（热能工程专业论文）国产300mw汽轮机中压缸启动的试验研究与应用.pdf

兰! ! 塑塑查堂堡主堂笪堡塞 摘要 本文阐述了3 0 0 m w 汽轮机中压缸启动的系统要求、操作，指出了高中压缸联合 启动存在的不足，说明了大型机组汽轮机采用中压缸启动的优点及其应用前景。介绍了 贵州安顺电厂3 0 0 m w 汽轮机采用中压缸启动方式的改进和运行实践，分析东方汽 轮机厂生产的3 0 0 m w 汽轮机组系统设计特点。在3 0 0 m w 汽轮机组中压缸启动及 实践中，对机组中压缸启动方式的优越性加以研究分析，在寿命损耗不超过规定值 下，节约了启动时间和大量燃油。指出中压缸启动方式是经济、高效、安全可靠的 启动方式，并制定汽机预暖与中压缸启动的方案。 关键词：汽机轮，中压缸启动，控制系统，旁路系统； a b s t r a c t t h i sa r t i c l ec o n c e r n sa b o u td e m a n d s ，o p e r a t i o no fi pc a s i n gs t a r t u p ，p o i n t so u tt h e d i s a d v a n t a g e so f h p i pc y l i n d e r su n i t es t a r t u p ，t h ea d v a n t a g e sa n da p p l i e dp r o s p e c to f i pc y l i n d e rs t a r t u p t h i sp a p e rr e s e a r c ha n da n a l y z et h ei m p r o v e m e n t sa n do p e r a t i o n p r a c t i c e s o fs t a r t u pm o d eo f3 0 0 m wt u r b i n e st h r ui n t e r m e d i a t ep r e s s u r ec y l i n d e ri n a n s h u n p o w e rp l a n t t h es t a r t i n g - u pt i m ei sr e d u c e d i nt h et e s to fi pc a s es t a r t i n g u p ， a n dl a r g ea m o u n to fi g n i t i o no i li ss a v e dw h i l et h es e t t l i n gv a l u ef o re x p e n d i t u r eo fl i f e e x p e c t a t i o n i sn o te x c e e d e d t h es y s t e m d e s i g n e df e a t u r e s ，h i g h p r e s s u r ec a s i n g o f s t e a mt u r b i n e p r e w a r m i n ga n dm e d i u mp r e s s u r ec a s i n gs t a r t i n g o f3 0 0 m wt u r b i n e p o w e rg e n e r a t o r sa r ed i s c u s s e da n di t i sc o n c l u d e df r o mt h ea n a l y s i so fi pc y l i n d e r s t a r t i n ga d v a n t a g e st h a ti pc y l i n d e rs t a r t - u pi s a ne c o n o m i c ，e f f i c i e n t ，s a f ea n dr e l i a b l e s t a r t u dm e t h o di ns t a r t u po f3 0 0 m ws t e a mt u r b i n eu n i t st h r o u g hi pc y l i n d e r f a n b i n ( p o w e rp l a n t t h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nz h o n gh e k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，i n t e r m e d i a t ep r e s s u r ec y l i n d e rs t a r t u p ，t e s tr e s e a r c h 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文国产3 0 0 m w 汽轮机发电机组中压缸 启动的试验研究与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：趁逐日期：2 q q 生旦2 q 目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：趁逊 日 期：赶! ：c ：；f 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的目的和意义 目前国内缺电十分严重，用电结构在发生转变，负荷逐年增加，为节约能源， 使机组发挥更大的效益，并达到电网调峰的要求，必须探索更合理的启动方式。