蔣育平，楊 宇，黃海躍

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠，上海 200240；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(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的運行具備高度自動化，整個啟動過程應(yīng)能通過汽輪機主順控程序來自動完成。在汽輪機沖轉(zhuǎn)、升速到360 r/min、低速暖機、升速到額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、高速暖機一直到并網(wǎng)帶負荷的各個啟動階段，主順控程序會通過啟動變溫準則來控制關(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入下一階段。

啟動變溫準則的實質(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限定進口蒸汽參數(shù)。通過限制汽輪機順控啟動不同階段的進口蒸汽參數(shù)(主要是溫度和過熱度)，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。

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

本文擬對新型高效超臨界660 MW汽輪機啟動變溫準則的設(shè)計原理、定值選取原則、相互間關(guān)系等進行研究和解析。研究成果可為各型汽輪機制定基于失配溫度的自動啟動準則提供參考，為汽輪機實現(xiàn)“一鍵啟動”提供安全保障。

1 啟動過程關(guān)鍵部件熱應(yīng)力計算與控制

在啟動過程中，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。

一般認為：在計算汽輪機轉(zhuǎn)子壽命時，小于196 MPa的應(yīng)力值對轉(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；當應(yīng)力值為196 MPa時，計算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，則其對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的低周疲勞壽命損耗就可以忽略不計[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)后將對部件進行加熱，部件表面承受壓應(yīng)力; 負值表示蒸汽溫度低于金屬溫度，沖轉(zhuǎn)后蒸汽將對部件進行冷卻，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，失配溫度選擇正值更合適。陡河、大港幾臺引進機組允許高壓轉(zhuǎn)子的失配溫度范圍為-110～+167 ℃，寶鋼三菱公司350 MW機組允許高壓轉(zhuǎn)子的失配溫度范圍為-56～+111 ℃[2]。

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

2 啟動變溫準則的解析

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

圖1 汽輪機主順控變溫準則示意圖

2.1 變溫準則1和2(X1和X2限定值準則)

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

TMS-TmCV>X1

(2)

式中：TMS為主蒸汽溫度，實際是取高壓旁路前主汽溫度和主汽門前蒸汽溫度測點的較小值；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準則及對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

變溫準則2的失配溫度按下式計算：

TSatSt-TmCV

(3)

式中：TSatSt為主蒸汽壓力對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度見圖3。TSatSt-TmCV即為主蒸汽壓力對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

打開主汽閥門前，主蒸汽管路一直在對高壓旁路進行暖管，同時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。由于本機組采用的是主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥門，暖管過程中，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熱度不夠，一旦開啟主汽閥門，蒸汽會在主汽調(diào)節(jié)閥門腔室凝結(jié)，這會使得主汽調(diào)節(jié)閥門內(nèi)壁面溫度迅速變到蒸汽飽和溫度。這對于機組冷態(tài)啟動會造成熱沖擊，對于機組極熱態(tài)啟動會造成冷沖擊。僅僅通過主汽的過熱度(≥30℃)難以滿足各種啟動工況的需求。為此，設(shè)計人員特意設(shè)計了變溫準則1和變溫準則2來保證各種啟動工況下主汽調(diào)節(jié)閥門的應(yīng)力水平不超限。

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

變溫準則2控制主蒸汽壓力對應(yīng)的飽和溫度，使其不至于太高，實際就是控制主蒸汽壓力，使其不至于太高。變溫準則2與變溫準則1配合，一起來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，變溫準則2的高溫段的失配溫度雖然數(shù)值較大，但無實際意義。

通過變溫準則2，對主蒸汽壓力對應(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行控制。需要注意在冷態(tài)啟動時，如果蒸汽過熱度不夠大，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應(yīng)的飽和溫度。對于極熱態(tài)啟動，主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度一般比較高，經(jīng)過預(yù)暖過程后，溫度一般可以達到400～500 ℃，不存在蒸汽在主汽調(diào)節(jié)閥門腔室中凝結(jié)的問題。

