新型高效超臨界660 MW汽輪機(jī)啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則的解析

蔣育平，楊 宇，黃海躍

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

為了使新研制的超臨界660 MW(24.2 MPa/566 ℃/566 ℃)三缸兩排汽中間再熱凝汽式汽輪機(jī)的運(yùn)行具備高度自動(dòng)化，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程應(yīng)能通過(guò)汽輪機(jī)主順控程序來(lái)自動(dòng)完成。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升速到360 r/min、低速暖機(jī)、升速到額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、高速暖機(jī)一直到并網(wǎng)帶負(fù)荷的各個(gè)啟動(dòng)階段，主順控程序會(huì)通過(guò)啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則來(lái)控制關(guān)鍵部件的熱應(yīng)力水平，確保其符合熱應(yīng)力控制要求。如果不能滿足要求, 將繼續(xù)在本階段所在循環(huán)等待，直到滿足條件才能進(jìn)入下一階段。

啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)部件的表面溫度和體積平均溫度之間的溫差來(lái)限定進(jìn)口蒸汽參數(shù)。通過(guò)限制汽輪機(jī)順控啟動(dòng)不同階段的進(jìn)口蒸汽參數(shù)(主要是溫度和過(guò)熱度)，間接限制關(guān)鍵部件的表面溫度，從而控制關(guān)鍵部件的表面溫度和體積平均溫度的溫差，控制關(guān)鍵部件的熱應(yīng)力和低周疲勞壽命損耗水平。

采用啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則避免了運(yùn)行人員人為決定汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)選擇、判斷暖機(jī)和并網(wǎng)條件，避免了運(yùn)行人員的誤操作導(dǎo)致熱應(yīng)力超限，提高了機(jī)組啟動(dòng)的安全性，減少了整個(gè)設(shè)備的壽命損耗，也最大限度地提高了汽輪機(jī)的啟動(dòng)速率。

本文擬對(duì)新型高效超臨界660 MW汽輪機(jī)啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)原理、定值選取原則、相互間關(guān)系等進(jìn)行研究和解析。研究成果可為各型汽輪機(jī)制定基于失配溫度的自動(dòng)啟動(dòng)準(zhǔn)則提供參考，為汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)“一鍵啟動(dòng)”提供安全保障。

1 啟動(dòng)過(guò)程關(guān)鍵部件熱應(yīng)力計(jì)算與控制

在啟動(dòng)過(guò)程中，關(guān)鍵部件的表面被蒸汽加熱和冷卻，部件的表面溫度迅速接近蒸汽溫度。但部件的體積平均溫度受傳熱速率的影響，與表面溫度存在一定的溫差。

根據(jù)熱應(yīng)力理論，該熱應(yīng)力值的大小按下式計(jì)算：

(1)

式中：σ為部件表面熱應(yīng)力值；α為材料熱膨脹系數(shù)；E為材料彈性模數(shù)；Δt為部件表面溫度與體積平均溫度的溫差值。

一般認(rèn)為：在計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命時(shí)，小于196 MPa的應(yīng)力值對(duì)轉(zhuǎn)子低周疲勞的壽命損耗(壽命損耗率小于0.001%/次)可以忽略不計(jì)；當(dāng)應(yīng)力值為196 MPa時(shí)，計(jì)算Δt值為55.7 ℃。只要將部件表面溫度與體積平均溫度的溫差值控制在不大于50 ℃的水平，則其對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的低周疲勞壽命損耗就可以忽略不計(jì)[1]。

