龍口公司220 MW汽輪機(jī)停機(jī)后的快速冷卻

張永清

(華電龍口發(fā)電股份有限公司，山東 煙臺(tái) 265700)

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龍口公司220MW汽輪機(jī)停機(jī)后的快速冷卻

張永清

(華電龍口發(fā)電股份有限公司，山東 煙臺(tái) 265700)

以龍口公司220MW汽輪機(jī)為例，分析了汽輪機(jī)停機(jī)后根據(jù)需要進(jìn)行快速冷卻的積極意義，介紹了汽輪機(jī)快冷系統(tǒng)選擇方案及停機(jī)后的快速冷卻技術(shù)。通過(guò)汽輪機(jī)停機(jī)后快冷應(yīng)用情況的分析說(shuō)明，肯定了停機(jī)后進(jìn)行快速冷卻的安全性，并且證明了其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。

汽輪機(jī)；快速冷卻；停機(jī)

由于大型汽輪機(jī)具有參數(shù)高、熱容量大等特點(diǎn)，加之目前優(yōu)質(zhì)保溫材料的使用，使得停機(jī)后的自然冷卻速度緩慢，等待冷卻的時(shí)間大大增加，延長(zhǎng)了檢修時(shí)間，特別是機(jī)組故障停機(jī)后的檢修時(shí)間。因此，汽輪機(jī)停機(jī)后的快速冷卻具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。大型汽輪機(jī)停機(jī)后冷卻到停盤(pán)車溫度150 ℃以下，若采用自然冷卻方式，一般需要4～6d的時(shí)間，甚至更長(zhǎng)；若實(shí)施快速冷卻，一般可縮短3～4d，甚至更多。同時(shí)，采用電加熱壓縮空氣進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)的快冷系統(tǒng)，利用熱空氣對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行加熱、干燥保養(yǎng)，可以防止汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后所受到的嚴(yán)重腐蝕。目前，汽輪機(jī)停機(jī)后的快速冷卻技術(shù)已在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

1　汽輪機(jī)快速冷卻系統(tǒng)的選擇

1.1汽輪機(jī)停機(jī)后的現(xiàn)狀

汽輪機(jī)停機(jī)過(guò)程是一個(gè)冷卻過(guò)程，隨著金屬溫度的下降會(huì)出現(xiàn)熱變形與熱應(yīng)力，正常停機(jī)時(shí)要逐漸降低蒸汽流量與狀態(tài)參數(shù)。停機(jī)之后還要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間盤(pán)車，等待機(jī)組自然冷卻，待高、中壓缸的金屬溫度下降到150 ℃以下時(shí)，才允許停盤(pán)車檢修。如果要揭缸檢修，還要待汽缸溫度降到100 ℃以下。

汽輪機(jī)停機(jī)方式有額定參數(shù)停機(jī)和滑參數(shù)停機(jī)之分。龍口公司的220MW機(jī)組采用滑參數(shù)停機(jī)，按規(guī)程規(guī)定滑降參數(shù)，待主蒸汽壓力達(dá)到2.4MPa、主蒸汽溫度達(dá)到260 ℃、負(fù)荷達(dá)到約30MW時(shí)，將負(fù)荷減至0MW，打閘、解列停機(jī)。這時(shí)，高、中壓缸金屬溫度降至約260 ℃，自然冷卻到150 ℃約需要5d時(shí)間。由于小修停機(jī)時(shí)需要考慮將鍋爐原煤倉(cāng)燒空等因素，加之低負(fù)荷、低參數(shù)下鍋爐燃燒不易控制，助燃油消耗量大等影響，滑參數(shù)停機(jī)時(shí)經(jīng)?；疗诇囟燃s310 ℃，即打閘停機(jī)，這種情況下自然冷卻到150 ℃需要約6d。

停機(jī)之后采用電加熱空氣對(duì)220MW汽輪機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，可以使高壓缸金屬溫度平均冷卻速度由1.05～1.13 ℃/h提高至6～12 ℃/h，對(duì)于故障停機(jī)(汽缸溫度為500 ℃)，冷卻時(shí)間可縮短至2d左右，從而使機(jī)組提前投入運(yùn)行。