当 前再热汽轮机在控制和运行方面均获得了较大的发展，为使中间再热式汽轮机达到 快速启动要求，节省启动过程中的燃油，缩短启动时间。必须对今后机组启动过程 提出合理的要求使汽机和锅炉启动运行过程简便，减少汽机启动运行的热冲击，每 次启动的热疲劳减至最小，并能达到快速启动。 中压缸启动就是具有一次中间再热的大容量超高压及以上参数凝汽式汽轮发 电机组启动时，高压调速汽门关闭，由中压缸进汽冲转，直到机组带一定负荷( 或 达到一定转速) 后，再切换到常规高中压缸联合启动进汽方式继续接带负荷，最后 带到机组满负荷运行。在此过程中，切换进汽方式下的负荷为切换负荷。采用此方 式的目的是满足机组快速启动的要求。 国产3 0 0 m w 一次中间再热汽轮机组，一般均采用高中压缸联合启动方式。我 国引进的国外3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组( 如法国阿尔斯通、美国g e 公司、日本日立公 司等) 都增设有中压缸启动功能，有些机组只有中压缸启动功能。在各种启动状态下 都采用中压缸启动方式。 近年来，随着电力工业的飞速发展，中压缸启动方式丌始在引进的大型机组上 采用，并在一些已投产的国产机组上进行了试验，取锝了良好的效果。国内开始 在国产机组上采用中压缸启动方式的移植研究，对一些设计时没有考虑中压缸冷态 启动方式的国产机组，通过对相关系统采取一系列改造，基本实现了中压缸冷态启 动方式。 贵州省在中压缸启动方面也作了不少工作，首先在清镇发电厂、贵阳发电厂对 两厂2 0 0 m w 东方汽轮机厂生产的机组进行改造实现了中压缸启动方式。在贵州首 台3 0 0 m w 机组安顺电厂1 号机组在1 9 9 8 年1 0 月机组调试试运期间，利用东方汽 轮机厂原有的中压缸启动方式的设计和电液数字调节系统( d e h ) 功能，也用中压 缸启动进行了冷态启动，从高缸预暖，汽机冲转，高压缸闷缸暖机至3 0 0 0 r l m i n 定 速、并网，中压缸启动方式与高中压缸联合启动方式切换至带负荷也初步取得成功。 但是，从启动过程中试验发现，此启动方式在国产机组中还存在一些有待解决的设 计、设备、技术问题。 由于这些问题的出现，使得中压缸启动方式在贵州走向低谷，甚至有的厂在合 理化建议会上直接提出取消中压缸启动方式。为进一步推广和应用中压缸启动方 式，必须解决启动过程中每个步骤和细节出现的问题，迸一步完善和改进中压缸启 华北电力大学硕士学位论文 动方式。 1 2 中压缸启动的技术现状 1 2 1 国外中压缸启动方式的应用情况及动向 约在1 9 5 3 年以前，法国电力网中主要由水电站带基本负荷，火电厂带尖峰负 荷为适应电网调峰需要，当时火电厂普遍采用的自然循环锅炉机组中开始配置起 动旁路系统( 通常是小流量旁路，旁路流量约占设计流量的2 0 ) 。此后，由于电 网需求的增长，水电容量不足以满足基本负荷的需要，部分火电机组开始带基本 负荷，为此发展了大功率再热式机组( 单机容量2 5 0 6 0 0 m w ) 。当今，由于火电 燃料成本上涨，核电得到迅速发展，基本负荷由水电站而更大程度上越来越由核电 站供给，火电广主要用于调峰。为提高火电机组的经济性及适应调峰的需要，越来 越多地采用了高参数( 亚临界和超临界) 和大容量机组，配备了自然循环或强迫循 环锅炉，以及中间再热式汽轮机和大流量一约占设计容量7 0 1 0 0 的旁路系统。 调峰机组的运行特点是启动频繁。为了解决好由此两产生的经济性和安全性问 题，这些机组应满足下列准则。 1 简化汽轮机和锅炉设备的启动操作，实现快速起动和接带负荷，并能在低负荷 停机，以节省燃料。 2 避免启动过程中对汽轮机的热冲击，将热疲劳的影响要减到最小。 为满足上述要求，除要采用合适的启动旁路系统，改善机组的启动旁路和控 制技术外，还要研究合理的启动方法。 阿尔斯通公司对带旁路系统的再热式汽轮机采用中压缸起动的方法就是为此 目的而发展起来的，并已多年应用，有着丰富和可靠的经验，它适用于配有自然循 环、也适用于配有强制循环锅炉的机组。在各种不同启动工况下( 冷态、温度和热 态) ，总数达3 5 0 0 0 次。 以上采用中压缸启动的实践，都取得了成功，没有一次事故，统计如下：汽轮机台 数超过1 1 0 台；用中压缸起动次数超过3 5 0 0 0 次。 美国g e 3 5 0 m w 机组，冷态启动时采用盘车预暖，提高转子金属温度。中压缸 启动方式，国外很多大型汽轮机组都已普遍采用。 