陳堅紅，顧正皓，張夢可，丁陽俊，毛志偉，盛德仁

（1．浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所，杭州310027；2．國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機啟動過程優(yōu)化

陳堅紅1，顧正皓2，張夢可1，丁陽俊2，毛志偉2，盛德仁1

（1．浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所，杭州310027；2．國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

為加快汽輪機的啟動速率，縮短暖機時間，提高燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組調(diào)峰能力，建立了汽輪機轉子二維軸對稱模型，通過數(shù)值模擬找出啟動過程中轉子熱應力的變化規(guī)律。在有限元計算的基礎上，采用DCS組態(tài)的方法，實現(xiàn)機組的在線應力計算、監(jiān)視，優(yōu)化啟動過程。優(yōu)化后的快速啟動過程與原溫態(tài)啟動相比，啟動時間可縮短約40 min，每年可增加306萬元的經(jīng)濟效益。

聯(lián)合循環(huán)；汽輪機；轉子應力；DCS控制；優(yōu)化

0 引言

我國從20世紀90年代末開始從國外大量引進9E級燃氣輪機機組參與電網(wǎng)調(diào)峰，燃氣輪機已經(jīng)成為電網(wǎng)主力調(diào)峰機組。在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組啟動過程中，燃氣輪機啟動響應快速，幾分鐘內(nèi)可達到額定負荷，而聯(lián)合循環(huán)汽輪機啟動相對較慢，一般需要3~4 h，因此在燃氣輪機到達額定負荷運行時，汽輪機還處于持續(xù)3個多小時的暖機階段。在這個時間段中，燃氣輪機的排氣大部分從旁路直接排出，余熱鍋爐的蒸汽也通過旁路閥排至凝汽器，造成巨大的能源損失[1]。為了減少啟動過程中的能源損失，本文研究在保證長期安全可靠運行的前提下機組的快速啟動實施方案，重點是如何將機組啟動過程中轉子因溫差而產(chǎn)生的熱應力控制在合理水平。

之前，對于聯(lián)合循環(huán)快速啟動的研究多集中在余熱鍋爐的快速啟動，而如何優(yōu)化汽輪機的啟動過程已成為目前的熱點問題，通過科研人員大量的研究，熱應力的在線監(jiān)控技術已成功進入實用階段。美國電力研究院（EPRI）、通用電器公司（GE）、西屋公司（WH）、俄羅斯UKTH公司、日本中央電力研究所、東芝公司、三菱公司、法國ALSTHOM公司、英國中央電力局、瑞士ABB公司等都相繼在汽輪機轉子材料特性及熱應力監(jiān)測、壽命評定技術方面開展了大量卓有成效的研究工作[2]。國內(nèi)眾多專家學者也對汽輪機啟動過程中配汽方式的優(yōu)缺點、汽輪機啟動方式的特點、不同加載工質(zhì)參數(shù)和轉子物性參數(shù)的變化規(guī)律等方面開展研究[3-5]，進而指導機組的快速啟動，但是針對汽輪機啟動過程中暖機操作和DCS控制邏輯的優(yōu)化研究卻很少。

本文采用數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗相結合的方法，對燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機啟動過程進行研究，以無中心孔轉子二維軸對稱有限元模型為對象，提取實際運行時的溫態(tài)和冷態(tài)啟動曲線，對轉子進行數(shù)值模擬。通過應力計算，分析現(xiàn)有機組啟動過程的應力情況，修改制定新的機組暖機方案，修改DCS中不合理的啟動過程控制策略，在機組實際啟動過程中不斷調(diào)整試驗，用有限元分析和在線應力監(jiān)測系統(tǒng)進行應力和壽命驗證，優(yōu)化控制程序，使聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機在滿足安全性要求的前提下實現(xiàn)快速啟動。

1 控制系統(tǒng)與計算模型

1.1 控制系統(tǒng)

