陳雙龍

（南京鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)限公司能源中心，江蘇南京 210035）

南鋼50 MW機(jī)組快速冷卻科研技術(shù)

陳雙龍

（南京鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)限公司能源中心，江蘇南京 210035）

介紹了南鋼2臺50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組利用氮?dú)庾鳛槔鋮s介質(zhì)，對汽輪機(jī)的停運(yùn)后進(jìn)行快速冷卻，闡述了熱應(yīng)力的計(jì)算以及應(yīng)用技術(shù)方案。

汽輪發(fā)電機(jī)組；快速冷卻；介質(zhì)

1 概述

汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，汽缸和轉(zhuǎn)子等部件處于高溫狀態(tài)之下，在停機(jī)之后，由于金屬巨大的熱容量，停機(jī)后需要很長時(shí)間才能冷卻下來，尤其是采用良好材料保溫的汽缸，機(jī)組自然冷卻所花的時(shí)間更長，這樣使停機(jī)檢修的時(shí)間相應(yīng)延長。故此有必要研究設(shè)計(jì)加裝汽缸快冷裝置。

2 氮?dú)庾骼鋮s介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)

確定南鋼電廠使用氮?dú)庾鳛槔鋮s介質(zhì)，采用氮?dú)饫鋮s法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）進(jìn)行快速冷卻時(shí)，不受鍋爐汽源的影響，減少了操作的復(fù)雜性。

（2）氮?dú)庵胁缓兴?，在快冷過程中對設(shè)備內(nèi)部起干燥作用，對其保養(yǎng)有利。

（3）由于采用電加熱裝置，能很方便地控制內(nèi)部的冷卻過程，包括金屬溫差、熱應(yīng)力水平、相對膨脹等。

（4）氮?dú)獾臏囟扰c被冷卻的溫度相差較大，冷卻效果好。緊急時(shí)可隨時(shí)停用快冷，即可恢復(fù)汽缸自然冷卻，安全性高。

（5）國內(nèi)投運(yùn)快冷的電廠均使用氮?dú)饫鋮s。.

3 氮?dú)饫鋮s時(shí)汽缸與轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力

在施行氮?dú)饫鋮s時(shí)，一個(gè)令人擔(dān)心的問題是冷氮?dú)馊绻苯舆M(jìn)入到汽輪機(jī)內(nèi)部，會不會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，損壞汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子或汽缸。為此在汽輪機(jī)停運(yùn)后，對汽缸和轉(zhuǎn)子仍處于高溫狀態(tài)下并進(jìn)行氮?dú)饫鋮s時(shí)的熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,只需分析其熱應(yīng)力最嚴(yán)重的地方,例如調(diào)節(jié)級處,氮?dú)膺M(jìn)入處的管道,轉(zhuǎn)子軸封處等.在進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算時(shí),可以將汽缸、轉(zhuǎn)子簡化成厚壁圓筒來模擬，金屬內(nèi)外表面，其法向熱應(yīng)力為零，只需計(jì)算切向的熱應(yīng)力就能判斷其熱應(yīng)力的大小，其切向熱應(yīng)力為

此中：a、b———內(nèi)徑與外徑

e、μ———彈性模量與泊桑比

t———金屬溫度

r———半徑

此公式適用于穩(wěn)定溫度的條件下，利用溫差來確定熱應(yīng)力，而在不穩(wěn)定溫度場條件下，圓筒的溫度可由下式確定

此中：μ=τ／τ*無因次溫度τ*為參考溫度，可取流體變化后的溫度值。

ρo=Υo/Υ1,Υo為非加熱面半徑，Υ1為加熱面半徑Υ為Υo和Υ1之間的半徑。

ρ=Υ／Υ1，無因次半徑。

τ=ατ／（ΥoΥ1）2，為無因次時(shí)間，τ為時(shí)間，α為導(dǎo)溫系數(shù)。

利用上式，將其化為差分方程，則可計(jì)算出溫度場的變化，作者利用此原理，編制了一套軟件，分析汽缸和轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。

