200MW汽轮机快速启动过程中高压胀差控制.doc

200MW汽轮机快速启动过程中高压胀差的控制黄辉福、李忠、高峰、李春雨摘 要：汽轮机高压胀差控制是制约国产200MW机组安全快速启动的一个重要因素。本文阐述了200MW汽轮机启动中，采用合理开、停调门来改变调节级蒸汽温升率，以及合理选择升负荷时机的技术方法。关键词：汽轮机；快速启动；高压胀差；温升率；控制一、 200MW汽轮机快速启动探讨随着社会经济的发展和用电结构的变化，以及电网中大机组的不断增多，200MW机组已经由过去的主力机组变为调峰机组，要求200MW机组必须具有适应负荷快速变化和快速启停的性能，但是该类机组都是按照基本负荷进行设计的，因此这些性能较差，高压胀差在启动过程中上升较快，难以控制。实际生产过程中，机组启动依照200MW汽轮机运行规程滑参数启动曲线进行启动，高压内缸内上壁温度以0.87/min线性增长，整个启动过程需耗时6小时，不适应电网调度对机组机动性的要求。为缩短启动时间，必须加快蒸汽对转子和汽缸的加热，提高金属温升率，但机组温升率的提高应在机组寿命损耗允许范围内。由图1分析，当转子温升量较小时（机组并网后算起），温升率可选择大一些，反之则小些。如取每次循环的寿命损耗为0.01，当转子温升量在50时，转子温升率最高可达4.67/min；当转子温升量在100时，转子温升率应降到1.33/min；随时间的推移，转子温升量增加，最后转子温升率应逐步降到1/min左右，即整个机组启动过程中转子温升率应由大到小，采用逐渐降低的变温升率的过程。由于转子温度无法监测，因此用高压内上缸温度来间接监控转子温度。规程规定机组在各种启动状态下汽缸温升率的控制值，体现了转子寿命损耗在机组启动中金属温升率的具体控制范围，即高压内上缸内壁金属温升率控制值为：缸温在150以下时，金属温升率应控制在4/min；缸温在150300范围内时，金属温升率应控制在3/min；缸温在300以上时，金属温升率应控制在2/min。按照上述温升率启动机组，高压内上缸内壁温度从常温下加热到额定参数值487，最快需3小时。可见，快速启动在理论上是可行的。但在实际生产过程中，金属温升率的提高有时会直接导致高压胀差增长过快，进而危急机组安全运行。因此，在转子寿命损耗允许范围内适度提高金属温升率，会达到机组快速启动的目的，但其关键是要控制好高压胀差。二、胀差形成的理论分析因为转子的质面比、金属的导热特性与膨胀特性以及表面的放热系数均优于汽缸，所以在启动时，转子的加热升温速度及温度值相对较高，致使汽轮机转子的膨胀量大于汽缸的膨胀量，产生相对膨胀差（即胀差）。其值为： 式中：bri为第i段转子的平均温升率 bci为第i段汽缸的平均温升率由公式分析，由于转子和汽缸的膨胀系数和相应区段的轴向长度是一定的，所以转子和汽缸的膨胀差最终取决于转子和汽缸的金属温升率之差对时间的积分，只要控制二者的温升率就可以控制胀差。该变化率可用高压调节级蒸汽温度变化率来表征，它取决于高压调门的开启速度和主汽温升率，金属温度变化率随时间呈指数跟随蒸汽温度变化率；蒸汽与金属初始温差及温升时间决定，蒸汽的温度取决于调门的开度和主汽温度。在现场可控制的就是主汽温度、主汽温升率、高压调门的开启速度和开度、升降负荷以及暖机时间的长短。图2为转子、汽缸温升率随蒸汽温升率变化的曲线示意图，从图上我们可以看出，转子的温度变化率跟随蒸汽温度变化率要比汽缸快，同样在蒸汽温升率为零时转子温升率衰减比汽缸快。曲线1为转子温升率变化曲线，曲线2为汽缸温升率变化曲线，汽轮机启动过程温升率调整如下：第一时段：以温升率1提升汽温；第二时段：稳定汽温不变；第三时段：温升率2提升汽温；第四时段：稳定汽温不变；第五时段：以温升率3提升汽温这样交替调整蒸汽参数。在不同的时间段内，胀差有时向正的方向发展， 有时向负方向发展。蒸汽的温升率也可以不为零，只要低于汽缸的温升率就可以。如图2中虚线所示，此区间内升负荷同样能减小胀差，同时主汽温得到提升，达到快速加热机组的目的。二、 油田热电厂200MW汽轮机快速启动能力图3 油田热电厂200MW机组冷态滑参数启动曲线油田热电厂现有三台200MW汽轮发电机组，汽轮机均为哈尔滨汽轮机厂生产的CC140/N200-130/535/535型汽轮机。图3 是我厂200MW机组冷态滑参数启动曲线。从曲线上可以看出，冷态下（高压缸内缸上内壁150以下）汽轮机从静止状态，冲动加热至定参数运行需耗时6小时，主汽温升率约为0.82/min。