汽轮机高温空气快速冷却特性研究

第52卷第4期2010年8月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVO152NO4AUG2010汽轮机高温空气快速冷却特性研究钟世青，楼波，王芳华南理工大学电力学院，广州510640摘要利用高温空气快速冷却汽轮机具有可观的经济效益。应用新型的温度、流量可调的快速冷却空气生产设备高温空气发生装置，生产高温空气用于冷却汽轮机。并以某300MW汽轮机为例，利用MATLAB计算了汽缸冷却过程方案，分析了冷却分段间隔、汽缸与冷却空气温差和冷却空气流量等控制参数对冷却时间的影响，进而得出在许用应力条件下最优快速冷却曲线。关键词汽轮机；快速冷却；新型高温空气发生装置；数值计算分类号TK263文献标识码A文章编号10015884201004027704RESEARCHONQUICKLYCOOLINGSYSTEMWITHHOTAIROFSTEAMTURBINEZHONGSHIQING，LOUBO，WANGFANGSCHOOLOFELECTRICPOWER，SOUTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，GUANGZHOU510640，CHINAABSTRACTQUICKLYCOOLINGWITHHOTAIROBLIGEDPASSINGTHROUGHTHESTEAMPATHAFTERSHUTTINGDOWNCANPRODUCECONSIDERABLEECONOMICEFFECTANEWEQUIPMENTWASAPPLIEDTOMANUFACTUREAKINDOFHOTAIR，WHICHTHETEMPERATUREANDFLOWRATEOFHOTAIRCANBEADJUSTEDMAKINGA300MWSTEAMTURBINEASANEXAMPLE，THESTEAMFORCEDCOOLINGPROCESSWASANALYZEDBASEDONTHEMATLABSOFTWARETHROUGHRESEARCHINGTHEINFLUENCEOFTEMPERATUREANDFLOWRATE，ITREACHESAPOSITIVEFORCEDCOOLINGWAYTHATCANREDUCECOOLINGTIMEANDCOMPLYWITHTHECOOLINGREQUIREMENTKEYWORDSSTEAMTURBINE；QUICKLYCOOLING；HOTAIRPRODUCER；SIMULATION0前言大型汽轮机汽缸外部都带有绝热性能良好的保温层，使汽缸保温同时减少汽缸内外温差，但在检修停机的自然冷却过程中又会使汽缸散热困难，冷却时间过长。大型汽轮机自然冷却停机揭缸一般需要57天以上时间，若实施快速冷却，时间可缩短到2天左右，这无疑大大提高了机组的使用率。快速冷却可以分为压缩空气法、蒸汽冷却法方式。压缩空气法以冷却效果好，操作简单，便于控制等优点成为大机组强迫冷却的较佳方案。快速冷却中冷却空气温度及流量为空气冷却过程的控制因素，现有的冷却空气生产装置功率调节是通过电阻丝串联实现的，其温度可调节性较差，几乎不能根据汽缸金属的实时变化作出相应调节。本文应用一种新型的快速冷却空气生产设备高温空气发生装置J，其生产的高温冷却空气温度可根据汽缸温度随时调整，建模计算了某300MW汽轮机的快速冷却汽缸温度变化情况，得出一种更好的汽轮机快速冷却策略。1快速冷却优化计算11快速冷却方案的确定根据冷却空气与通流部分蒸汽流向的异同，快速冷却又可分为逆流冷却和顺流冷却。顺流冷却因空气已在阀门及导汽管中吸热，温度已升高，因此比较安全，且操作简单，成为大部分国内大机组采用的方法J。12高温空气发生装置高温空气发生装置如图1所示。该系统主要包括燃气输送装置、燃烧装置、引风装置和控制系统。控制系统测温热电偶设置在高温空气腔室内，可编程控制器分别与燃气调节阀与测温热电偶连接；另一可编程控制器分别与流量计2、流量计3和送风调节阀连接，可编程控制器的温度设定值由高温空气腔室温度和汽轮机实测温度再考虑热应力后确定。它利用燃气燃烧加热冷却空气，代替原电加热生产高温冷却空气的方式，在控制上应用可编程控制器，控制燃料量，实现连续调节，满足大型汽轮机各阶段冷却空气的温度流量变化要求。13压缩空气量的确定冷却空气所需流量可按下式估算G6AT。