1 2 2 国内中压缸启动方式的应用情况及动向 目前，为缓解采用高中压缸联合启动方式出现的技术问题，引进的阿尔斯通、 g e 、日立、罗马尼亚3 3 0 m w 机组、俄罗斯列宁格勒金属工厂生产的3 0 0 m w 机组 都增设了中压缸启动方式功能，g e 机组要求冷态采用高中压缸联合启动方式，在 温、热、极热态采用中压缸启动方式，而阿尔斯通、日立机组、罗马尼亚3 3 0 m w 华北电力大学硕士学位论文 机组、俄罗斯列宁格勒金属工厂生产的3 0 0 m w 机组在各种启动状态下都要求采用 中压缸启动方式，国产3 0 0 m w 机组已试验研究成功。例如： 东汽3 0 0 m w 汽轮机组( 分缸) 于9 4 年3 月7 日在沙岭子电厂# 1 号机( d 1 2 机型) 进行了首次冷态中压缸启动，启动获得初步成功，实现了冲转、定速、并网、 切换启动方式带负荷全过程。 东汽3 0 0 m w 汽轮机组( 合缸) 于9 7 年9 月1 日在上安电厂# 3 号机( d 3 0 0 h 机型) 进行了首次热态中压缸启动启动获得初步成功。 东汽3 0 0 1 l ，i w 汽轮机组( 合缸) 于9 8 年1 0 月2 9 日至3 0 日在贵州安顺电厂# l 号机( d 3 0 0 h 机型) 进行了首次冷态中压缸启动，启动获得初步成功。 9 9 年1 1 月1 5 日在广安电厂1 号机( 东汽3 0 0 m w 汽轮机组d 3 0 0 h 合缸机型) 进 行了冷态中压缸启动，启动获得成功。 但现有的中压缸启动方法和技术还没有在国产机组上普及。为普及中压缸启动 方法，必须深入研究和克服中压缸启动过程中出现的问题，更进步适应电网对启 动方式发展的需要，使中压缸启动方式有新的丰富和发展。 1 2 3 高、中压缸联合启动及中压缸启动 国产再热式汽轮发电机组，传统上都采用高中压缸联合启动方式完成从冲转、升 速、并网直至带负荷全过程，经过多年的运行实践，发现采用高中压缸联合启动方 式存在着一些不足，特别是热念启动时间较长，降低了机组的启动灵活性、可靠性 和启动经济性。 高、中压缸联合启动的过程中，高中压缸同时进汽，由于中低压缸直接连通， 所以低压缸也同时进汽。这样，蒸汽就在高、中、低压三个缸内同时做功，为维持 一定的转速或负荷所需要的蒸汽流量就较小。中缸启动的要点是在启动的一定阶 段，在汽机的负荷达到一定的负荷之前，高压缸不进汽，新汽通过一级旁路进人再 热冷段，经再热器进人中压缸冲转。这时，通过关闭高压缸的进气阀和排汽逆止阀， 开启高压缸与凝汽器连通的真空阀，使高压缸处于真空状态，也可以打开高排逆止 门旁路门对高压缸进行倒暖。这样在启动的过程中既可实现保持高的再热器压力， 满足旁路系统大流量提升温度和快速启动的要求，又使汽机的各部件避免了热冲 击，实现安全经济的快速启动。 1 2 4 高中压缸联合启动存在的问题及中压启动的特点 高、中压缸联合启动时，由于蒸汽流量小，转子往往不能得到有效的加热，尤 其是在冷态启动时，转子的温度不能很快加热到转子的脆性转变温度以上，延长了 中低速暖机时间，影响启动速度。在中缸启动时，出于中、低压转予通过的流量大， 再热器的压力就可以提高，从而可以通过提高锅炉的蒸发量来加快再热汽温的提升 华北电力大学硕士学位论文 速度，使中压转子快速越过脆性转变温度。同时可以通过倒暖使高压缸在进汽前转 予温度越过脆性转变温度，加快机组的启动速度。 高中压缸联合启动由于蒸汽流量小，压力低，放热系数小，高、中压缸不易得 到有效的加热，高、中压缸的差胀过大，影响启动速度。在中缸启动时，中压缸加 热速度加快，高压缸可以通过倒暖得到均匀的预热，在高压缸进汽以前已经胀出， 不存在高缸膨胀不畅的问题。 高中压缸联合启动同样由于小的蒸汽流量，机组在小流量下运行，摩擦鼓风损 失较多，而小流量的蒸汽所能带走的热量却较小，在某些特殊的工况下，由于等待 时间过长，高、低压缸的排汽温度都有可能升得过高。中缸启动增大了中低压缸的 流量，避免了低压术级排汽的超温，通过调整高压缸内的压力和倒流的流量，也可 以避免高排的超温。这个特点使得中缸启动的机组可以较长时间低负荷、空负荷运 行，给调峰接带负荷提供了相当大的灵活性。 另外，在高中压联合启动过程中，调节级处受到热冲击较大，为减小热冲击， 往往延长启动时间，中缸启动时由于高缸进汽前得倒暖，受到热冲击较小，机组的 寿命损耗也相应减少。 大容量机组的锅炉由于传热面积大，而其热惯性远比汽机小，停炉时锅炉的冷 却比汽机快得多。对调峰机组而言，常见的是热念启动和温态启动，短期停机后再 启动时，锅炉各部件已经冷却，而汽机的温度仍然较高，为了防止启动过程中汽机 内部件被冷却产生热冲击，就要向它提供具有一定过热度的蒸气。为了在锅炉出口 得到温度足够高的蒸气，首先应建立一定的流量，这通常通过旁路系统实现。旁路 系统通常包含高旁和低旁两部分。高旁连接过热器出口和再热器入口，并具有喷水 减温的功能。低旁连接再热器出口和凝汽器人口。启动前，旁路系统投人运行。为 实现调峰的要求，在启动时快速提升汽温，就应加大旁路系统的容量。这可以通过 增大旁路管线和阀门的尺寸来实现，但有制造成本和现场布鼍方面的困难。第二个 办法是提高再热器的工作压力。