在此期间，汽缸温度由常温20加热至487，温升率为1.3/min，远低于规程3-4/min的标准。机组 次数123平均（min）#1机启动时间（min）300（热态）380（热态）420（热态）366.7#2机启动时间（min）390（热态）520（冷态）410（热态）426.7#3机启动时间（min）510（冷态）180（极热态）520（冷态）403.3表1 油田热电厂2008年机组启动时间（冲动到定参数）表1 为油田热电厂2008年机组启动时间（冲动到定参数），从中可以看出，机组启动时间（冲动到定参数）平均约为6-7小时左右。从以上图表可以看出，我厂200MW汽轮机快速启动能力不足，启动时间长，且冷态情况下启动时间（冲动到定参数）最长达8个小时左右，主要体现在暖机时间过长，其原因是汽缸金属温度温升率低，高压胀差增长过快。这种方式启动，将大大降低机组快速启动的能力，不能更好地满足电网对我厂机组调峰机动性的要求。图4 #2机组冷态滑参数实时高压胀差曲线图5 #2机组冷态滑参数实时汽缸总膨胀曲线图4、图5为油田热电厂#2机组2008年10月26日冷态滑参数启动过程的高压涨差、汽缸总膨胀实时曲线。启动前，高压内缸上内壁温度为99，为冷态启动。冲转前的高压胀差为1.7mm，冲转参数为：主汽温度 260；主汽压力 1.6 Mpa。14：30汽轮机开始冲转，冲动后严格按照规程要求来升速、暖机；14：36投入了汽缸加热装置；15：14升速至3000r/min,由于冲转时高调门开度很小以及开启速度缓慢，高压胀差变化不大；15：30 #2发电机并列，之后逐渐开大调门并增加负荷，同时按规程要求进行各项操作。发电机并网后，锅炉按要求持续升温升压，机侧按规定逐渐开大调速汽门，直至全开。此时，由于高调门快速开启，调节级处蒸汽温度快速升高，调节级蒸汽与金属温差大，此时转子金属温升率很高，导致了高压胀差的大幅度上升，快速升到3.4mm，随着调速汽门全开，蒸汽加热进一步加剧，高压胀差随之继续上升，最高值达到4.9mm。随着暖机时间的延长，汽缸金属温度和汽缸总膨胀的升高，高压胀差随之降低。从机组启动参数和曲线上分析，高压胀差增长过快的原因主要是：一是缸体金属温度在并网后温升率低，约为0.38/min，特别是内缸外壁和外缸温度上涨慢，导致汽缸膨胀增加缓慢；加热装置在机组冲转时就已投入，但是随着汽门的逐渐开大，大量的蒸汽进入到汽缸内，转子的加热剧烈，加热装置的夹层压力和流量跟随主蒸汽压力而下降，导致转子的温升率比汽缸温升率大的多，致使高压胀差增长过快。虽然在启动过程中也采用了各负荷阶段暖机、控制蒸汽温度等方法来控制高压胀差，但仍未从根本上解决高压胀差高的问题。二是机组并网后高压调门开启过快，并且过早达到全开，依靠锅炉升温升压来完成机组启动。该操作的弊病是快速开启调门后，调节级温升率升高，转子的温升率增大，并且随着主汽温度和负荷的增加，对转子的加热更加剧烈，但是这时汽缸的温升率由于加热装置蒸汽的不足而增长缓慢，高压胀差进一步增大。这时，只能采用延长汽轮机暖机时间的方式，依靠锅炉升温升压后进入夹层的蒸汽量增加，来实现汽缸金属温升率逐渐提高的目的，以延缓高压胀差的快速增长。但机组启动时间被延长，同时消耗了大量的燃料并造成了工质的浪费。四、200MW汽轮机高压胀差控制和改进措施为了将高压胀差控制在合理的范围内，以实现机组安全快速启动，关键是采用分阶段、合理的蒸汽温升率和汽缸金属温升率。一方面，在机组并网后，不急于将调门快速开启，这是快速启动的关键点，以主汽压力不超过7MPa来确定高压调门开度。因在7MPa时，可最大限度地加大高压缸夹层进汽量，增强蒸汽对高压外缸的加热膨胀，主汽压过高要节流高压缸夹层联箱进汽门，直到升负荷开调门难以维持该压力后再节流高压缸夹层联箱进汽门；调门开大时调节级汽温升高，转子和汽缸的温升率随之提高，高压胀差正向发展；调门停留时，调节级蒸汽温升率逐渐下降为主蒸汽温升率（约1/min），低于汽缸温升率；停留一段时间，高压胀差负向发展，且负荷的增长加快了该趋势。这样，通过调门合理开停来改变调节级温升率，使高压胀差控制间断增减，达到快速提高汽缸温升率的目的。机组升负荷高压胀差不是增大而是减小，由此加快了汽缸的加热。此时须注意，升负荷要待高压胀差增长趋缓或稍有回落时进行，同时应控制主蒸汽温升率不得有大幅升高，高调门不得快速开启。否则，升负荷过程中高压胀差将有所上升，甚至出现失控的情况。五、结束语机组启动并网后，用开停调门的方法来改变调节级蒸汽温