200MW汽輪機(jī)快速啟動(dòng)過(guò)程中高壓脹差控制.doc

200MW汽輪機(jī)快速啟動(dòng)過(guò)程中高壓脹差的控制黃輝福、李忠、高峰、李春雨摘 要：汽輪機(jī)高壓脹差控制是制約國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組安全快速啟動(dòng)的一個(gè)重要因素。本文闡述了200MW汽輪機(jī)啟動(dòng)中，采用合理開、停調(diào)門來(lái)改變調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫升率，以及合理選擇升負(fù)荷時(shí)機(jī)的技術(shù)方法。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；快速啟動(dòng)；高壓脹差；溫升率；控制一、 200MW汽輪機(jī)快速啟動(dòng)探討隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電結(jié)構(gòu)的變化，以及電網(wǎng)中大機(jī)組的不斷增多，200MW機(jī)組已經(jīng)由過(guò)去的主力機(jī)組變?yōu)檎{(diào)峰機(jī)組，要求200MW機(jī)組必須具有適應(yīng)負(fù)荷快速變化和快速啟停的性能，但是該類機(jī)組都是按照基本負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此這些性能較差，高壓脹差在啟動(dòng)過(guò)程中上升較快，難以控制。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)組啟動(dòng)依照200MW汽輪機(jī)運(yùn)行規(guī)程滑參數(shù)啟動(dòng)曲線進(jìn)行啟動(dòng)，高壓內(nèi)缸內(nèi)上壁溫度以0.87/min線性增長(zhǎng)，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程需耗時(shí)6小時(shí)，不適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度對(duì)機(jī)組機(jī)動(dòng)性的要求。為縮短啟動(dòng)時(shí)間，必須加快蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子和汽缸的加熱，提高金屬溫升率，但機(jī)組溫升率的提高應(yīng)在機(jī)組壽命損耗允許范圍內(nèi)。由圖1分析，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫升量較小時(shí)（機(jī)組并網(wǎng)后算起），溫升率可選擇大一些，反之則小些。如取每次循環(huán)的壽命損耗為0.01，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫升量在50時(shí)，轉(zhuǎn)子溫升率最高可達(dá)4.67/min；當(dāng)轉(zhuǎn)子溫升量在100時(shí)，轉(zhuǎn)子溫升率應(yīng)降到1.33/min；隨時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)子溫升量增加，最后轉(zhuǎn)子溫升率應(yīng)逐步降到1/min左右，即整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子溫升率應(yīng)由大到小，采用逐漸降低的變溫升率的過(guò)程。由于轉(zhuǎn)子溫度無(wú)法監(jiān)測(cè)，因此用高壓內(nèi)上缸溫度來(lái)間接監(jiān)控轉(zhuǎn)子溫度。規(guī)程規(guī)定機(jī)組在各種啟動(dòng)狀態(tài)下汽缸溫升率的控制值，體現(xiàn)了轉(zhuǎn)子壽命損耗在機(jī)組啟動(dòng)中金屬溫升率的具體控制范圍，即高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫升率控制值為：缸溫在150以下時(shí)，金屬溫升率應(yīng)控制在4/min；缸溫在150300范圍內(nèi)時(shí)，金屬溫升率應(yīng)控制在3/min；缸溫在300以上時(shí)，金屬溫升率應(yīng)控制在2/min。按照上述溫升率啟動(dòng)機(jī)組，高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁溫度從常溫下加熱到額定參數(shù)值487，最快需3小時(shí)?？梢?，快速啟動(dòng)在理論上是可行的。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，金屬溫升率的提高有時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致高壓脹差增長(zhǎng)過(guò)快，進(jìn)而危急機(jī)組安全運(yùn)行。因此，在轉(zhuǎn)子壽命損耗允許范圍內(nèi)適度提高金屬溫升率，會(huì)達(dá)到機(jī)組快速啟動(dòng)的目的，但其關(guān)鍵是要控制好高壓脹差。二、脹差形成的理論分析因?yàn)檗D(zhuǎn)子的質(zhì)面比、金屬的導(dǎo)熱特性與膨脹特性以及表面的放熱系數(shù)均優(yōu)于汽缸，所以在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的加熱升溫速度及溫度值相對(duì)較高，致使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的膨脹量大于汽缸的膨脹量，產(chǎn)生相對(duì)膨脹差（即脹差）。