然而在启动的过程中进汽量小，在常规的高中压缸 联合启动中，高压缸和中压缸同时进汽，如果保持高的再热器压力，也即保持高的 高压缸背压，高缸的鼓风效应使排汽部分的温度急剧升高而导致危险。中缸启动使 这个问题得到了有效的解决，在中缸启动方式下，由于高缸被隔离，提高再热器压 力对高缸没有影响。 当然，中缸启动也有其特殊问题，如高缸被隔离时，转子轴系的推力就会较大， 这要求限制高缸被隔离的最大负荷。应用中缸启动方法要求中联门具有调节功能， 能调节机组升降速及在一定的范围内增减负荷，然而，大尺寸的中联门却较难控制 蒸汽流量。再就是必须设置旁路系统，这在上文已有论述。另外，不同的运行方式 也要求运行人员有一个适应过程。 华北电力犬学硕士学位论文 一一一 1 2 5 中压缸启动的优点 通过中压缸启动与高压缸启动的比较，其优点如下： 2 5 1 中压缸内缸启动特别适合于热态和极热态启动，因为在这种启动方式下，一方 面再热蒸汽经过两次加热，其温度容易实现与中压进汽部分汽缸和转子金属温度之 间的匹配，另一方面，再热蒸汽与主蒸汽之间的温差较高中压联合启动要小。在负 荷切换时，容易实现主蒸汽与再热蒸汽的温度与高压调节级和中压第一级处金属温 度的同时匹配，这表明，热态和极热态启动采用中压缸启动方式，可是机组较好的 避免热冲击，减少寿命损耗。 2 5 2 中压缸启动用于两班制运行时，有较好的启动灵活性 承担两班制运行的机组，需要应付频繁的热态启动，这时中压缸内缸启动因其 易于实现再热蒸汽温度与缸温的匹配，因此可避免热冲击，并能实施灵活启动，因而 显出特别的优势，而采用热态高中压缸联合启动，由于再热蒸汽温度受锅炉特性的 限制，一般较主蒸汽温度的温度低，其温度往往不能与汽缸中压部分较高的金属匹 配，为减少热冲击，就需要等待中压部分缸温降低到与再热蒸汽相适应时再启动， 这就降低了热态启动的灵活性不符合两班制调峰运行的要求，若不等缸温下降就启 动，又将付出寿命损耗的代价，因此比较起来。中压缸启动更适合用于两班制调峰 运行。 2 5 3 中压缸启动用于冷态启动时，由于中压缸进汽参数比高中压联合启动时高的 多，中压缸可以缩短加热时间，高压缸可以减少热冲击，因此，具有缩短启动时间 与减少寿命损耗的双重优点。 2 ，5 3 i 关于缩短启动时间 在同一启动工况下对常规高中压缸联合启动而言，整机流量较小，汽缸内换热 强度低，尤其是中压缸，出于再热蒸汽温度低，它的加热速度更为缓慢，膨胀得不 到正常释放，使胀差超限，且不易控制。为等待胀差恢复，使启动时间延长。而用 中压缸启动时情况就不同，因为，从冲转到并网到负荷切换仅有中压缸进汽作功， 中压缸流量大，且进汽温度也高，中压缸的加热条件得到了明显改善，加快了中压 缸膨胀，克服了国产分缸机组普遍存在的冷态启动时中压缸膨胀不畅、胀差不易控 制的主要问题，明显地加快了启动过程。 2 5 3 2 关于减少寿命损耗 对中压缸启动而言，直到负荷切换之前，高压缸处于被隔离状态，不但无热冲 击，而且进行了充分足够的预热，并且预热温度处于受控状态。在负荷切换对，高 压缸因要满足所承担负荷的需要，进汽量比联合启动最初时的进汽量要大( 因己带 上一定负荷而非最初冲转) ，能满足汽缸在预热基础上均匀加热的需要，故中压缸 启动时高压缸无大的热冲击，机组寿命损耗小。 华北电力大学硕士学位论文 2 5 4 采用中压缸启动，可有效地解决中压转子预热温度低于“脆性转变温度”这一问 题 对于冷态启动，一般要求在中速暖机或高速暖机结束时，中压排气温度必须超 过脆性转变温度( f a t t ) ，以避免灾难性的转轴脆性断裂事故问题。 对于冷态高中压联合启动，由于再热温度较低，冲转及升速过程中蒸汽流量较 小，为使中排温度达到和超过f a t t ，必须延长中、高速暖机时间。在电厂实际的 高中压缸启动中往往延长中速暖机时间，以求中压排汽缸温度的上升，实际上有时 根本达不到这一温度要求，在此过程中，且使上下缸温度加大，增加了大轴弯曲的 可能性，同时存在转子发生脆性断裂的潜在危险。而采用中压缸冷态启动，弭热温 度较高，蒸汽量较大，因而中压排气温度易达到这一要求，使中高速暖机时间相对 较短，也降低了启动过程中弯曲故障的概率。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章中压缸启动基础 2 1 预防汽轮机转子脆性损伤 火型汽轮发电机组转子脆性损伤事故，在国外曾多次发生，脆性损伤的预防， 己引起人们的重视。有关材料脆性损伤的机理、评估方法及预防措旋的研究，近年 来发展较快，特别是断裂力学的发展，为定量分析脆性破坏提供了有效手段。在工 程应用上，把进行材料冲击试验时，断口形貌中韧性和脆性面积各占5 0 时所对应 的试验温度，称为该材料的脆性转变温度，记作f a t t 材料温度高于f a t t 时，其 呈现为韧性破坏，低于f a t t 时，呈现脆性破坏，而且材料的临界裂纹尺寸值显著 下降，使其发生脆性损伤的可能性增加因此，国外对汽轮机转子材料的f a t t 有 明确的要求而且对预防汽轮机转子脆性损伤也有具体的措施， 国产大型机组的运行规程中，对预防转子脆性损伤还未作具体的规定，制造厂 对转子材料的f a t t 值也没有作详细说明。