蘇廣華

(國能蚌埠發(fā)電有限公司)

660 MW汽輪機(jī)組是一種高效率的能源轉(zhuǎn)化裝置。汽輪機(jī)組的二次再熱器是整個發(fā)電系統(tǒng)的核心，直接影響到整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。許多電廠都是依靠操作人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平控制機(jī)組的啟停，不僅操作耗時耗力，延長了啟動和停止的時間，而且設(shè)備會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，縮短汽輪機(jī)壽命。

基于此，焦玉雪等[1]研究了太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱機(jī)械應(yīng)力及啟動優(yōu)化方法，優(yōu)化不合理的初始啟動曲線，縮短無負(fù)載的沖轉(zhuǎn)時間。盧平等[2]研究了某660 MW等級核電汽輪機(jī)的啟動分析方法，通過選擇合理的汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)，確定了啟動曲線，并對其進(jìn)行了典型的啟動分析。上述算法雖能夠?qū)崿F(xiàn)啟動步序控制，但是存在啟動步序較多、時延較長的問題。為此，設(shè)計660 MW二次再熱汽輪機(jī)啟動步序的邏輯參數(shù)優(yōu)化算法，期望解決當(dāng)前存在的問題，為啟動步序優(yōu)化提供新思路。

1 邏輯參數(shù)優(yōu)化算法

設(shè)計的汽輪機(jī)啟動步序邏輯參數(shù)優(yōu)化算法，預(yù)先制定自啟動步驟，以汽輪機(jī)啟動時的溫度場和應(yīng)力場數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，保證調(diào)節(jié)汽門能夠開啟、汽輪機(jī)能夠提升到額定轉(zhuǎn)速[3-4]、發(fā)電機(jī)組能夠并網(wǎng)。

1.1 自啟動步驟

汽輪機(jī)啟動經(jīng)過幾個階段，邏輯上的設(shè)計比較復(fù)雜，具體為：

(1)汽輪機(jī)主體和附屬設(shè)備進(jìn)行自我檢查，檢查各個設(shè)備和閥門的狀態(tài)是否良好[5]，并將所有設(shè)備投入聯(lián)鎖狀態(tài)，以便進(jìn)行自控；

(2)自動啟動油路，打開汽輪機(jī)的疏水閥，進(jìn)行暖管和加熱閥的工作；

(3)當(dāng)鍋爐點(diǎn)火后，汽輪機(jī)進(jìn)入啟動步序。開啟主汽熱管閥、主汽門和調(diào)節(jié)汽門，加熱主汽管和主汽門，直到主汽門前的蒸汽溫度超過360 ℃，滿足X1和X2標(biāo)準(zhǔn)；然后打開SGC TURBINE，按下ON執(zhí)行啟動步序，進(jìn)入暖閥程序；在主汽溫度超過360 ℃、過熱度超過30 K時，超高壓、中壓轉(zhuǎn)子的溫度裕度>30 K，達(dá)到X4、X5、X6標(biāo)準(zhǔn)，并開啟主體疏水閥；

(4)當(dāng)主汽門處的汽溫和壓力滿足汽輪機(jī)啟動條件時，首先開啟汽輪機(jī)的超高壓調(diào)整汽門，然后開啟高、中壓調(diào)整汽門，進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。DEH的啟動程序?qū)ζ啓C(jī)的升溫速率進(jìn)行控制，同時達(dá)到X7標(biāo)準(zhǔn)(870 r/min)[6]。達(dá)到X7標(biāo)準(zhǔn)時，控制器會停止加熱，并將運(yùn)轉(zhuǎn)速度提升至標(biāo)稱速度。達(dá)到X8標(biāo)準(zhǔn)之前，在額定速度下，如果控制器處于負(fù)載狀態(tài)，則說明設(shè)備超出了允許的壓力范圍；

(5)逐步關(guān)閉疏水閥，進(jìn)行熱機(jī)，達(dá)到X8標(biāo)準(zhǔn)后，發(fā)電機(jī)進(jìn)入電網(wǎng)，機(jī)組開始加載。

1.2 邏輯參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)工作

首先對汽輪機(jī)啟動時的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，然后對轉(zhuǎn)子疲勞情況進(jìn)行分析[7]。由轉(zhuǎn)子疲勞分析結(jié)果可知汽輪機(jī)的最優(yōu)工況參數(shù)與剩余壽命，便于正確定義邊界條件[8-9]，為后續(xù)邏輯參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

2 優(yōu)化準(zhǔn)則制定

Z準(zhǔn)則的目標(biāo)是避免主蒸汽和再熱蒸汽的溫度過高。因此，在打開高壓主汽門之前，對主蒸汽和再熱蒸汽的溫度進(jìn)行判定，防止高溫對設(shè)備造成損害[10]，標(biāo)準(zhǔn)如下：

TMS>TSat+Zs

(1)

式中：TMS為主蒸汽溫度；TSat為主蒸汽的飽和溫度；Zs為過熱度定值。

X準(zhǔn)則的主要內(nèi)容包括：X1準(zhǔn)則，防止出現(xiàn)不正常冷卻情況；X2準(zhǔn)則，避免溫度上升引起過熱負(fù)載；X3準(zhǔn)則，防止終端出現(xiàn)濕蒸汽；X4準(zhǔn)則，保護(hù)超高壓氣缸與轉(zhuǎn)子；X5準(zhǔn)則，保證暖機(jī)正常工作。[11]