某9E燃機機組為300 MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，共2臺燃氣輪機、2臺立式非補燃單壓強制循環(huán)爐。配套的100 MW汽輪發(fā)電機組為單缸、多級、沖動、純凝式軸向排汽機組，額定功率103 MW、主蒸汽壓力6.6 MPa，主蒸汽溫度為503℃。

油改氣后，燃氣輪機控制采用MARK VI E，汽輪機控制納入DCS控制系統(tǒng)，余熱鍋爐及電站的主控采用ABB公司的DCS控制系統(tǒng)，自動化水平較高，能夠實現(xiàn)整套機組的全自動啟停，滿足簡單循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)等多種運行方式要求，并可實現(xiàn)自動負荷控制。但控制邏輯設計上附加了很多限制，啟動過程中經(jīng)常因輔機設備某一條件不滿足而導致整個程序無法順利執(zhí)行，需運行人員手動干預提升啟動速度。由于經(jīng)驗等方面原因，不同運行人員在汽輪機啟動過程中的耗時會有所不同，因此快速啟動在人員操作、控制優(yōu)化等方面還有較大的潛力可挖。

1.2 有限元模型及算法

轉子為軸對稱部件，根據(jù)轉子實際尺寸可簡化得到二維有限元模型，采用離心力等效的方法，將葉片等效為產(chǎn)生相同離心力的圓環(huán)[6]，單元網(wǎng)格設置為plane55網(wǎng)格自動劃分，并在應力集中處等關鍵部位進行加密細化處理，應力場計算時單元屬性會轉化為plane182單元，得到如圖1所示的轉子有限元模型。

圖1 二維轉子有限元模型

采用熱-結構耦合的計算方法，根據(jù)模型加載各級參數(shù)，計算溫度場，完成熱分析，然后轉化單元屬性，進入結構計算，每1 min為1個載荷步，利用ansys稀疏矩陣求解器進行求解，得到結果文件。

在線應力計算、監(jiān)視采用DCS控制系統(tǒng)組態(tài)方法，按差分法計算轉子監(jiān)測面的溫度場，在計算模型中只考慮轉子徑向溫差，不考慮軸向熱流的影響。將轉子的危險截面離散化為15層，得到轉子導熱的數(shù)學模型，求得轉子監(jiān)測面的溫度場。再用轉子體積平均溫度計算熱應力場。在線應力計算中，引入應力裕度系數(shù)，應力裕度系數(shù)是許用應力與計算應力之差和許用應力的比值，是向運行人員提示當前轉子監(jiān)測面的應力是否在允許范圍內(nèi)的一個比例數(shù)。

1.3 轉子熱邊界條件

根據(jù)汽輪機轉子運行時的熱量傳遞特點及熱流密度分析，對熱轉子邊界條件做如下設定[7]：

（1）轉子左右斷面是整段轉子在汽缸外的截斷面，熱流密度小，所以在有限元計算中做絕熱處理。

（2）轉子無中心孔，中心邊界做絕熱處理。

（3）與蒸汽接觸的轉子外表面作為第三類邊界條件，已知換熱系數(shù)與介質(zhì)溫度。

（4）轉子左右軸承處由于潤滑油的冷卻作用，在有限元計算中設為70℃，按第一類邊界條件處理。

啟動過程中，蒸汽參數(shù)和換熱系數(shù)會隨時間和位置發(fā)生變化，而且換熱系數(shù)又與轉子的幾何尺寸和蒸汽的物性參數(shù)有關，所以，在計算換熱系數(shù)之前，需要先確定蒸汽的物性參數(shù)，計算出各級在級前、級后、汽封、輪緣和光軸處的換熱系數(shù)，然后通過溫比系數(shù)和壓比系數(shù)確定各級蒸汽的參數(shù)，再導入啟動曲線，進行仿真模擬。