首先要解決的一個(gè)問題是，如果停機(jī)后汽缸仍在高溫下，直接通入冷氮?dú)猓瑫粫D(zhuǎn)子或汽缸造成損害。

計(jì)算的條件為汽缸初溫為400℃，內(nèi)外溫差20℃，冷卻氮?dú)鉃?0℃，流量為20 m3/min，冷卻高壓缸時(shí)，內(nèi)缸調(diào)節(jié)級處金屬熱應(yīng)力變化的情況相當(dāng)于冷卻氮?dú)鈩傔M(jìn)入汽缸時(shí)，內(nèi)缸內(nèi)表面的拉應(yīng)力值的增長完全在允許的范圍之內(nèi)（峰值為7.3 kg/mm2），這種情況在理論上是可以作出解釋的，冷氮?dú)膺M(jìn)入時(shí)，雖然溫度低,然而其流量很小，放熱系數(shù)處于一個(gè)很低的水平，也就是說氮?dú)鈱饘俦诿娴臒嶙枇艽?，金屬表面溫度的變化不大，故熱?yīng)力不大，西方一些汽輪機(jī)廠家如BBC和GEC等都主張采用氮?dú)饫鋮s，在熱應(yīng)力方面的觀點(diǎn)是一致的。

從熱應(yīng)力計(jì)算中，可以看出決定熱應(yīng)力的關(guān)鍵因素是在氮?dú)膺M(jìn)入時(shí)金屬的內(nèi)外溫差，為此對高中壓缸及其轉(zhuǎn)子，對不同的金屬起始溫差下進(jìn)行快速冷卻時(shí)的熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，對其最大熱應(yīng)力與溫差之間的關(guān)系分析可知，汽缸或轉(zhuǎn)子在快速冷卻中受到的熱應(yīng)力與起始金屬溫度有關(guān)，只要這種溫差在允許范圍之內(nèi)，快速冷卻并不會帶來新的危害。對于高中壓缸上進(jìn)氣的短管也進(jìn)行了熱應(yīng)力計(jì)算，由于其管徑較小，其熱應(yīng)力的水平也不高，不會對安全性有危害。.通過計(jì)算分析表明，在快速冷卻初始階段，氮?dú)獾臏亟邓俣炔淮笥?6℃/時(shí);在汽缸溫度下降至300℃左右時(shí)，氮?dú)鉁囟葢?yīng)保持200℃左右，氮?dú)鉁亟邓俣葹?6℃/h。

4 南鋼2×50 MW機(jī)組快速冷卻技術(shù)方案

4.1 概況

南鋼電廠配備兩臺50 MW純凝機(jī)組，主要燃燒鋼廠廢氣發(fā)電。為適應(yīng)機(jī)組的快速冷卻縮短停機(jī)后的冷卻時(shí)間（如表1所示），一方面為了克服檢修工期的矛盾，另一方面是縮短停機(jī)時(shí)間后，就可利用廢氣多發(fā)電一天，不但能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，還可減少廢氣排放，取得令人注目的社會效益。

表1 50 MW自然冷卻與快冷冷卻參數(shù)對照表

4.2 快冷裝置及系統(tǒng)方案

(1)汽機(jī)快速冷卻是在汽輪機(jī)停機(jī)后的高溫階段，輸送350℃左右干燥潔凈的熱氮?dú)?，并保持與氣缸內(nèi)壁一定的溫差，由高溫階段的小流量逐漸調(diào)至低溫階段的大流量熱氮?dú)?。整套系統(tǒng)由冷卻管道系統(tǒng)和快冷裝置系統(tǒng)組成，利用原有壓縮氮?dú)夤苈份斔推?，?jīng)入口管道上的旋風(fēng)分離器，通過濾網(wǎng)進(jìn)入油水分離器，凈化后進(jìn)入加熱器，加熱到一定溫度的熱氮?dú)廨斔偷郊?，然后送入汽輪機(jī)各個(gè)部位進(jìn)行冷卻。

(2)汽輪機(jī)快速冷卻的主要對象為汽輪機(jī)的高、中壓缸。冷卻氮?dú)庥筛邏赫{(diào)門后的四根導(dǎo)氣管疏水管引入，經(jīng)汽輪機(jī)噴嘴均勻進(jìn)入汽缸，自三抽、四抽管道逆止門前排出，冷卻氮?dú)馀c主蒸汽流動方向一致，采取順流方式對汽輪機(jī)缸體和轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。冷卻過程中始終連續(xù)盤車。