其值為： 式中：bri為第i段轉(zhuǎn)子的平均溫升率 bci為第i段汽缸的平均溫升率由公式分析，由于轉(zhuǎn)子和汽缸的膨脹系數(shù)和相應(yīng)區(qū)段的軸向長(zhǎng)度是一定的，所以轉(zhuǎn)子和汽缸的膨脹差最終取決于轉(zhuǎn)子和汽缸的金屬溫升率之差對(duì)時(shí)間的積分，只要控制二者的溫升率就可以控制脹差。該變化率可用高壓調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫度變化率來(lái)表征，它取決于高壓調(diào)門的開啟速度和主汽溫升率，金屬溫度變化率隨時(shí)間呈指數(shù)跟隨蒸汽溫度變化率；蒸汽與金屬初始溫差及溫升時(shí)間決定，蒸汽的溫度取決于調(diào)門的開度和主汽溫度。在現(xiàn)場(chǎng)可控制的就是主汽溫度、主汽溫升率、高壓調(diào)門的開啟速度和開度、升降負(fù)荷以及暖機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短。圖2為轉(zhuǎn)子、汽缸溫升率隨蒸汽溫升率變化的曲線示意圖，從圖上我們可以看出，轉(zhuǎn)子的溫度變化率跟隨蒸汽溫度變化率要比汽缸快，同樣在蒸汽溫升率為零時(shí)轉(zhuǎn)子溫升率衰減比汽缸快。曲線1為轉(zhuǎn)子溫升率變化曲線，曲線2為汽缸溫升率變化曲線，汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程溫升率調(diào)整如下：第一時(shí)段：以溫升率1提升汽溫；第二時(shí)段：穩(wěn)定汽溫不變；第三時(shí)段：溫升率2提升汽溫；第四時(shí)段：穩(wěn)定汽溫不變；第五時(shí)段：以溫升率3提升汽溫這樣交替調(diào)整蒸汽參數(shù)。在不同的時(shí)間段內(nèi)，脹差有時(shí)向正的方向發(fā)展， 有時(shí)向負(fù)方向發(fā)展。蒸汽的溫升率也可以不為零，只要低于汽缸的溫升率就可以。如圖2中虛線所示，此區(qū)間內(nèi)升負(fù)荷同樣能減小脹差，同時(shí)主汽溫得到提升，達(dá)到快速加熱機(jī)組的目的。二、 油田熱電廠200MW汽輪機(jī)快速啟動(dòng)能力圖3 油田熱電廠200MW機(jī)組冷態(tài)滑參數(shù)啟動(dòng)曲線油田熱電廠現(xiàn)有三臺(tái)200MW汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)均為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CC140/N200-130/535/535型汽輪機(jī)。圖3 是我廠200MW機(jī)組冷態(tài)滑參數(shù)啟動(dòng)曲線。從曲線上可以看出，冷態(tài)下（高壓缸內(nèi)缸上內(nèi)壁150以下）汽輪機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)，沖動(dòng)加熱至定參數(shù)運(yùn)行需耗時(shí)6小時(shí)，主汽溫升率約為0.82/min。在此期間，汽缸溫度由常溫20加熱至487，溫升率為1.3/min，遠(yuǎn)低于規(guī)程3-4/min的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組 次數(shù)123平均（min）#1機(jī)啟動(dòng)時(shí)間（min）300（熱態(tài)）380（熱態(tài)）420（熱態(tài)）366.7#2機(jī)啟動(dòng)時(shí)間（min）390（熱態(tài)）520（冷態(tài)）410（熱態(tài)）426.7#3機(jī)啟動(dòng)時(shí)間（min）510（冷態(tài)）180（極熱態(tài)）520（冷態(tài)）403.3表1 油田熱電廠2008年機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間（沖動(dòng)到定參數(shù)）表1 為油田熱電廠2008年機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間（沖動(dòng)到定參數(shù)），從中可以看出，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間（沖動(dòng)到定參數(shù)）平均約為6-7小時(shí)左右。從以上圖表可以看出，我廠200MW汽輪機(jī)快速啟動(dòng)能力不足，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，且冷態(tài)情況下啟動(dòng)時(shí)間（沖動(dòng)到定參數(shù)）最長(zhǎng)達(dá)8個(gè)小時(shí)左右，主要體現(xiàn)在暖機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其原因是汽缸金屬溫度溫升率低，高壓脹差增長(zhǎng)過(guò)快。這種方式啟動(dòng)，將大大降低機(jī)組快速啟動(dòng)的能力，不能更好地滿足電網(wǎng)對(duì)我廠機(jī)組調(diào)峰機(jī)動(dòng)性的要求。圖4 #2機(jī)組冷態(tài)滑參數(shù)實(shí)時(shí)高壓脹差曲線圖5 #2機(jī)組冷態(tài)滑參數(shù)實(shí)時(shí)汽缸總膨脹曲線圖4、圖5為油田熱電廠#2機(jī)組2008年10月26日冷態(tài)滑參數(shù)啟動(dòng)過(guò)程的高壓漲差、汽缸總膨脹實(shí)時(shí)曲線。啟動(dòng)前，高壓內(nèi)缸上內(nèi)壁溫度為99，為冷態(tài)啟動(dòng)。沖轉(zhuǎn)前的高壓脹差為1.7mm，沖轉(zhuǎn)參數(shù)為：主汽溫度 260；主汽壓力 1.6 Mpa。