對于冷態(tài)啟動，主汽調(diào)節(jié)閥門體積平均溫度一般比較低，經(jīng)過預(yù)暖過程后，溫度一般可以達到200～300 ℃，只要滿足變溫準則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)計變溫準則1和變溫準則2時，需要考慮機組實際長期運行后，主汽調(diào)節(jié)閥門的嚴密性將會下降。一旦開啟主汽閥門，必然會有一定蒸汽通過主汽調(diào)節(jié)閥泄漏到高壓缸。冷態(tài)啟動時，如果主蒸汽的溫度不夠高，泄漏蒸汽會在高壓轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位發(fā)生凝結(jié)，對高壓轉(zhuǎn)子造成熱沖擊。因此在變溫準則1和變溫準則2的低溫段放大了失配溫度值。由于變溫準則1和變溫準則2控制的主汽調(diào)節(jié)閥門的失配溫度均為正值，對應(yīng)的主汽調(diào)節(jié)閥門熱應(yīng)力均為壓應(yīng)力，因此變溫準則1和變溫準則2設(shè)計值對主汽調(diào)節(jié)閥門的壽命損傷和安全性影響較小。

2.2 變溫準則4、5 和6(X4～X6限定值準則)

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

變溫準則4的失配溫度按下式計算：

TMS-TSatSt>X4

(4)

式中：X4為隨主汽溫度和壓力變化的限定值。X4限定值準則對應(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應(yīng)飽和溫度的失配溫度ΔTX4。

圖4X4限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

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

變溫準則5的失配溫度按下式計算：

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限定值準則及對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

X5限定值準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)閥門后汽輪機高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不必要的冷卻。

變溫準則6的失配溫度按下式計算：

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限定值準則及對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

X6限定值準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，汽輪機中壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不必要的冷卻。

2.3 變溫準則7(X7限定值準則)

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

變溫準則7的失配溫度按下式計算：

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限定值準則及對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

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

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

2.4 變溫準則8(X8限定值準則)

變溫準則8的失配溫度按下式計算：

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限定值準則及對應(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限定值準則及對應(yīng)的失配溫度

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

通常，為了保證發(fā)電機按照設(shè)定的過程可靠地運行，在發(fā)電機同期(發(fā)電機與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的相序、頻率、電壓相同)后機組必須帶一定的負荷。在同期期間，一些部件將承受較大應(yīng)力，而變溫準則8作為蒸汽溫度的一個函數(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，則會在后續(xù)升負荷的最初階段限制負荷的提升。

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

3 變溫準則相關(guān)性分析

變溫準則5和7雖然是不同啟動階段的要求，但二者實際上有一定的關(guān)聯(lián)性。X5限定值準則限定的失配溫度ΔTX5和X7限定值準則限定的失配溫度ΔTX7組成了一個失配溫度帶，這實際上設(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限定值準則限定的失配溫度帶見圖9。

圖9 X5和X7限定值準則限定的失配溫度帶

變溫準則6和8雖然是不同啟動階段的要求，但二者實際上有一定的關(guān)聯(lián)性。X6限定值準則限定的失配溫度ΔTX6和X8限定值準則的限定失配溫度ΔTX8組成了一個失配溫度帶，實際上設(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限定值準則限定的失配溫度帶見圖10。

圖10X6和X8限定值準則限定的失配溫度帶

4 結(jié) 論

本文通過對啟動變溫準則進行詳細分析，對啟動變溫準則的原則、關(guān)鍵點進行了歸納總結(jié)，并得出如下結(jié)論：

1)汽輪機啟動過程中各個階段，控制系統(tǒng)通過不同的變溫準則，可以自動根據(jù)蒸汽參數(shù)與關(guān)鍵部件的體積平均溫度的失配溫度，來確定是進入下一啟動步驟，還是繼續(xù)預(yù)暖設(shè)備，直到滿足變溫準則要求。

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

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