P1式中，G为冷却空气流量，MMIN；CP为压缩空气比热，JKG；为冷却空气进、出口温升，OC；G为高、中压缸、转子、隔板等总质量，KG；C为金属材料比热，JKGQC；6为冷却速率，QCH；P为空气密度，MMIN。收稿日期20091L06基金项目广东省科技开发项目2008B080701004。作者简介钟世青1986一，男，华南理工大学电力学院工学硕士，工程热物理专业。278汽轮机技术第52卷图1大型汽轮机快速冷却的高温空气生产方法与装置1燃气瓶；2压力表；3燃气调节阀；4流量计1；51可编程控制器1；52可编程控制器2；61蓄热体1；62蓄热体2；71燃烧室1；72一燃烧室2；81烧嘴1；82烧嘴2；91电磁阀1；92电磁阀2；LO测温热电偶；11高温空气引出管；12高温空气出EL挡板；L3高温空气腔室；141流量计2；L42流量计3；15送风机；L6送风调节阀；L7四通阀；18引风机；L9引风调节阀14快速冷却换热系数计算。0023REMPR2式中，A为冷却介质导热系数，WIRLK；R，为汽缸内径，I11；RE为雷诺数；PR为普郎特数。其中M08；N04，对于汽缸的自然冷却放热系数按下式取值0CGRPR3式中，GR为葛拉晓夫准则数；C取053，可取025_4。15快速冷却传热计算在空气对汽轮机实施快速冷却的过程中，空气通过对流换热将热量传递给汽缸内表面，在汽缸壁内通过热传导将热量传递给空气。因此，在汽缸壁厚度方向上形成了一定的温度递度，将汽缸视为平壁，其传热控制方程式为IOT卢罟4ARA、初始条件JR0，TT0，TDT边界条件0时，一AO_T一一D0，F，一A一F5其中，7I为时间，S；为材料导温系数，WMK；T为温度，；下标0指初始值，D指汽缸内流体，。指外界环境。若汽缸为表面绝热较好，无散热损失，汽缸内壁的表面对流换热十分强烈时，且0，TTTC7，内外壁温差的解析解为ATT0，R一T，R6在快速冷却过程中，汽缸内部主要依靠空气对流换热，表面对流换热系数很小，可以作为薄壁系统处理，采用集总参数法，如下式初始条件2案例计算PR，DTDD一一GP一一GTTD，T0TDTOCT，T0QAT78某电厂300MW汽轮机组通过滑参数停机将汽轮机温度降低到400。高中压缸汽缸的质量为10000KG，转子的质量为25574KG。汽缸材料为ZG15CRLMOL，密度为7740KGM，比热容为460KGIN，绝热层外侧的换热系数为20WMK。21各参数对快速冷却影响在进行快速冷却数值计算时，为简化起见，假设以滑参数停机后汽轮机温度400作为计算初始条件，汽缸温度冷却到150C结束，用MATLAB软件计算，并绘制汽缸温度随时间变化的快冷曲线。首先绘得自然冷却曲线见图2，得到自然冷却时间6310S。P憾赠图2自然冷却温降曲线211分段间隔的影响快速冷却采用分段间隔式冷却法，即当汽轮机汽缸温度每降低一定值时就改变一次冷却高温空气温度。计算中，保持冷却高温空气与汽缸温差为50C，空气流量为50INMIN，汽缸温度分别以降低5、10、20为一间隔，用以探讨汽缸冷却空气与汽缸温差对汽轮机冷却的影响，得到图3。BC的冷却时间分别为1057X10S、12510S、16310S，可见快冷可以显著降低冷却时间。比较图3NBC可知，随着汽缸温度下降分段间隔缩小，完成冷却所需时间缩短，刚开始下降明显，后面趋势减缓，分段问隔与冷却时间的关系见图4，分段间隔从20C缩短到5时，冷却时间减少了576X10S。然而，随着冷却空气与汽缸温差减少，温降速率增加，金属内部热应力随之增加，但根据厂家要求，只要将停机的温降率控制在9H范围内，汽缸的最大热应力都不会超过极限应力值。212汽缸与冷却空气温差的影响图5为保持冷却空气流量为50MMIN，空气与汽缸温差分别为45E、40OC，冷却采用分段间隔为5时得到的曲第4期钟世青等汽轮机高温空气快速冷却特性研究279P憾赠赠世蝗图3汽缸温度下降分段间隔改变时快冷曲线图4分段间隔温度与冷却时间关系时I“SQ10S口图5冷却空气与汽缸温差改变时快冷曲线线，其冷却时间分别为12710S、222X10S。比较图3O和图5AB可以看到，减少冷却空气与汽缸的温差，冷却时间增加。汽缸与冷却空气之间的温差与冷却时间的关系见图6，温差从50减到30时，延长了10810S，可见温差对快速冷却影响最为明显。图6汽缸与冷却空气的温差与冷却时间关系213流量影响冷却空气流量的大小直接影响到换热系数的值，同时关系到冷却空气的温升，进而影响到冷却时间。