14：30汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)，沖動(dòng)后嚴(yán)格按照規(guī)程要求來(lái)升速、暖機(jī)；14：36投入了汽缸加熱裝置；15：14升速至3000r/min,由于沖轉(zhuǎn)時(shí)高調(diào)門開度很小以及開啟速度緩慢，高壓脹差變化不大；15：30 #2發(fā)電機(jī)并列，之后逐漸開大調(diào)門并增加負(fù)荷，同時(shí)按規(guī)程要求進(jìn)行各項(xiàng)操作。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，鍋爐按要求持續(xù)升溫升壓，機(jī)側(cè)按規(guī)定逐漸開大調(diào)速汽門，直至全開。此時(shí)，由于高調(diào)門快速開啟，調(diào)節(jié)級(jí)處蒸汽溫度快速升高，調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽與金屬溫差大，此時(shí)轉(zhuǎn)子金屬溫升率很高，導(dǎo)致了高壓脹差的大幅度上升，快速升到3.4mm，隨著調(diào)速汽門全開，蒸汽加熱進(jìn)一步加劇，高壓脹差隨之繼續(xù)上升，最高值達(dá)到4.9mm。隨著暖機(jī)時(shí)間的延長(zhǎng)，汽缸金屬溫度和汽缸總膨脹的升高，高壓脹差隨之降低。從機(jī)組啟動(dòng)參數(shù)和曲線上分析，高壓脹差增長(zhǎng)過(guò)快的原因主要是：一是缸體金屬溫度在并網(wǎng)后溫升率低，約為0.38/min，特別是內(nèi)缸外壁和外缸溫度上漲慢，導(dǎo)致汽缸膨脹增加緩慢；加熱裝置在機(jī)組沖轉(zhuǎn)時(shí)就已投入，但是隨著汽門的逐漸開大，大量的蒸汽進(jìn)入到汽缸內(nèi)，轉(zhuǎn)子的加熱劇烈，加熱裝置的夾層壓力和流量跟隨主蒸汽壓力而下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的溫升率比汽缸溫升率大的多，致使高壓脹差增長(zhǎng)過(guò)快。雖然在啟動(dòng)過(guò)程中也采用了各負(fù)荷階段暖機(jī)、控制蒸汽溫度等方法來(lái)控制高壓脹差，但仍未從根本上解決高壓脹差高的問(wèn)題。二是機(jī)組并網(wǎng)后高壓調(diào)門開啟過(guò)快，并且過(guò)早達(dá)到全開，依靠鍋爐升溫升壓來(lái)完成機(jī)組啟動(dòng)。該操作的弊病是快速開啟調(diào)門后，調(diào)節(jié)級(jí)溫升率升高，轉(zhuǎn)子的溫升率增大，并且隨著主汽溫度和負(fù)荷的增加，對(duì)轉(zhuǎn)子的加熱更加劇烈，但是這時(shí)汽缸的溫升率由于加熱裝置蒸汽的不足而增長(zhǎng)緩慢，高壓脹差進(jìn)一步增大。這時(shí)，只能采用延長(zhǎng)汽輪機(jī)暖機(jī)時(shí)間的方式，依靠鍋爐升溫升壓后進(jìn)入夾層的蒸汽量增加，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽缸金屬溫升率逐漸提高的目的，以延緩高壓脹差的快速增長(zhǎng)。但機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間被延長(zhǎng)，同時(shí)消耗了大量的燃料并造成了工質(zhì)的浪費(fèi)。四、200MW汽輪機(jī)高壓脹差控制和改進(jìn)措施為了將高壓脹差控制在合理的范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全快速啟動(dòng)，關(guān)鍵是采用分階段、合理的蒸汽溫升率和汽缸金屬溫升率。一方面，在機(jī)組并網(wǎng)后，不急于將調(diào)門快速開啟，這是快速啟動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)，以主汽壓力不超過(guò)7MPa來(lái)確定高壓調(diào)門開度。因在7MPa時(shí)，可最大限度地加大高壓缸夾層進(jìn)汽量，增強(qiáng)蒸汽對(duì)高壓外缸的加熱膨脹，主汽壓過(guò)高要節(jié)流高壓缸夾層聯(lián)箱進(jìn)汽門，直到升負(fù)荷開調(diào)門難以維持該壓力后再節(jié)流高壓缸夾層聯(lián)箱進(jìn)汽門；調(diào)門開大時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)汽溫升高，轉(zhuǎn)子和汽缸的溫升率隨之提高，高壓脹差正向發(fā)展；調(diào)門停留時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫升率逐漸下降為主蒸汽溫升率（約1/min），低于汽缸溫升率；停留一段時(shí)間，高壓脹差負(fù)向發(fā)展，且負(fù)荷的增長(zhǎng)加快了該趨勢(shì)。這樣，通過(guò)調(diào)門合理開停來(lái)改變調(diào)節(jié)級(jí)溫升率，使高壓脹差控制間斷增減，達(dá)到快速提高汽缸溫升率的目的。機(jī)組升負(fù)荷高壓脹差不是增大而是減小，由此加快了汽缸的加熱。此時(shí)須注意，升負(fù)荷要待高壓脹差增長(zhǎng)趨緩或稍有回落時(shí)進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)控制主蒸汽溫升率不得有大幅升高，高調(diào)門不得快速開啟。否則，升負(fù)荷過(guò)程中高壓脹差將有所上升，甚至出現(xiàn)失控的情況。五、結(jié)束語(yǔ)機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)后，用開停調(diào)門的方法來(lái)改變調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽溫