的運(yùn)行趨勢(shì)，機(jī)組主要參數(shù)無大幅快速變化，機(jī)組應(yīng)力控制基本平穩(wěn)，未出現(xiàn)由應(yīng)力大而限制增加負(fù)荷的情況。在機(jī)組負(fù)荷從10 MW正常升至385 MW期間，主汽壓力從6.4 MPa升至13.2 MPa、高調(diào)閥從27%開至51%、應(yīng)力溫度從258℃升至393℃、實(shí)際應(yīng)力值從47%升至62%。在機(jī)組負(fù)荷從663 MW升至802 MW期間，由于主汽壓力上升得太快，造成高調(diào)閥關(guān)，應(yīng)力溫度降低，應(yīng)力值升高，主汽壓力從18.3 MPa升至23.7 MPa、高調(diào)門從67%關(guān)至53%、應(yīng)力溫度從523℃降至496℃、實(shí)際應(yīng)力值從3%升至53%。

ALSTOM機(jī)組的閥門控制是基于DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）流量和壓力的綜合計(jì)算結(jié)果來實(shí)現(xiàn)的，在壓力突然升高時(shí)會(huì)加劇閥門的關(guān)閉，轉(zhuǎn)子會(huì)處于冷卻狀態(tài)而產(chǎn)生冷卻應(yīng)力。由于該機(jī)組對(duì)冷卻應(yīng)力非常敏感，在參數(shù)控制上盡量避免冷應(yīng)力的出現(xiàn)，在事故情況下盡可能地調(diào)整主汽壓力保持穩(wěn)定，由DEH控制切至本地控制時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力溫度與轉(zhuǎn)子表面溫差的監(jiān)視，通過對(duì)汽機(jī)調(diào)門的控制配合鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行工況。

4 結(jié)語

圖6 高壓缸增減負(fù)荷裕度計(jì)算邏輯

圖7 機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過程應(yīng)力變化曲線

結(jié)合某發(fā)電廠百萬機(jī)組汽輪機(jī)應(yīng)力控制的模型及邏輯組成對(duì)ALSTOM汽輪機(jī)應(yīng)力控制進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，該汽輪機(jī)應(yīng)力控制模型在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，在應(yīng)力不超過允許值的情況下，加快了汽輪機(jī)啟停和負(fù)荷變動(dòng)的速度，縮短了機(jī)組啟停時(shí)間，減少了機(jī)組啟停及大幅度變負(fù)荷過程中對(duì)汽輪機(jī)材質(zhì)的損害，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命，提高了機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性。

圖8 機(jī)組升負(fù)荷過程應(yīng)力變化曲線

[1]李維特，黃保海.熱應(yīng)力理論分析及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]張鋼.基于DCS的汽輪機(jī)在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)[J].浙江電力，2012，31（3）∶56-59.

（本文編輯：張 彩）

Rotor Stress Protection Analysis and Logic Configuration of 1 000 MW Ultra-supercritical Steam Turbine

CHENG Dongke1，TAN Wei2，LIU Yongyou3

（1.China Power International Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200086，China；2.China Power Huachuang Electricity Technology Research Co.，Ltd.，Shanghai 200086，China; 3.Anhui Huainan Pingwei Power Generation Co.，Ltd.，Huainan Anhui 232089，China）

With the increase of unit capacity of thermal power units，requirements for steam turbine control system are also getting higher，of which steam turbine stress control has become one of an important part of 1 000 MW steam turbine control.This paper analyzes the stress calculation of 1 000 MW turbines，temperature probe arrangement，stress calculation logic implementation and effect of stress on the unit load margin.In combination with abnormalities of stress protection action，the stress control and protection of the 1 000 MW steam turbine are analyzed and optimized to provide a reference for the control of the same type units.

ultra-supercritical；1 000 MW steam turbine；thermal stress calculation；protection logic configuration

TK39

B

1007-1881（2016）10-0043-06

2016-08-26

程?hào)|科（1963），男，工程師，從事電站技術(shù)管理、電站檢修管理、海內(nèi)外電站項(xiàng)目管理等工作。