2 應力計算

2.1 啟動曲線

汽輪機啟動狀態(tài)按照啟動前汽缸金屬溫度可分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動和熱態(tài)啟動：汽輪機缸溫低于193℃為冷態(tài)啟動；缸溫193~380℃為溫態(tài)啟動；缸溫高于380℃為熱態(tài)啟動。冷態(tài)啟動至汽輪機轉速3 000 r/min需要暖機時間75 min，帶至滿負荷時間為20 min，每年允許4次；溫態(tài)啟動至轉速3 000 r/min需要暖機時間45 min，帶至滿負荷時間為15 min，每年允許26次；熱態(tài)啟動至轉速3 000 r/min需要5 min，不需要暖機，帶至滿負荷時間為10 min，每年允許370次。查看該機組DCS的歷史啟動曲線，缸溫均在335~ 350℃，結合現(xiàn)場啟動情況，基本屬于溫態(tài)啟動，制造商提供的說明書規(guī)定每年溫態(tài)啟動次數(shù)為26次，但實際目前該機組每年啟動250次，遠遠大于規(guī)定值。

機組運行規(guī)程中，熱態(tài)啟動不需要暖機，可直接升至滿負荷，所以對汽輪機的冷態(tài)啟動和溫態(tài)啟動過程進行研究，從DCS中調(diào)取2種啟動方式的實際啟動數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 冷態(tài)啟動曲線

由圖2和圖3可知優(yōu)化前啟動時的暖機操作過程：冷態(tài)啟動時，轉速為600 r/min的低速暖機時間為18 min，轉速為1 200 r/min的中速暖機時間為38 min，轉速為2 200 r/min的高速暖機時間為13 min；溫態(tài)啟動時，低速暖機4 min，中速暖機13 min，高速暖機19 min。

2.2 應力計算結果

根據(jù)啟動曲線進行ansys仿真數(shù)值模擬計算，參考模擬計算的結果，找出應力值最大的4個點作為監(jiān)測點，監(jiān)測點A為調(diào)節(jié)級葉輪出汽側根部圓角處節(jié)點、B為與A點相對應的軸心處的節(jié)點、C為調(diào)節(jié)級葉輪進汽側根部圓角處節(jié)點、D為與C點相對應的軸心處的節(jié)點，如圖4所示。

圖3 溫態(tài)啟動曲線

圖4 模型監(jiān)測點

計算中考慮了轉子的離心應力和熱應力，2種應力合成后的應力由Misses準則[8]確定，2種啟動方式下監(jiān)測點的應力曲線如圖5、圖6所示。

圖5 冷態(tài)啟動時監(jiān)測點的應力曲線

2.3 應力計算結果分析

根據(jù)圖5、圖6所示的有限元計算結果，參考汽輪機冷態(tài)啟動的應力曲線，汽輪機轉子在冷態(tài)啟動過程中的應力最大值達到725.99 MPa，已經(jīng)超過了此溫度下轉子材料的屈服極限（553 MPa），并且在時間段內(nèi)各關鍵點的應力曲線有很大波動。溫態(tài)啟動過程中的最大應力值為239.7 MPa，基本能夠保證啟動的安全性，但是過長的啟動時間不能滿足調(diào)峰機組快速啟動的要求。

由應力曲線、啟動曲線、暖機操作過程可知：在冷態(tài)啟動時，汽輪機工況比較惡劣，存在超過汽輪機轉子屈服極限應力的情況，影響轉子壽命；溫態(tài)啟動時應力水平不是很高，有很大的優(yōu)化潛力；在轉子低速轉動時，由于蒸汽參數(shù)比較低，暖機效果并不明顯；不帶負荷暖機的啟動方式對汽輪機轉子非常不利，啟動過程中的最大應力都發(fā)生在升負荷過程中；低負荷暖機對于應力水平控制非常重要。

圖6 溫態(tài)啟動時監(jiān)測點的應力曲線

3 啟動過程優(yōu)化

3.1 暖機時間優(yōu)化處理

在確保設備安全的前提下，充分考慮節(jié)能，對汽輪機溫態(tài)啟動和冷態(tài)啟動的暖機時間進行了如下優(yōu)化：

（1）減少帶負荷前的暖機時間，如圖7所示。

當汽缸壁溫為250~350℃時（新增溫度分段），采用次熱態(tài)啟動，沖轉過程中在2 200 r/min時暖機5 min，從零到3 000 r/min的沖轉總時間為10 min。汽機帶負荷過程中燃機負荷保持50 MW。