图7AB为在汽缸与冷却空气温差为502，分段间距为5相同的情况下，冷却空气流量分别为55MMIN、45MMIN时的快冷曲线。计算表明，在温差等因素相同的情况下，将空气流量从55MRAIN降低到45MMIN，缩短冷却时间158104S。两图7冷却空气流量改变时快冷曲线图8流量与冷却时间关系图种情况的温降曲线如图7所示。流量与冷却时间图的关系见图8。22最优快速冷却快速冷却过程中的最大热应力是影响转子寿命的关键，将最大热应力控制在一定范围内，则整个过程寿命损耗在预定范围内，这时快速冷却所用的时间最少，即所谓的最优快速冷却。高温空气发生装置可以生产温度与流量可调的冷却空气，通过改变冷却空气流量完成最优快速冷却。随着冷却的进行，冷却空气温度逐渐降低，导热系数逐渐减小，根据式2可知，换热系数逐渐减小，而这时可以通过改变流量来调整快速冷却过程。图9为保持汽缸与冷却空气最大温差为50C，取分段间隔5，最优快速冷却曲线。与图3A比较，虽然冷却时间一样，但图3A采用平均温降率9CH，难免有些地方超过9QCH，而图9中能保持瞬时在温降率9H，使汽轮机冷却更加安全。图10为采用牛顿迭代法求取最优快速冷却相应的冷却空气流量曲线，在冷却初期流量为331MMIN，快速冷却后期增长到734MMIN。新型高温空气发生装置用燃气作为能源，应用可编程控制器可实现流量与温度的精确控制，事先设定调节程序，在给定许用应力条件下可实现最优快速冷却。由以上计算分析可见，汽缸与冷却空气温差与分段问隔改变对汽轮机快速冷却时间影响较明显，但易使温降率过大，而通过流量的调节可以实现汽轮机的最优快速冷却。传统快速冷却装置不易做到流量温度的精确调节，新型高温空280汽轮机技术第52卷赠言昌暑媛时间10S图9温差5O分段间隔5时最优冷却曲线图LO最优冷却时流量曲线气发生装置可实现流量与温度的有效控制，更好地实现快速冷却。3结论针对目前的快速冷却方案应用新型高温空气发生装置生产可调的高温空气，提出了分段式压缩空气冷却法，根据数学模型，以某300MW汽轮机组为案例计算，得出结论如下。1与自然冷却比较，快速冷却具有显著效果，冷却时间可以从6310S缩短到1057X10S。2在汽缸与冷却空气温差一定，流量固定不变的情况下，汽缸温度下降分段间隔减少，冷却时间越短，分段间隔从2O缩短到5时，冷却时间减少了57610S。3减小冷却空气与汽缸温差，冷却时间相应增加，不利于汽轮机冷却，温差从50QC减小到30时，延长了20610S，温差对快速冷却影响最为明显。4在汽缸与冷却空气温差一定，分段间隔固定的情况下，改变冷却空气流量，换热系数随之而变，增加空气流量将缩短冷却时间。流量从45MMIN增加到55MMIN时，缩短15810S。5新型高温空气发生装置能根据布置在汽缸中的金属测点反馈的温度调整燃料量改变冷却空气的温度和流量，在许用应力条件下可实现最优快速冷却。参考文献1周宇阳，陈汉平，等汽轮机强制冷却过程空气温度的选择J中国电力，2000，101O14一L82楼波用于大型汽轮机快速冷却的高温空气生产方法与装置P中国专利2008102187430，20083黄庆华，沈国平超临界600MW汽轮机的快速冷却研究及应用J发电设备，2007，361L7224童恩超大功率汽轮机快速冷却时汽缸壁温度的计算方法J热能动力工程，1995，1031972005张元辉200MW汽轮机组快速冷却优化研究D重庆重庆大学，200318206沈雅钧，杨永华300MW汽轮机转子应力计算及分析J华东电力，1998，2689211上接第276页匀性。3结束语1整个排气管的轴向截面都是圆形的，从人口到出口，排气管收敛度较大人口截面面积A1131M，出口截面面积A0419M，面积比为AA0370，排气管的收敛度是非常大的，这对削弱90。弯头形成的横向流动和降低二次流损失是有益的。2在排气管内的大部分流动空间内，速度比较均匀，仅在出口部位和9O。弯道的局部位置，流体速度有所增高。排气管的流线比较平滑，不存在流线之间的相互缠绕和流线自身的卷绕，排气管大部分流动空间没有明显的旋涡存在。3流体经过90。弯道后进入柱形过渡段，在这一部分，流体的流动参数得到进一步均化，柱形过渡段的存在给流体提供了一定的均化空间，使流体进入圆台导引段之前，流体的流动参数均匀了许多。4排气管出口截面的速度分布是非常均匀的。由于圆台形导引段的截面