1.2快冷方式的選擇

確定冷卻方法時(shí)要考慮兩個(gè)主要因素:一是冷卻介質(zhì)的選擇；二是冷卻方式的選擇。

選擇冷卻介質(zhì)應(yīng)遵守下列幾項(xiàng)原則:

1)冷卻介質(zhì)流過(guò)金屬表面時(shí)，既要有合理的傳熱效果，又要使冷卻介質(zhì)與金屬溫差保持在合理的范圍之內(nèi)，確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大熱應(yīng)力與負(fù)脹差；

2)盡量簡(jiǎn)化和利用原有熱力系統(tǒng)；

3)進(jìn)行快速冷卻時(shí)，其運(yùn)行操作應(yīng)能更簡(jiǎn)便，以防止誤操作引起事故。

無(wú)論是采用壓縮空氣還是蒸汽，只要溫度、流量控制得合適，都可以達(dá)到快速冷卻的目的。利用壓縮空氣冷卻時(shí)，流量對(duì)于金屬的冷卻速度具有決定性影響，流量越大，冷卻速度越快，熱應(yīng)力越大。

選擇冷卻方式時(shí)要考慮兩個(gè)方案:一是高、中壓缸順流冷卻；二是高壓缸逆流冷卻，中壓缸順流冷卻。順流冷卻時(shí)，冷卻介質(zhì)首先進(jìn)入高溫部件，溫差大，熱應(yīng)力大；逆流冷卻時(shí)，冷卻介質(zhì)先接觸汽缸溫度較低的部分，待其到達(dá)高溫部分時(shí)，冷卻介質(zhì)吸收了金屬熱量，溫度有所升高，使得溫差小，熱應(yīng)力小。

當(dāng)采用低參數(shù)蒸汽或空氣對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行快速冷卻時(shí)，汽缸及轉(zhuǎn)子上的熱應(yīng)力均小于材料的疲勞強(qiáng)度，在技術(shù)上都是可行的。在相同的條件下，當(dāng)采用蒸汽作為冷卻介質(zhì)時(shí)，其換熱系數(shù)大，金屬冷卻速度略高于壓縮空氣，但其對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱應(yīng)力比采用壓縮空氣時(shí)要大；從運(yùn)行操作方面來(lái)說(shuō)，采用壓縮空氣作冷卻介質(zhì)更安全、更簡(jiǎn)便。在確定冷卻方案時(shí)，從熱力的角度來(lái)說(shuō)，采用高壓缸逆流冷卻、中壓缸順流冷卻方式時(shí)，其介質(zhì)對(duì)汽缸及轉(zhuǎn)子的熱沖擊更小、更易控制。因此，采用高壓缸逆流、中壓缸順流的冷卻方式較為合理。

2　快速冷卻系統(tǒng)

2.1設(shè)備簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)采用北京重型電機(jī)廠生產(chǎn)的N220-12.75/535/535型超高壓、中間再熱、三缸三排汽凝汽式汽輪機(jī)。高壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，中壓缸為單層缸結(jié)構(gòu)，高、中壓缸均設(shè)有法蘭螺栓加熱裝置，高壓缸還設(shè)有內(nèi)外缸夾層加熱裝置。通流級(jí)數(shù)為高壓1+11級(jí)、中壓15級(jí)、低壓2×5級(jí)，共計(jì)37級(jí)。

該汽輪機(jī)快冷裝置采用江蘇省揚(yáng)中市通成電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TDSK型，主要由空氣過(guò)濾器、壓縮空氣電加熱器、集氣箱、管路系統(tǒng)和控制柜、底座等組成。從空壓機(jī)來(lái)的壓縮空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器除去水、油、塵埃等雜質(zhì)后，通過(guò)電加熱器加熱至所需要的溫度，再進(jìn)入集氣箱進(jìn)行分配，最后進(jìn)入汽輪機(jī)高、中壓缸進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。空氣加熱裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　空氣加熱裝置主要技術(shù)參數(shù)

壓縮空氣的溫度通過(guò)溫控儀進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。通過(guò)改變電加熱器電壓來(lái)調(diào)節(jié)電加熱器的輸入功率，以自動(dòng)控制壓縮空氣的溫度，從而控制汽缸金屬溫度的下降速度。

2.2高壓缸逆流和中壓缸順流的冷卻系統(tǒng)