其中，X2準(zhǔn)則是在高壓主汽門開啟時，保證閥體溫度低于主蒸汽溫度，防止高壓閥體承受過大的熱應(yīng)力。在實際工況中，蒸汽與調(diào)節(jié)閥直接接觸，閥體表面溫度快速上升，內(nèi)部溫度較低，閥體內(nèi)部熱應(yīng)力較大[12]，為此需要對閥體表面進(jìn)行溫度控制，保證閥體溫度低于主蒸汽飽和溫度。

基于上述分析，采用X2準(zhǔn)則進(jìn)行計算，將該準(zhǔn)則表示為：

TSuMS>THCV50%+.3X2

(2)

式中：TSuMS為主蒸汽的飽和溫度；THCV50%為高壓閥體的平均溫度；X2為允許的上升溫度裕度[13-14]。

機(jī)組運(yùn)行中，為了保證暖缸暖機(jī)，防止高壓閥體承受過大的熱應(yīng)力，主蒸汽溫度必須高于汽缸最高金屬溫度且不超過額定蒸汽溫度。但是，使用溫度不得超過500～520 ℃，否則應(yīng)該選擇與之匹配的主蒸汽溫度。X2標(biāo)準(zhǔn)下的啟動步序邏輯函數(shù)為：

TMSR>max(THPC,THPS)+X5

(3)

式中：TMSR為入口的主蒸汽溫度；max(THPC,THPS)為最大轉(zhuǎn)子的平均溫度；X5為額定蒸汽溫度與入口蒸汽溫度的差值[15]。

基于上述過程，完成對660 MW二次再熱汽輪機(jī)啟動步序的參數(shù)優(yōu)化。

3 實驗對比

為驗證所研究的660 MW二次再熱汽輪機(jī)啟動步序參數(shù)優(yōu)化方法的應(yīng)用效果，將太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱機(jī)械應(yīng)力分析及啟動優(yōu)化方法、某660 MW等級核電汽輪機(jī)啟動分析方法與文中的設(shè)計方法的控制效果進(jìn)行對比。

3.1 機(jī)組參數(shù)

以某汽輪機(jī)為例，型號：N660-31/600/620/620；型式：超超臨界二次再熱凝汽式、單軸、四排汽輪機(jī)；級數(shù)：46級；主蒸汽壓力：32.45 MPa；一次再熱壓力：10.45 MPa；一次再熱溫度：620 ℃；二次再熱溫度：620 ℃；旁路及容量：高壓旁路40%、中壓旁路50%。

3.2 實驗結(jié)果

三種方法的啟動時間、高壓第一級平均升溫率、最大應(yīng)力、疲勞壽命損耗和低壓轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位最大熱機(jī)械應(yīng)力對比結(jié)果如圖1～5所示。

由圖1～5可知，經(jīng)過文中設(shè)計方法優(yōu)化后，660 MW二次再熱汽輪機(jī)啟動過程表現(xiàn)良好，啟動時間降低到100 min以下，最大應(yīng)力提高到335 MPa以上，低壓轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位最大熱機(jī)械應(yīng)力降低60%以上，機(jī)組的升溫率提高到2.2 ℃/min。雖然疲勞壽命損耗率增加到2.8%，但在合理范圍內(nèi)。另外兩個方法最大應(yīng)力均低于330 MPa，并且啟動時間高于100 min，啟動速度明顯慢于文中設(shè)計方法。這是因為所設(shè)計方法預(yù)先提出啟動步驟，初始部分嚴(yán)格控制啟動步序，然后模擬溫度場和應(yīng)力場，計算汽封的換熱系數(shù)與調(diào)節(jié)級葉輪的換熱系數(shù)，保證調(diào)節(jié)汽門能夠開啟、汽輪機(jī)能夠提升到額定轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)組能夠并網(wǎng)；分析轉(zhuǎn)子疲勞情況，為后續(xù)邏輯參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)；采用X準(zhǔn)則、Z準(zhǔn)則相結(jié)合的方式，優(yōu)化660 MW二次再熱汽輪機(jī)啟動步序的邏輯參數(shù)，有效提高了優(yōu)化效果。

圖2 高壓第一級平均升溫率對比

圖3 最大應(yīng)力對比

圖4 疲勞壽命損耗對比

圖5 低壓轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位最大熱機(jī)械應(yīng)力對比

4 結(jié)語

完成660 MW二次再熱汽輪機(jī)啟動步序的邏輯參數(shù)優(yōu)化算法的研究。對溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，采用X準(zhǔn)則、Z準(zhǔn)則相結(jié)合的方式，構(gòu)建啟動步序邏輯函數(shù)，匹配自啟動步驟。對文中的設(shè)計方法進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果證明，汽輪機(jī)的啟動時間縮短，低壓轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位最大熱機(jī)械應(yīng)力降低，最大應(yīng)力和平均升溫率升高，提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性。