因此，积极进行预防转予脆性损伤的研 究工作，是实现机组安全运行的一个重要内容 2 1 1 预防汽轮机转子脆性损伤的途径 金属材料的脆性转变温度f a t t ，不仅与材料的化学成份有关，而且与材料的 冶炼、锻造、热处理工艺过程等有关即使同一材质的汽轮机转子，由于制造工艺 的差异，将使其f a t t 有明显的差别，而对已运行的机组，预防转子脆性损伤，讨 论采用合理的运行方式，在转子应力水平不高的条件下，将转子的金属温度提高到 汀t 以上，实现机组安全运行 汽轮机冷态启动升速过程中，由于温升量较小，同时蒸汽对金属的放热系数也 较小，因此，预防转予低温脆性损伤，是升速阶段的主要任务之一，就要求合理安 排升速方式，使机组在定速之前，在转子应力水平不高的条件下，进行充分暖机， 将转子内孔的金属温度提高到f a t t 以上宝钢电厂日本三菱3 5 0 m w 汽轮机运行 说明书中明确指出，在冷态启动时，中速暖机的目的主要是预防转子脆性损伤美 国w h 、g e 公司的大型汽轮机运行规程中都明确规定，在升速过程中，当转子内 孔金属温度达到f a t t 之后，才允许升速到定速。美国g e 公司的3 5 0 m w 汽轮机运 行规程规定，为了预防转子脆性损伤，要求机组在冷态启动时，必须在盘车状态下， 进行转子预暖，等到高、中压转子中心孔金属温度达到1 5 0 以上时，才允许冲转。 但是，国产大型汽轮机，对预防转子脆性损伤都没有作具体的规定，制造厂家对转 子材料的f a t t 特性很少给用户提供详细说明 关于中速暖机的安排，国产大型汽轮机运行规程中，都没有明确中速暖机的目 的是预防转予脆性损伤，而暖机的目的是避免金属温升速度太快和控制胀差国产 3 0 0 m w 机组运行规程中规定，只要高压缸调节级处，中压缸第一级处的内缸内壁 ， 华北电力大学硕士学位论文 金属温度达到2 5 0 。c 以上，中压缸开始胀出，金属温升速度、温差及胀差、振动正 常就认为中速暖机结束。 根据国产大型汽轮机升速方式应用有限元计算程序，3 0 0 m w 汽轮机冷态启 动升速过程的转子温度场进行了计算分析计算结果表明，对材质为3 0 c r 2 m o v 的 高、中压转子，在中速暖机结束时，高压转予最后一级叶轮处轴的内孔金属温度可 以渡过f a t t 。而中压转子轴的直径尺寸比较大，同时冷态启动时，再热汽温偏低， 所以中压转子最后一级轴中心孔金属温度难以渡过f a t t 同时计算结果表明，为了预防转子脆性损伤，中速暖机时间长短的安排，受两 部分因索的影响，一是冲转时蒸汽温度与金属温度失配所需要的暖机时间，二是冲 转时金属温度低于f a t t 值所需要的暖机时间。因此合理安排中速暖机时间，应该 根据冲转时汽缸金属温度状态及暖机过程中实际的金属温度变化状态来决定，而不 应该是一个固定的数值对国产大型汽轮机，还应注意机组胀差及振动的变化状态。 由于在升速过程中；、汽轮机转子的加热效果，不仅受主汽温和再热汽温的影 响，特别是中压转子的后半部，还将受到轴封蒸汽温度，汽缸及转子几何形状尺寸， 排汽真空等多种因素的影响即使蒸汽参数相同，由于运行方式不同，金属的受热 状态将有所差异因此判定转子金属温度是否渡过f a t t ，应以中压缸排汽部分实 际金属温度状态或实际汽温为依据日本东芝公司大型火电机组的启动方式中明确 指出，应以中压缸排汽室上半部金属温度实际变化状态来决定中速暖机是否结束； 美国g e 公司汽轮机启动和带负荷导则中规定， 中速暖机后，中压缸排汽温度低于 9 4 。c ( 2 0 0 。f ) 时，还需进行高速阶段暖机；日本三菱3 5 0 m w 机组运行规程规定， 中压缸排汽温度达到1 7 5 为中速暖机结束的依据这些技术观点，都是值得借鉴 的 2 1 2 预防国产3 0 0 m w 汽轮机转子脆性损伤的建议 国产3 0 0 m w 汽轮机高、中压转子材料为3 0 c r 2 m o v ，其f a t t 约为1 2 0 。c ，低 压转子材料为2 5 c r 2 n i m o v ，其f a t t 约为0 c 在冷态启动时，高、中压转子的金 属温度低于f a t t 应用有限元计算程序，对其高、中压转子在启动过程的温度场 进行了详细计算分析，对影响启动过程转子受热条件的有关因素进行了探讨，并提 出其预防脆性损伤的有关建议 2 1 2 1 温度场计算的边界条件 国产3 0 0 m w 汽轮机高、中压转子为整锻转子，计算几何模型将每根转子作一 个整体进行处理。在边界条件处理时，将转子左右两端面( 轴颈中心线处) 视为第 1 类边界条件，转子的中心孔内表面作为第2 类边界条件，转子的外表面，如轴封 段、隔板汽封段和叶轮的两侧面均作为第3 类边界条件处理启动过程中，转子外 表面各部位介质参数变化规律，是根据国产3 0 0 m w 汽轮机典型运行规程和实际启 g 华北电力火学硕士学位论文 动妃录数据确定的冷态启动时的冲转参数，主蒸汽压力为1 ：5 m p a ，主汽温度为 3 0 0 。c ，再热汽温度为2 2 0 。c ，冲转后主汽温升率为1 m i n ，再热汽温升率为1 5 2 。