不妨把關(guān)鍵部件表面蒸汽溫度與部件體積平均溫度的溫差值叫作失配溫度。正值為蒸汽溫度高于金屬溫度，沖轉(zhuǎn)后將對(duì)部件進(jìn)行加熱，部件表面承受壓應(yīng)力; 負(fù)值表示蒸汽溫度低于金屬溫度，沖轉(zhuǎn)后蒸汽將對(duì)部件進(jìn)行冷卻，部件表面承受拉應(yīng)力。根據(jù)材料承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力能力的特點(diǎn)，失配溫度選擇正值更合適。陡河、大港幾臺(tái)引進(jìn)機(jī)組允許高壓轉(zhuǎn)子的失配溫度范圍為-110～+167 ℃，寶鋼三菱公司350 MW機(jī)組允許高壓轉(zhuǎn)子的失配溫度范圍為-56～+111 ℃[2]。

在啟動(dòng)過(guò)程中，只要失配溫度控制得當(dāng)，就能確保關(guān)鍵部件的低周疲勞壽命損耗可控。

2 啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則的解析

超臨界660 MW汽輪機(jī)主順控中涉及的變溫準(zhǔn)則見圖1[3-4]。系統(tǒng)根據(jù)不同功能，保證各個(gè)準(zhǔn)則在汽輪機(jī)順控啟動(dòng)的不同階段得到執(zhí)行。例如：必須同時(shí)滿足X1、X2限定值準(zhǔn)則的要求，才能開啟主汽閥門；必須同時(shí)滿足X4、X5、X6限定值準(zhǔn)則的要求，才能開啟主汽調(diào)節(jié)閥門，將機(jī)組沖轉(zhuǎn)到低速暖機(jī)轉(zhuǎn)速；必須同時(shí)滿足X7A、X7B限定值準(zhǔn)則的要求，才能將機(jī)組沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速；必須滿足X8限定值準(zhǔn)則的要求，才能使機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷。

圖1 汽輪機(jī)主順控變溫準(zhǔn)則示意圖

2.1 變溫準(zhǔn)則1和2(X1和X2限定值準(zhǔn)則)

變溫準(zhǔn)則1和2主要是為了保護(hù)主汽調(diào)節(jié)閥門免受沖擊。需要在開啟主汽閥門前不斷確認(rèn)變溫準(zhǔn)則1和2，只有滿足其要求才能進(jìn)入下一步。變溫準(zhǔn)則1的失配溫度按下式計(jì)算：

TMS-TmCV>X1

(2)

式中：TMS為主蒸汽溫度，實(shí)際是取高壓旁路前主汽溫度和主汽門前蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)的較小值；TmCV為主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度；X1為隨主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度變化的限定值。X1準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖2。TMS-TmCV即為主蒸汽溫度和主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度的失配溫度ΔTX1。

圖2 X1限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

變溫準(zhǔn)則2的失配溫度按下式計(jì)算：

TSatSt-TmCV

(3)

式中：TSatSt為主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度；X2為隨主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度變化的限定值。X2限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖3。TSatSt-TmCV即為主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度與主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度的失配溫度ΔTX2。

圖3X2限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

打開主汽閥門前，主蒸汽管路一直在對(duì)高壓旁路進(jìn)行暖管，同時(shí)主汽閥門前的管路上相關(guān)的疏水閥門開啟，將暖管凝結(jié)的疏水排走。由于本機(jī)組采用的是主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥門，暖管過(guò)程中，蒸汽加熱主汽閥門殼壁并不斷傳熱，主汽調(diào)節(jié)閥門殼壁也被預(yù)暖。需要注意防止主汽的過(guò)熱度不夠，一旦開啟主汽閥門，蒸汽會(huì)在主汽調(diào)節(jié)閥門腔室凝結(jié)，這會(huì)使得主汽調(diào)節(jié)閥門內(nèi)壁面溫度迅速變到蒸汽飽和溫度。這對(duì)于機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)會(huì)造成熱沖擊，對(duì)于機(jī)組極熱態(tài)啟動(dòng)會(huì)造成冷沖擊。僅僅通過(guò)主汽的過(guò)熱度(≥30℃)難以滿足各種啟動(dòng)工況的需求。為此，設(shè)計(jì)人員特意設(shè)計(jì)了變溫準(zhǔn)則1和變溫準(zhǔn)則2來(lái)保證各種啟動(dòng)工況下主汽調(diào)節(jié)閥門的應(yīng)力水平不超限。