當汽缸壁溫在193~250℃時，采用溫熱態(tài)啟動，沖轉過程中所用方式及時間與原溫態(tài)啟動方式相同，升速率控制與次熱態(tài)相同。汽機帶負荷過程中燃機負荷保持50 MW。

圖7 優(yōu)化后暖機時間

當汽缸壁溫低于193℃時，采用冷態(tài)啟動，沖轉過程中暖機分段與啟動方式相同，各段的升速速率不變，從零到600 r/min的升速和暖機總時間為10 min，從600 r/min到1 200 r/min的升速和暖機總時間為22 min，從1 200 r/min到2 200 r/min的升速和暖機總時間為23 min，然后按原程序升至3 000 r/min，沖轉升速總時間約為58 min。汽機帶負荷過程中燃機負荷保持不變，根據(jù)環(huán)境溫度控制在適當負荷。

（2）增加低負荷暖機時間，并增加升負荷率控制，升負荷速率=升負荷速率初始定值×安全裕度系數(shù)，當安全裕度系數(shù)小于0.1時應視作零（安全裕度系數(shù)小于零時也視作零），此時應保持調(diào)門開度不變；主蒸汽母管壓力由旁路閥控制。當旁路閥關至開度只有5%時，旁路閥全關，此時主蒸汽母管壓力由調(diào)門控制。

3.2 控制邏輯修改

（1）旁路控制：汽輪機在CASE（事件觸發(fā)）控制模式下并網(wǎng)時，旁路設定值從原來的4 MPa變成主蒸汽母管壓力加0.2 MPa，旁路逐步撤出壓力控制至旁路關閉。優(yōu)化后修改為將該過程推遲至滑壓控制投入后，即在滑壓投入前旁路控制設定值一直維持4 MPa，保證機組帶負荷暖機時主蒸汽壓力不會過高。

（2）調(diào)門開關速率限制中增加應力限制：利用應力裕度系數(shù)來增加應力限制，使運行人員能夠了解監(jiān)測面轉子是否在允許范圍內(nèi)，當安全裕度系數(shù)K≤0時，表示計算應力已達到或超過許用應力，操作人員應立即調(diào)整溫升率。

3.3 優(yōu)化后應力裕度系數(shù)變化分析

冷態(tài)啟動時在線應力監(jiān)測結果如圖8所示。機組在升速時應力裕度系數(shù)比較大，帶負荷至10%時，應力裕度系數(shù)開始下降，這時采用帶負荷暖機，暖機結束后轉為滑壓運行；在帶負荷至25%時，應力裕度系數(shù)最小，約為0，停止加負荷暖機，直至應力裕度系數(shù)達到0.2以上。從曲線來看，在汽輪機轉子升速過程中，轉子溫度上升較慢，暖機作用不大，因此在缸溫超過300℃時，可以直接升速到3 000 r/min，應力裕度系數(shù)一直在0.9左右。并網(wǎng)后，在低負荷時有必要控制升負荷率和升溫率，從曲線來看應力上升的主要時刻為機組帶負荷10%以后，此時應力水平大幅度上升，裕度系數(shù)最低下降到0.1左右。并網(wǎng)后的調(diào)節(jié)級溫度上升較快，在負荷25%時暖機可使應力裕度系數(shù)逐漸上升，因此并網(wǎng)帶負荷后進行的低負荷暖機對于應力水平控制非常重要。