c m i n 。冲转后3 0 r a i n 转速达到1 2 0 0 r m i n 。在1 2 0 0 r m i n 阶段进行中速暖机 6 0 8 0 m i n 。经过1 2 0 m i n 达到定速，此时主汽温和再热汽温达到4 0 0 。c 左右。定速 后带初负荷2 0 4 0 m w ，暖机4 0 m i n ，再热汽温达到4 5 5 ，中压缸最后l 级( 1 9 级) 后，汽温升到1 8 0 左右。计算步长为1 0 0 m i n ，计算是在计算机上完成的。 2 1 2 2 计算结果分析和建议 汽轮机在启动过程中，转子属于不稳定加热过程，转予中心孔部位的金属温度 滞后于其表面的温度，同时在高转速情况下，转子中心孔部位将承受比较高的离心 力因此在升速到定速之前，要求高、中压转子最后l 级叶轮段的转子中心孔部位 的金属温度应超过f a t t 。计算结果表明，在冲转后6 0 m i n 时，高压转子最后l 级 中心孔部位金属温度已达到15 0 。c ，在定速时已达到2 1 2 因此，高压转子在中 速暖机结束时，能够渡过f a t t 。而中压转子在冲转后6 0 m i n 时，末4 级中心孔部 位温度较低，只有8 0 左右，远低于f a t t 值虽然再热汽温升率较大，但是由于 冲转时再热汽温偏低，同时由于蒸汽流量较小，压力低，放热系数小，再加上在升 速过程中末3 级蒸汽温度变化缓慢，缸体和转子粗大，吸热量多，所以中压转子后 半部金属温升速度缓慢在中速暖机结束时，难以超过脆性转变温度鼢l t t 在定 速时，中压第l 级处转子表面金属温度达到2 7 0 2 8 0 。c ，而其最后l 级中心孔部位 金属温度只有1 1 0 。c 因此国产3 0 0 m w 汽轮机运行规程规定：中速暖机结束，升至 全速的条件为高压缸调节级，中压缸第l 级处内缸内壁金属温度达到2 5 0 以上， 中压缸开始胀出，金属温升速度正常等依据该规定在中速暖机结束时，无法保 证中压转子最后几级中心孔处金属温度高于f a t t 值因此国产3 0 0 m w 汽轮机在 冷态启动时，预防转子脆性损伤，中压转子应给予充分的重视高、中压转予冷态 启动过程各主要阶段的温度场图谱见图2 一l 2 4 图2 1 高压转子冷态启动冲转后6 0 m i n 的温度场 图2 2 中压转子冷态启动冲转后1 2 0 m i n 的温度场 9 华北电力火学硕士学位论文 图2 3 中压转子冷态启动带4 0 m w 负荷时的温度场 图2 4 中压转子冷态启动初负荷暖机2 h 的温度场 为了预防转子脆性损伤，判断中速暖机是否结束，建议在中压缸排汽室或排汽 连通管上安装金属或汽温测点，以中压缸排汽部分的金属温度或蒸汽温度的实际变 化状态作为判断依据。 为了改善中压转子的受热条件，防止脆性损伤，可采取适当提高冷态冲转参数， 改善保温条件，适当延长暖机时间，改进运行方式及提高再热汽温等措施，以实现 提高中压转子后半部金属温度。冷态启动时可采用盘车预暖，提高转子金属温度。 中压缸启动方式可增加中压缸进汽量，改善中压转子的受热条件针对国产3 0 0 m w 机组的实际情况，在中速暖机阶段，使用高压旁路，减少高压缸进汽量，增加中压 缸进汽量：同时通过高压旁路，使部分新蒸汽与高压缸排汽混合，达到提高再热汽 温的目的等措施，都有利于改善中压缸的受热条件，使中压转子金属温度尽早渡过 f a t t 从实际使用效果分析，也是可以借鉴的。 机组定速后，带2 0 4 0 m w 初负荷暖机阶段的转子温度场计算结果表明，当机 组带初负荷暖机4 0 6 0 m i n 时，中压转子最后一级转子中心孔部位金属温度约为 1 2 0 ，再持续暖机l h ，可达到1 4 5 因此，为了预防转子脆性损伤，国产3 0 0 m w 汽轮机冷态启动后，需要作危急保安器试验时，建议必须在机组带初负荷2 0 4 0 m w ，中压缸排汽温度达到1 6 0 c 以上，继续暖机2 h 后解列再进行。国产3 0 0 m w 汽轮机，冷态启动带初负荷2 0 4 0 m w 暖机过程中，中压缸排汽温度和中压缸最后 1 级转子中心孔金属温度与暖机时间的关系见表2 1 该数据可供分析初负荷暖机 过程，中压转子的加热状态时使用。 华北电力大学硕士学位论文 初负荷暖机时中压缸排汽温度转子中心孔温度排气与中心孔温差( ) 间( )( ) 暖机1 h1 8 01 2 06 0 暖机2 h 1 8 01 4 6 3 4 暖机3 h1 8 01 6t1 9 暖机4 h18 01 6 81 2 暖机5 h 1 8 01 7 19 2 1 3 小结 2 1 | 3 1 国产3 0 0 m w 汽轮机中压转予最后l 级中心孔部位，在初负荷暖机1 h 后，才 能渡过脆性转变温度f a t t 。因此，国产大型汽轮机在冷态启动过程中，预防中压 转子脆性损伤，应给予足够重视。 