對(duì)于冷態(tài)啟動(dòng)，主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度一般比較低，經(jīng)過(guò)預(yù)暖過(guò)程后，溫度一般可以達(dá)到200～300 ℃，考慮啟動(dòng)過(guò)程主汽溫度不會(huì)超過(guò)額定主汽溫度(566 ℃)，只要能滿足變溫準(zhǔn)則1，主汽調(diào)節(jié)閥門的失配溫度就能被控制在40～270 ℃。對(duì)于極熱態(tài)啟動(dòng)，主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度一般比較高，經(jīng)過(guò)預(yù)暖過(guò)程后，溫度一般可以達(dá)到400～500 ℃，考慮啟動(dòng)過(guò)程主汽溫度不會(huì)超過(guò)額定主汽溫度(566 ℃)，只要能滿足變溫準(zhǔn)則1，主汽調(diào)節(jié)閥門的失配溫度就能被控制在0～70 ℃。通過(guò)變溫準(zhǔn)則1保證失配溫度處于合理范圍內(nèi)，可以防止冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)凝結(jié)換熱的熱沖擊，也可以防止熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)冷蒸汽的冷沖擊。

變溫準(zhǔn)則2控制主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，使其不至于太高，實(shí)際就是控制主蒸汽壓力，使其不至于太高。變溫準(zhǔn)則2與變溫準(zhǔn)則1配合，一起來(lái)控制打開主汽閥門前的蒸汽參數(shù)。蒸汽的物理特性決定了飽和溫度最高為374 ℃，因此，變溫準(zhǔn)則2的高溫段的失配溫度雖然數(shù)值較大，但無(wú)實(shí)際意義。

通過(guò)變溫準(zhǔn)則2，對(duì)主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度與主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度的失配溫度進(jìn)行控制。需要注意在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，如果蒸汽過(guò)熱度不夠大，主汽閥門一旦開啟，蒸汽即在主汽調(diào)節(jié)閥門內(nèi)部發(fā)生凝結(jié)，大量凝結(jié)放熱會(huì)引起主汽調(diào)節(jié)閥門內(nèi)表面溫度快速上升到主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。對(duì)于極熱態(tài)啟動(dòng)，主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度一般比較高，經(jīng)過(guò)預(yù)暖過(guò)程后，溫度一般可以達(dá)到400～500 ℃，不存在蒸汽在主汽調(diào)節(jié)閥門腔室中凝結(jié)的問(wèn)題。

對(duì)于冷態(tài)啟動(dòng)，主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度一般比較低，經(jīng)過(guò)預(yù)暖過(guò)程后，溫度一般可以達(dá)到200～300 ℃，只要滿足變溫準(zhǔn)則2，主汽調(diào)節(jié)閥門的失配溫度就能夠控制在100 ℃以內(nèi)。

在設(shè)計(jì)變溫準(zhǔn)則1和變溫準(zhǔn)則2時(shí)，需要考慮機(jī)組實(shí)際長(zhǎng)期運(yùn)行后，主汽調(diào)節(jié)閥門的嚴(yán)密性將會(huì)下降。一旦開啟主汽閥門，必然會(huì)有一定蒸汽通過(guò)主汽調(diào)節(jié)閥泄漏到高壓缸。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，如果主蒸汽的溫度不夠高，泄漏蒸汽會(huì)在高壓轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位發(fā)生凝結(jié)，對(duì)高壓轉(zhuǎn)子造成熱沖擊。因此在變溫準(zhǔn)則1和變溫準(zhǔn)則2的低溫段放大了失配溫度值。由于變溫準(zhǔn)則1和變溫準(zhǔn)則2控制的主汽調(diào)節(jié)閥門的失配溫度均為正值，對(duì)應(yīng)的主汽調(diào)節(jié)閥門熱應(yīng)力均為壓應(yīng)力，因此變溫準(zhǔn)則1和變溫準(zhǔn)則2設(shè)計(jì)值對(duì)主汽調(diào)節(jié)閥門的壽命損傷和安全性影響較小。