圖8 冷態(tài)啟動在線應力裕度系數(shù)變化

4 結語

結合實驗室的數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對暖機時間和操作規(guī)程進行優(yōu)化，提高了聯(lián)合循環(huán)汽輪機組的啟動速度。通過計算分析，調(diào)整聯(lián)合循環(huán)機組的運行規(guī)程，與原來相比節(jié)約了啟動時間，增加了發(fā)電量。通過邏輯和操作優(yōu)化，在不同程度上優(yōu)化了機組的啟動過程，提高了經(jīng)濟效益。暖機操作優(yōu)化后，機組啟動時間縮短，冷態(tài)啟動時最大應力減小，延長了機組的壽命。以溫態(tài)啟動為例，啟動時間縮短了約40 min，每年可以增加306萬元的經(jīng)濟效益。暖機操作優(yōu)化研究不僅能指導聯(lián)合循環(huán)汽輪機組的啟動，對于研究常規(guī)機組快速啟動也具有參考價值。

[1]姚珺，金建榮，盛德仁，等.S109FA聯(lián)合循環(huán)機組旁路控制系統(tǒng)及啟停異常分析[J].電站系統(tǒng)工程，2008，24（6）∶64-65.

[2]KIMURA K.Life assessment and diagnosis system for steam turbine components[C].Conference on Life Extension and Assessment of Fossil Plants，EPRI，Washington，DC，June1986∶2-4.

[3]江寧，曹祖慶．溫態(tài)、熱態(tài)啟動中的最佳溫度匹配方式探討[J]．中國電機工程學報，1999，19（9）∶57-61.

[4]賈玉堂，莊賀慶，胥建群．中壓缸啟動汽輪機轉子壽命損耗估算[J]．中國電機工程學報，1991，11（1）∶27-33.

[5]梁志宏，楊昆，孫耀唯，等．電力市場下機組變負荷速率控制與壽命管理技術支持系統(tǒng)的研究[J]．中國電機工程學報，2005，25（20）∶100-105.

[6]丁有宇．汽輪機強度計算手冊[M]．北京：中國電力出版社，2010.

[7]丁陽俊，盛德仁，陳堅紅，等.某電廠聯(lián)合循環(huán)汽輪機啟動過程優(yōu)化[J].中國電機工程學報，2013，33（2）∶9-15.

[8]張保衡．大容量火電機組壽命管理與調(diào)峰運行[M]．北京：水利電力出版社，1988．

下期要目

●1 000 kV皖南—浙北特高壓同塔雙回線路工頻參數(shù)仿真計算

●智能變電站擴建110 kV母差保護不停電接入策略研究與實踐

●屋脊型除霧器在濕法脫硫系統(tǒng)中的改造實踐

●針對電網(wǎng)負荷突變的可再生能源系統(tǒng)并網(wǎng)算法研究

●660 MW超超臨界機組振動原因分析與處理

●大型機組高加RB控制策略存在的問題及完善措施

●1 000 MW機組精確控制加氧處理技術的應用研究

●基于電芯替換的電動汽車動力電池組維護方法

●戶外GIS設備架空垂直出線方式的研究與應用

●一起220 kV變壓器差動保護誤動的分析

Optimization on Start-up Process of Steam Turbine in Combined Cycle Generating Units

CHEN Jianhong1，GU Zhenghao2，ZHANG Mengke1，DING Yangjun2，MAO Zhiwei2，SHENG Deren1
（1.Institute of Thermal Science and Power System，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute,Hangzhou 310014，China）

For accelerating the start-up speed of steam turbine，shortening the warming-up time and improving peak-shaving capacity of gas-steam combined cycle generating units，a two-dimensional axis symmetric model of steam turbine rotor is established，which obtains variation regularity of rotor stress during start-up by numerical simulation.On the basis of finite element calculation,the DCS configuration method is adopted to achieve online calculation and monitoring of units stress，and then the startup process is optimized.Compared with the original warm start-up process，the quick start-up process after optimization can shorten starting time by 40 minutes and annually increase economic benefit of 3.06 million yuan.

combined cycle；steam turbine；rotor stress；DCS control；optimization

TK267

：B

：1007-1881（2014）10-0040-05

2014-08-04

陳堅紅（1967-），男，浙江義烏人，副教授，主要從事燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術、熱工自動化和火電廠熱力系統(tǒng)分析的教學與研究工作。（本文編輯：徐晗）