2 1 3 2 为了预防转子脆性损伤，建议把中压缸排汽部分金属温度或排汽温度的实际 变化状态作为中速暖机结束的判断依据 2 1 3 3 为了提高冷态启动时中压转子的金属温度，建议采取适当提高冲转参数，适 当延长暖机时删，改进启动方式，提高再热汽温等方法采用盘车预暖的措施及中 速暖机阶段，使用高压旁路增加中压缸进汽量的措施都是可以借鉴的 2 1 3 4 国产3 0 0 m w 汽轮机在冷态启动后，需作危急保安器试验时，建议在机组带 初负荷2 0 4 0 m w ，中压缸排汽温度达到1 6 0 c 以上，持续暖机2 h 后进行 汽轮机冷态启动升速过程中，合理安排升速方式，提高转子金属温度，预防转 子脆牲损伤，是实现汽轮机安全运行的重要内容之一，对研究分析机组安全运行状 况和修订运行规程时将有重要参考作用。 2 2 转子寿命损耗计算过程 2 2 1 转子温度场计算 采用数值解法计算有中心孔的汽轮机离、中压转子监测面的温度场时，将转子 监测截面相应部位视为无限长圆柱体的一维模型。根据测点的布置情况，由蒸汽温 度来确定转予表面温度，并将蒸汽介质对转子表面的放热系数和金属的物理特性作 为温度和压力的函数。不考虑转子轴向和切向导热的傅立叶非稳态热传导公式为： o ，r 叫窑+ 三娶) ( 2 - ( 2 - 1 ) a f 剐( 矿+ 7 i ) ) 边界条件：祟i 。= 0 ；初始条件：f = o ，r = 厂( ，) ( 2 2 ) 式中r 转予温度， 华北电力大学硕士学位论文 d 导温系数，m 2 s ，盯= p 转子材料密度，k g m 2 r 1 r = 导 c z 一等n t + c 寺- 4 ，z + c ：+ 等风1 c 2 司 式中一傅立叶数，r = 警= 去寺 根据稳定条件：气s o 5 ，由此可以确定f ! 掣。 n 时间为( a r + r ) 时半径n 处转子的温度， t 1 ，= 毛疋+ ( 1 一七1 ) 互( 2 4 ) 式毗= f 0 ( 等) 正，疋时间为f 时节点为1 、2 的温度 r 。：! 芏翌竺暨二挚竺堡(2-，)a ( o 一了r ) + 2 f o ( r 一等) + 2 b ，r 。 式中b i 毕渥数，竺 r 傅立叶数，= 专笋 在由转子温度场计算应力场时，要用到转子体积平均温度t 。，它与转子沿径向的温 。= 去即搬= 爿a r i - 抄1 州一弘 弘s ， 式中；( k + n ；x ：_ 一1 。 华北电力大学硕士学位论文 出上述公式可看出：转子分层对温度场的影响是通过，及f 0 来反映的。 2 2 2 转子总切应力计算 图2 - 1 转子截面分层图 通过受力分析，转子所受的最太热应力发生在转子外表面或中心孔内表面，在 转子终表面或中心孔内表面径向应力盯，= o ，有对称体可知，切向应力盯，。与轴向应 力盯：相等。因此根据已经求得的温度场r ，利用盯。计算式对转子的外表面和中心孔 内表面的热应力进行计算，然后通过转子外表面和中心孔内表面的总切应力进行寿 命预测。 2 2 3 转子应力场计算 汽轮机在启停和负荷变化时，由于蒸汽温度变化很快，转子内外表面必然存在 较大的温差，产生热应力。热应力计算基本方程式： ：竺帆嵋。( 2 - 7 ) l 一j 式中e 材料的弹性模量 口材料线胀系数 “泊松比 t ，。考虑结构的热应力集中系数 ，。体积平均温度r 。与内外表面温度之差，计算外表面应力时，a t 。= r 。一 ； 计算内表面应力时，a t 。= t 。一t t 2 2 4 离心切应力算式 盯，= 盯。( 二- ) 2( 2 8 ) ”o 式中盯。为任一转速下的离心切应力，m p a ；c r o 为额定转速下的离心切应力，m p a ； 月为实时转速，r m i n ：为额定转速r m i n 。 汽轮机最基本的破坏形式是屈服和断裂，根据第四强度理论，当一个物体上存 在多项应力时，可由m i s e s 准则确定其合成应力。针对转子实际受力情况，转子外 表面及中心孔，只出现轴向应力与切向应力。切向应力包括热应力与离心力，轴向 华北电力大学硕士学位论文 应力只有热应力。由于转子表面裂纹多为径向裂纹，促使裂纹生成与扩展主要是切 向热应力，考虑转子离心力计算后，其当量热应力为： 盯。= 盯f + 盯r + d 4( 2 9 ) 式中盯。热切向应力，m p a 盯离心切向应力，m p a 盯蒸汽作用力产生的应力，m p a 2 2 5 应变计算 屈服极限： s e = 5 2 3 3 2 1 7 一t 2 5 7 4 0 8 l + 4 6 8 0 6 2 1 0 3 l 2 5 3 1 5 7 4 x 1 0 6 瓦3 ( 2 1 0 ) 屈服曲线所对应的判别应力： s r ： 塑：! ! 丝 ，1 1 ) 2 2 ( 0 。0 0 1 2 3 。0 。7 7 x e + 0 。8 。x 。s e ) t m t l - i 当最大应力s m 小于s r 时，应变 e l b ：8 6 6 6 7 x1 0 - 4 l a b s ( s 榭)( 2 1 2 ) e 当最大应力s m 大于艘时，应变 e l b = ( 坐型警) ( 等等) 5 ( 2 - 1 3 ) 2 2 6 寿命损耗计算 根据应变查材料疲劳曲线并利用雨流法确定寿命损耗曲线。