2.2 變溫準(zhǔn)則4、5 和6(X4～X6限定值準(zhǔn)則)

變溫準(zhǔn)則4和5主要是為了保護(hù)高壓轉(zhuǎn)子免受冷沖擊，需要在開啟主汽調(diào)節(jié)閥門前不斷確認(rèn)其要求是否得到了滿足。變溫準(zhǔn)則6主要是為了保護(hù)中壓轉(zhuǎn)子免受冷沖擊，需要在開啟再熱調(diào)節(jié)閥門前不斷確認(rèn)其要求是否得到了滿足。滿足上述準(zhǔn)則后才能進(jìn)入下一步。

變溫準(zhǔn)則4的失配溫度按下式計(jì)算：

TMS-TSatSt>X4

(4)

式中：X4為隨主汽溫度和壓力變化的限定值。X4限定值準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖4。TMS-TSatSt即為主蒸汽溫度和主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度的失配溫度ΔTX4。

圖4X4限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

X4限定值準(zhǔn)則能夠確保主汽調(diào)節(jié)閥門前的蒸汽具備足夠的過(guò)熱度，避免過(guò)熱度不夠高的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸。

變溫準(zhǔn)則5的失配溫度按下式計(jì)算：

TMS-TmHPS>X5

(5)

式中：TmHPS為高壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度；X5為隨高壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度變化的限定值。X5限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖5。TMS-TmHPS即為主蒸汽溫度和高壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度的失配溫度ΔTX5。

圖5 X5限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

X5限定值準(zhǔn)則確保主蒸汽的溫度比高壓轉(zhuǎn)子的體積平均溫度高，防止開啟主汽調(diào)節(jié)閥門后汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不必要的冷卻。

變溫準(zhǔn)則6的失配溫度按下式計(jì)算：

TRS-TmIPS>X6

(6)

式中：TRS為再熱蒸汽溫度；TmIPS為中壓轉(zhuǎn)子的體積平均溫度；X6為隨中壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度變化的限定值。X6限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖6。TRS-TmIPS即為再熱蒸汽溫度和中壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度的失配溫度ΔTX6。

圖6X6限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

X6限定值準(zhǔn)則確保再熱蒸汽的溫度比中壓轉(zhuǎn)子的體積平均溫度高，防止開啟再熱調(diào)節(jié)閥門后，汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不必要的冷卻。

2.3 變溫準(zhǔn)則7(X7限定值準(zhǔn)則)

變溫準(zhǔn)則7主要是為了確保機(jī)組從啟動(dòng)到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的階段，高壓缸已通過(guò)低速旋轉(zhuǎn)而充分暖機(jī)。只有滿足變溫準(zhǔn)則7才能允許執(zhí)行下一步操作，即開大主汽調(diào)節(jié)閥，將機(jī)組加速到額定轉(zhuǎn)速。

變溫準(zhǔn)則7的失配溫度按下式計(jì)算：

TMS-TmHPS

(7)

式中：X7為隨高壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度變化的限定值。X7限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖7。TMS-TmHPS即為主蒸汽溫度和高壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度的失配溫度ΔTX7。

圖7X7限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

下一步驟是將機(jī)組加速到額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子必須快速地通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域。為此，必須在轉(zhuǎn)子達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速前對(duì)高壓缸進(jìn)行充分的暖機(jī)，以便減少通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組的整體應(yīng)力。

X7限定值準(zhǔn)則選取的失配溫度相對(duì)其他準(zhǔn)則略大，主要是為了配合轉(zhuǎn)子快速通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域。