(3)特別說明：①冷卻氮?dú)庥勺詣又鳉忾T后高壓調(diào)門前的四根導(dǎo)氣管疏水管引入，經(jīng)汽輪機(jī)噴嘴均勻進(jìn)入汽缸；冷卻氮?dú)馀c主蒸汽流動方向一致，采取順流方式對汽輪機(jī)缸體和轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。冷卻過程中始終連續(xù)盤車。且每根導(dǎo)氣管都有手動截止閥控制進(jìn)氣流量。從而保證了加熱壓縮氮?dú)庠谄字械木鶆蛐浴?/p>

②排氣口設(shè)在三段抽汽和四段抽汽口上Dg100管，抽汽口位于抽汽逆止門前。排氣自三抽、四抽管道逆止門前排出 (在三抽、四抽逆止門門前加裝DN100通徑的閘閥)。在高溫階段冷卻時(shí)，通過三抽排氣管排出，缸溫下降后，根據(jù)排氣口溫度判斷是否改為四段抽汽口排出，或者兩者同時(shí)調(diào)整適當(dāng)開度進(jìn)行排放。這樣保證了大量的熱氮?dú)獠慌湃氲蛪焊?，必要時(shí)可通過截止閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量減少排放，使進(jìn)入低壓缸的氮?dú)鉁囟炔桓哂?20℃，避免熱氮?dú)饨?jīng)低壓缸排放造成排氣缸溫度過高。即使通過以上方法仍有少量熱氮?dú)膺M(jìn)入低壓缸，必要的時(shí)候可啟動低壓缸噴淋裝置進(jìn)行冷卻。保證了低壓缸的溫度不超標(biāo)。

③投快冷裝置，可根據(jù)缸溫下降速度，調(diào)整進(jìn)氣流量和排氣閥的開度。做到可控、在控。

5 監(jiān)視和控制指標(biāo)

5.1 記錄的測點(diǎn)

(1)主蒸汽管氮?dú)馊肟谔幮卵b的外壁溫度。

(2)自動主汽門、調(diào)節(jié)汽門和汽缸上的全部溫度測點(diǎn)。

(3)調(diào)節(jié)級后溫度、三抽、四抽管道溫度、排氣缸溫度測點(diǎn)。

(4)大軸晃度、軸向位移、脹差、上下缸溫度。

(5)法蘭螺栓溫度、混溫加熱聯(lián)箱溫度。

(6)盤車電流。

(7)快速冷卻裝置上的溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù)。

5.2 控制指標(biāo)

(1)主汽管溫降速率 ＜5℃/min

(2)主汽門、調(diào)門溫降速率＜.3℃/min

(3)汽缸溫降速率＜0.2～0.3℃/min

(4)上、下缸溫差＜50℃/min

(5)法蘭與螺栓溫差＜20℃/min

(6)左右法蘭溫差＜10℃/min

(7)汽缸內(nèi)外壁溫差＜40℃/min

(8)軸向位移:+1～-0.6

(9)脹差:+2.5～-1.5

(10)大軸晃度＜0.05 min

(11)盤車電流穩(wěn)定，基本不變。

以上標(biāo)志通過控制冷卻溫度和流量進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)軸向位移、脹差、大軸晃度中任何一項(xiàng)超標(biāo)是，應(yīng)停止通氣并查明原因。

6 結(jié)論

采用低參數(shù)的冷卻介質(zhì)冷卻汽輪機(jī)可以大大縮短冷卻時(shí)間，可使高壓缸金屬的平均冷卻速度由1℃/h提高到10℃/h,50 MW機(jī)組在自然冷卻條件下需120 h左右時(shí)間才能達(dá)到允許的揭缸溫度（120℃），運(yùn)用快冷裝置可節(jié)約52 h。使用一次快冷裝置冷卻機(jī)組的直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)130萬元。

The Fast Cooling Technology of the 50 MW Generation Unit of Nanjing Steel

CHEN Shuanglong
(Industry Development Co.,Ltd.,Nanjing Steel,Nanjing,Jiangsu 210035,China)

Nitrogen was used as cooling medium to rapidly cool the shutdown steam turbine of the two 50 MW power generators at Nanjing Steel.Calculation and application program of thermal stress were presented.

turbo generator unit;fast cooling;medium

TM611.21

B

1006-6764（2014）03-0040-03

2013-09-30

陳雙龍(1982-),男，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事電廠設(shè)備技術(shù)管理工作。