從空壓機(jī)來(lái)的壓縮空氣經(jīng)108×4mm壓縮空氣母管至空氣過(guò)濾器，在空氣過(guò)濾器中除掉空氣中的水、油、塵埃等雜質(zhì)?？諝膺^(guò)濾器出口的空氣經(jīng)過(guò)一級(jí)、二級(jí)空氣加熱器加熱后進(jìn)入集氣箱。

1)中壓缸冷卻

集氣箱出口至中壓缸的熱空氣直接通過(guò)中壓主汽門(mén)后的導(dǎo)氣管和中壓調(diào)門(mén)順流進(jìn)入中壓缸，從六抽逆止門(mén)前排的大氣管及凝汽器真空破壞門(mén)處排入大氣。

2)高壓缸快冷

集氣箱出口進(jìn)入高壓缸的空氣又分為兩路：一路經(jīng)89×4.5mm管道進(jìn)入高壓缸排汽逆止門(mén)前進(jìn)入高壓缸，逆流冷卻高壓缸通流部分，然后分別從電動(dòng)主閘門(mén)后的疏水口和高壓內(nèi)外缸夾層加熱進(jìn)汽聯(lián)箱的疏水口處排入大氣；另一路進(jìn)入高、中壓缸法蘭螺栓加熱排汽聯(lián)箱，逆流經(jīng)過(guò)高、中壓缸法蘭螺栓加熱系統(tǒng)，冷卻后，從混溫聯(lián)箱的疏水口處排入大氣，該過(guò)程如圖1所示。

圖1　220 MW汽輪機(jī)快冷系統(tǒng)流程

2.3快速冷卻系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)和布置應(yīng)注意的問(wèn)題

1)壓縮空氣進(jìn)入快速冷卻系統(tǒng)前應(yīng)使其先經(jīng)過(guò)干燥；

2)為保證快冷空氣量，氣源取快冷專用壓縮空氣母管；

3)在高、中壓缸冷卻空氣入口門(mén)前設(shè)置Dg32排空氣門(mén)，用于送入空氣后進(jìn)行沖管與暖管；

4)熱空氣管道要敷設(shè)保溫材料；

5)空氣系統(tǒng)的管道和閥門(mén)在選材和選型時(shí)，要綜合考慮機(jī)組在各種工況下壓力及溫度的要求；

6)快冷系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，利用原有測(cè)量溫度的裝置監(jiān)測(cè)溫度。

3　快冷實(shí)際投運(yùn)分析

3.1快速冷卻前應(yīng)具備的條件

1)汽機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)及盤(pán)車運(yùn)行正常；

2)差脹、軸向位移、大軸彎曲度、汽缸上下溫差、法蘭溫差等參數(shù)在規(guī)程允許范圍內(nèi)；

3)空氣加熱裝置試驗(yàn)良好；

4)機(jī)組停運(yùn)后，主蒸汽和再熱蒸汽管道、汽缸本體及各段抽汽管道應(yīng)充分疏水；

5)停機(jī)后真空到0，開(kāi)啟真空破壞門(mén)，停止軸封系統(tǒng)運(yùn)行；

6)在汽輪機(jī)打閘20h后，且保證高壓內(nèi)缸的內(nèi)上壁溫度下降至280 ℃以下時(shí)，方可允許投入汽輪機(jī)強(qiáng)冷，否則必須經(jīng)過(guò)總工程師或生產(chǎn)副總經(jīng)理的批準(zhǔn)；

7)保持一臺(tái)EH供油泵正常運(yùn)行；

8)保證高壓缸排汽逆止門(mén)已嚴(yán)密關(guān)閉，并關(guān)閉再熱器的向空排汽門(mén)；

9)快冷投入過(guò)程中要保證低壓缸的排氣溫度不超過(guò)50 ℃。

3.2快冷系統(tǒng)投運(yùn)中應(yīng)注意的問(wèn)題

1)通過(guò)調(diào)節(jié)快冷裝置的供氣流量和溫度，控制汽缸金屬溫度下降速度為6～12 ℃/h，確保汽輪機(jī)的差脹及各部件的溫差處于正常范圍。

2)加熱器出氣溫度的設(shè)定和調(diào)整要求如下:

①加熱器出氣溫度不超過(guò)350 ℃，集氣箱出口氣溫與高壓缸排汽口溫度、中壓缸進(jìn)口處內(nèi)壁溫度之差控制在100 ℃以下；

②根據(jù)缸溫溫降的具體情況，重新設(shè)定加熱器出氣溫度，調(diào)整進(jìn)入高、中壓缸的氣流流量，保證整個(gè)冷卻過(guò)程中的溫降率穩(wěn)定；

③當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)處金屬溫度與高壓缸出氣溫度的差值增大時(shí)，可適當(dāng)關(guān)小高壓缸出氣門(mén)或提高高壓缸的進(jìn)氣溫度。

3)冷缸過(guò)程中應(yīng)注意低壓缸的溫度和壓力，必要時(shí)采用噴水冷卻方式，以保證低壓缸不超溫，低壓缸安全閥不動(dòng)作。

4)冷卻過(guò)程中如溫差、脹差等參數(shù)超限時(shí)，應(yīng)暫?？炖湎到y(tǒng)或調(diào)整空氣的流量與溫度，待溫差、脹差恢復(fù)正常后再繼續(xù)。

5)快冷投運(yùn)過(guò)程中，定期打開(kāi)疏水門(mén)，疏掉積水后及時(shí)關(guān)閉。

6)快冷裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)斷電或跳閘情況時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉集氣箱至高、中壓缸一次門(mén)，開(kāi)啟集氣箱排大氣門(mén)，防止汽輪機(jī)過(guò)冷卻。

7)保證快冷裝置上壓縮空氣的進(jìn)氣壓力在0.1MPa以上，否則快冷控制裝置會(huì)跳閘。

以龍口公司3#機(jī)組為例，在投入運(yùn)行時(shí)對(duì)上、下缸的溫差、脹差、晃動(dòng)以及盤(pán)車等進(jìn)行了監(jiān)控，并對(duì)壓縮空氣進(jìn)氣管進(jìn)行了充分地疏水，然后打開(kāi)真空破壞門(mén)，把快冷出口氣溫調(diào)至設(shè)定值，關(guān)閉導(dǎo)汽管至凝汽器的疏水門(mén)，關(guān)閉中壓主汽門(mén)和EH油進(jìn)油門(mén)。啟動(dòng)EH供油泵，掛閘，開(kāi)啟高壓主汽門(mén)，關(guān)閉中壓主汽門(mén)。將DEH置于“手動(dòng)”位置，開(kāi)啟高、中壓調(diào)速汽門(mén)。將高壓缸排汽逆止門(mén)控制開(kāi)關(guān)打至“關(guān)閉”位置，打開(kāi)高、中壓缸的快冷進(jìn)氣門(mén)，對(duì)汽缸進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

3.3投運(yùn)結(jié)果分析

1)高壓缸第一級(jí)的金屬溫度從280 ℃下降至150 ℃，自然冷卻時(shí)間需要123.5h，投快冷降溫需要18.5h，投快冷可縮短105h，其平均溫降率為7.03 ℃/h。

2)中壓缸上缸的金屬溫度從266 ℃降至150 ℃，自然冷卻時(shí)間需要15.5h，投快冷降溫需要14.5h。平均溫降率為8 ℃/h。

3)高壓缸上、下缸的溫差在-7～14 ℃范圍內(nèi)變化，其溫差值是小的；而中壓缸溫差保持在一個(gè)較高水平，一般控制在42 ℃以內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)44 ℃ 的溫差，出現(xiàn)這種情況的主要原因之一是在高、中壓缸同時(shí)投入快冷時(shí)，進(jìn)氣量不足。

4)通過(guò)數(shù)次快冷的投用，發(fā)現(xiàn)中壓缸的自然冷卻時(shí)間明顯短于高壓缸投快冷的降溫時(shí)間，且中壓缸自然冷卻時(shí)間與投快冷降溫時(shí)間接近(冷卻氣出自同一集氣箱，需要照顧到高壓缸的冷卻速度和足夠的空氣流量)。故中壓缸可不用投入快冷裝置，也能跟上高壓缸的快冷降溫速度，這是因?yàn)橹袎焊资菃螌痈?，且缸壁較薄，自然降溫散熱性能較好，而且這也是中壓缸上、下缸溫差較高的另外一個(gè)原因。停機(jī)中需要加強(qiáng)監(jiān)視，做好防止汽缸進(jìn)冷水、冷汽的隔離措施。

5)在快冷試驗(yàn)中，高、中、低壓差脹均在規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)。

投入快冷裝置可以使降溫過(guò)程縮短105h，大大縮短了停機(jī)時(shí)間，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的：假設(shè)機(jī)組的負(fù)荷率為80%，因?yàn)榭炖溲b置的投入可以多發(fā)的電量為

22×80%×105=1 848 (萬(wàn)kW·h)

這巨大的經(jīng)濟(jì)效益與整個(gè)快冷裝置的30萬(wàn)元投資相比是很合算的，而且這只是計(jì)算了在3#機(jī)組投運(yùn)一次的經(jīng)濟(jì)效益，若3#機(jī)組每年按計(jì)劃小修2次計(jì)算，加上平時(shí)的臨修、搶修，則每年多發(fā)的電量可以達(dá)到3 000～4 000萬(wàn)kW·h。如果再加上4#、5#、6#機(jī)組的投運(yùn)，則每年可以多發(fā)的電量將會(huì)達(dá)到1.5億kW·h。

從試驗(yàn)結(jié)果看，高壓缸溫降率為7.03 ℃/h，中壓缸溫降率為8 ℃/h，溫降率處于6～12 ℃/h的安全范圍之內(nèi)。因此，只要溫差、差脹等指標(biāo)在控制范圍內(nèi)，該套快冷裝置的控制性能完全滿足安全要求，其所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也是顯著的。

4　結(jié)　論

1)利用壓縮空氣使汽輪機(jī)在停機(jī)后快速冷卻的方法簡(jiǎn)單，操作方便，安全可靠，便于運(yùn)行人員掌握，且冷卻效果非常明顯。

2)由于采用了電加熱器，空氣溫度可根據(jù)當(dāng)時(shí)的汽缸金屬溫度靈活調(diào)節(jié)，使之相匹配，從而避免或減少了對(duì)汽缸金屬產(chǎn)生的熱沖擊，可以做到全程均勻冷卻，對(duì)機(jī)組的壽命影響最小。

3)采用空氣快冷的缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)要求配有大型空壓機(jī)房并增設(shè)一定的壓縮空氣管道，增加一定的系統(tǒng)投資。另外，在缸溫?zé)釕B(tài)或極熱態(tài)時(shí)，投入快冷會(huì)對(duì)汽輪機(jī)金屬產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，從而影響機(jī)組壽命，故過(guò)高缸溫時(shí)盡量不投用快冷裝置。

4)由于汽機(jī)空氣快冷裝置的使用，可以及時(shí)地在預(yù)定時(shí)間內(nèi)消除缺陷，從而縮短工期,及早投運(yùn)發(fā)電，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

[1]電力工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)導(dǎo)小組.DL/T608-1996.200MW級(jí)汽輪機(jī)運(yùn)行導(dǎo)則[S].1996.

[2]王國(guó)清.汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行技術(shù)問(wèn)答[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[3]席洪藻.汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行[M].(第2版).北京：水利電力出版社，1996.

[4]朝陽(yáng)發(fā)電廠，西安熱工研究所.20萬(wàn)千瓦汽輪機(jī)的運(yùn)行[M].北京：水利電力出版社，1997.

[5]孟召軍，王光定，孟帥.超超臨界600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)溫度場(chǎng)的分析[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014,10(3)：217-220.

(責(zé)任編輯張凱校對(duì)佟金鍇)

220MWSteamTurbineRapidCoolingAfterShutdowninLongkouPowerCompany

ZHANGYong-qing

(HuadianLongkouPowerGenerationCo.,LTD,Yantai265700,ShandongProvince)

Thesignificanceofsteamturbinerapidcoolingaftershutdownwasillustratedinthispaper.Thesteamturbinefastcoolingsystemoptionsandrapidcoolingtechnologywerealsoanalyzedbytheexampleofthe220MWUnitinLongkouCompany.Theapplicationanalysisofrapidcoolingaffirmedthesafetyandtheeconomicbenefitwiththerapidcoolingtechnologyaftershutdown.

steamturbine;rapidcoolingtechnology;shutdown

2016-04-24

張永清(1979)，男，山東榮成人，工程師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.03.006

TK26

A

1673-1603(2016)03-0218-05