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 中压缸启动热力参数选择及中压缸启动的研究和应用 3 1 3 0 0 m w 汽轮机组冷态中压缸启动热力参数选择 3 1 1 概述 国产3 0 0 m w 汽轮机组采用高中压缸联合启动方式启动，再热参数低，启动困 难。利用中压缸启动技术可较好的解决此问题。热力参数合理的选择是中压缸启动 技术的重要组成部分，热力参数选择的正确与否是是启动成败的关键。若参数选择 不当，启动时将引起较大的机组寿命损耗，严重情况下启动无法顺利进行，甚至造 成机组设备损坏事故。根据国内、国外中压缸启动经验，确定了国产3 0 0 m w 汽轮 机组启动模式改进和完善局部的设备和系统，从理论上并结合电厂启动运行的实际 情况论述3 0 0 m w 汽轮机冷态启动汽轮机各阶段热力参数的选择原则和方法，进行 了启动参数的合理选择，最终确定启动各阶段的热力参数值，并经试验验证确认了 中压缸启动技术的先进型和可行性。 3 1 。2 热力参数选择的原则 中压缸启动和高中压缸联合启动一样，根据调节级后温度水平高低，可分为冷 态、温态、热态和极热态四种启动，争对冷态启动中压缸启动热力参数的选择应遵 循如下原则： n 、有利于机组寿命消耗的降低，减少启动过程中交变应力，选择的参数尽量使蒸汽 与金属之间的温差达到最佳匹配，以减少热应力对机组寿命的影响。 ( 2 ) 在设计寿命消耗的基础上，尽量加快机组启动速度，缩短启动时间，提高启动经 济性。 ( 3 ) 满足锅炉启动特性的要求、满足配置的旁路特性和参数的要求，满足汽轮机本体 启动特性的要求。 ( 4 ) 启动方便，安全、电厂可实施。 3 1 3 中压缸启动热力参数选择的方法 影响中压缸启动热力参数的因数很多，其中较为主要的因素有：锅炉类型、配 置旁路容量大小、汽机本体结构特点，不同类型的锅炉有不同的锅炉启动特性，不 同容量的旁路有不同的通流特性，因此启动参数的选取应根据具体机组的特点而进 行。中压缸启动过程大致可份为以下几个阶段： ( 1 ) 高压缸预暖阶段 ( 2 ) 冲转阶段 ( 3 ) 升速阶段 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 带初始负荷阶段 ( 5 ) 切换负荷阶段 ( 6 ) 功换后升负衍阶段以及低负荷暖机 ( 7 ) 将书吃纽带至满负荷阶段 第( 7 ) 启动方式同高中压缸联合启动方式不再赘述。 3 1 3 1 高压缸预暖阶段热力参数选择 此阶段锅炉已j _ 火，通过商低压旁路维持一定1 1 9 主蒸汽、再热器参数，汽机处 于懈车运行：状念抽真空、投j ；l | | 封倒暖的主要h 的赴将高址缸“ 冷念加热至热态，使 商j i i 转子温煌加热至岛十其脆刳：转变温艘( f a t t ) 编短机纽肩动刚+ n u ，中低压缸因 卑【1 i 封蒸汽进入亦i 叫时被加热，此时高压缸调节阀关闭，主蒸汽通过高旁流向再热器， 高胍缸倒暖汽源来自高旁后，倒暖初期高压缸缸湍较低，蒸汽与金属表而进行强烈 的凝结换热，会属温度被加热至对应蒸汽压力一卜的饱和温度，凝结水经疏水门排至 凝汽器，倒暖后期缸体金属温度随蒸汽温度进一步升高，结束时缸休温度应挖制存 15 0 c 占：右，其土要h 的是便于控制下阶段高压缸缸湍，此州对应的商排蒸汽参数 为o6 8 m p a 2 5 0 。c 萏i 右，相应的主蒸汽参数为2 m p a 3 0 0 ( 综合考虑锅炉启动特性 和动经济性两方l f l i ) 。 倒暧结束后，则进 j ：中j 曲l 冲转，随着转速的 高，摩擦鼓风越来越强烈，缸 体温度进一步升高，1 2 0 0 r m i n 小速i 瑗机时倒暖阀府在关c 4 】位件，视情况扣丌 i | l 真空 阀，对高压缸进行抽真空i ；鬲离，以降低凶摩擦鼓风丽产生的热量，托制高压缸温升 率“1 2 r a i n 之问，隔离2 i f i 束时，高n 三缸缸温1 ：应超过2 5 0 。 隔离结束时限制商爪缸缸体命属温度，主要浆j ：如卜_ 考虑： ( 1 ) 高压缸隔离结束后，高j k 缸进汽形成正常流z 珈，高排汽温应尽量接近商排处 金槭温度以保汪高抠缸内蒸汽与金槭之问温差较小，从而保矸帆组热鹰力较小，寿 命消耗小，r 每排处会属温度若过高，则在商爪缸进 ，c 初期蒸，( 与会属之问有较大的 负温差，将使高压转子表面冷j ：| j 承受拉应力，负濉筮越大，拉应力越大，增大高压 缸珩命消$ e 。高妪缸排汽温度线中可见( j 家提供) ，3 0 0 m w 机组当主蒸汽参数为 6 0 a t a ，2 8 0 4 2 0 叫商排后参数为，8 5 a t a ( 考虑箭道损失) 温度为：2 1 0 2 5 0 ， 高朋i 缸缸温只有控制件某温度范围内，爿。能满足切换后高压缸金属与蒸汽之问温差 较小的要求。 ( 2 ) 切换过程l f l t 高胝缸进汽真空遭到破坏，切换初期迸汽i 砖较少，米形成汇常流 动，摩擦鼓j x l 发热很大，缸体温度将飞升。从安全运行的角度出发，切换应保持较 低的初始缸体温度，以避免商班缸缸体温度一1 5 , - y l 。至打闸停机缸温，同时切换时间应 尽i 矗缩短，根据实际运行经验i 刃换时间控制在2 分钟以内为。e l