2.4 變溫準(zhǔn)則8(X8限定值準(zhǔn)則)

變溫準(zhǔn)則8的失配溫度按下式計(jì)算：

TRS-TmIPS

(8)

式中：X8為隨中壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度變化的限定值。X8限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度見圖8。TRS-TmIPS即為再熱蒸汽溫度和中壓轉(zhuǎn)子體積平均溫度的失配溫度ΔTX8。

圖8X8限定值準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)的失配溫度

在定速后機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷之前，通過(guò)X8限定值準(zhǔn)則確認(rèn)汽輪機(jī)中壓部分暖機(jī)是否充分，如果不能滿足X8限定值準(zhǔn)則，則在本步驟等待中壓缸充分預(yù)暖。

通常，為了保證發(fā)電機(jī)按照設(shè)定的過(guò)程可靠地運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)同期(發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的相序、頻率、電壓相同)后機(jī)組必須帶一定的負(fù)荷。在同期期間，一些部件將承受較大應(yīng)力，而變溫準(zhǔn)則8作為蒸汽溫度的一個(gè)函數(shù)，確保了這些部件在同期之前優(yōu)先得到充分的預(yù)熱。在停機(jī)期間，中壓缸的冷卻速度比高壓缸更快，而在預(yù)熱期間，中壓缸溫度上升比高壓缸慢。中壓缸如果不能被充分預(yù)暖，則會(huì)在后續(xù)升負(fù)荷的最初階段限制負(fù)荷的提升。

為了滿足變溫準(zhǔn)則8，中壓缸的預(yù)熱時(shí)間可能較長(zhǎng)。在某些情況下，為了使該變溫準(zhǔn)則更快地得到滿足，可采用降低再熱蒸汽溫度的方式。

3 變溫準(zhǔn)則相關(guān)性分析

變溫準(zhǔn)則5和7雖然是不同啟動(dòng)階段的要求，但二者實(shí)際上有一定的關(guān)聯(lián)性。X5限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度ΔTX5和X7限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度ΔTX7組成了一個(gè)失配溫度帶，這實(shí)際上設(shè)定了主汽溫度和高壓轉(zhuǎn)子溫度的失配溫度的上下限。X5和X7限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度帶見圖9。

圖9 X5和X7限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度帶

變溫準(zhǔn)則6和8雖然是不同啟動(dòng)階段的要求，但二者實(shí)際上有一定的關(guān)聯(lián)性。X6限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度ΔTX6和X8限定值準(zhǔn)則的限定失配溫度ΔTX8組成了一個(gè)失配溫度帶，實(shí)際上設(shè)定了再熱溫度和中壓轉(zhuǎn)子溫度的失配溫度的上下限。X6和X8限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度帶見圖10。

圖10X6和X8限定值準(zhǔn)則限定的失配溫度帶

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)啟動(dòng)變溫準(zhǔn)則的原則、關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并得出如下結(jié)論：

1)汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中各個(gè)階段，控制系統(tǒng)通過(guò)不同的變溫準(zhǔn)則，可以自動(dòng)根據(jù)蒸汽參數(shù)與關(guān)鍵部件的體積平均溫度的失配溫度，來(lái)確定是進(jìn)入下一啟動(dòng)步驟，還是繼續(xù)預(yù)暖設(shè)備，直到滿足變溫準(zhǔn)則要求。

2)綜合權(quán)衡快速啟動(dòng)性能和關(guān)鍵部件低周疲勞壽命損耗率，通過(guò)選定各個(gè)變溫準(zhǔn)則的相關(guān)參數(shù)，可將熱應(yīng)力控制在可接受的水平。

3)不同階段的變溫準(zhǔn)則存在相關(guān)性，相互結(jié)合形成了一個(gè)失配溫度容許帶，確保了關(guān)鍵設(shè)備的安全和靈活性。合適的變溫準(zhǔn)則能為汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)“一鍵啟動(dòng)”提供安全保障。