300 MW機組冷態(tài)啟動優(yōu)化的應(yīng)用

馬巖昕，張曉宇，喬大勇，肖 亮，張 昆，韓瑞斌

(黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000)

300 MW機組冷態(tài)啟動優(yōu)化的應(yīng)用

馬巖昕，張曉宇，喬大勇，肖 亮，張 昆，韓瑞斌

(黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000)

針對300 MW機組冷態(tài)啟動時間較長、經(jīng)濟性較差的問題，提出在保證機組和設(shè)備安全運行的前提下，改進機組冷態(tài)啟動措施，優(yōu)化300 MW機組冷態(tài)啟動程序。經(jīng)實際應(yīng)用驗證，改進后的機組冷態(tài)啟動措施縮短了機組冷態(tài)啟動時間，實現(xiàn)了300 MW機組安全和經(jīng)濟啟動，提高了300 MW機組運行經(jīng)濟性。

冷態(tài)啟動;暖機時間;熱應(yīng)力;溫度匹配

0 引言

某電廠2臺300 MW機組汽輪機為C250/N300－16.7/537/537－73D型亞臨界、一次中間再熱、高中壓合缸、雙缸、雙排汽、凝汽式汽輪機。在非采暖期多數(shù)情況下，1臺機組運行，另1臺機組備用。為了保證冬季安全供熱，要求在夏季對2臺機組進行頻繁啟停檢修(在2008年、2009年和2010年2臺機組累計冷態(tài)啟動次數(shù)分別為6次、5次、7次)，以確保冬季2臺機組快速投入運行。因此，本文在保證機組安全投入運行的情況下，研究了適當加快機組冷態(tài)啟動速度，提升了機組運行經(jīng)濟性。

1 冷態(tài)滑參數(shù)啟動要求

汽輪機在從靜止狀態(tài)到工作狀態(tài)的啟動過程中，各部件的工作參數(shù)都將發(fā)生劇烈變化，因此，啟動過程是汽輪機運行中最復(fù)雜的運行過程。

1)在機組啟動過程中，汽缸和轉(zhuǎn)子本身的溫度分布是不均勻的，受蒸汽沖刷的表面溫度高，金屬內(nèi)部溫度低，高壓、中壓轉(zhuǎn)子進汽部分表面溫度較高，中心溫度較低，由于溫度的劇烈變化，以及零部件尺寸很大而且工作條件不同，必將在零部件中形成溫度梯度，沿著轉(zhuǎn)子半徑存在著一個由里向外溫度逐步增高的溫度梯度。這個溫度梯度使金屬各部分膨脹不同，因而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當熱應(yīng)力過大而超出其允許值時，將嚴重危及機組的安全。因此，在汽輪機的啟動過程中，一定要控制好汽輪機的熱應(yīng)力，使之不超過允許值，同時使機組按照要求均勻膨脹。

2)冷態(tài)滑參數(shù)啟動的關(guān)鍵問題是主蒸汽、再熱蒸汽的溫度上升速度能否使汽輪機轉(zhuǎn)子和汽缸均勻加熱，也是冷態(tài)滑參數(shù)啟機成敗的先決條件之一。因此，為了減緩沖轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱沖擊，以減小熱應(yīng)力，要求蒸汽放熱系數(shù)較小。而低壓過熱蒸汽的放熱系數(shù)較小，它相當于額定參數(shù)的1/10，所以沖轉(zhuǎn)時采用低壓過熱蒸汽，以便與汽輪機金屬溫度合理匹配。

3)升溫率控制是冷態(tài)滑參數(shù)啟機成敗的另一關(guān)鍵條件。在冷態(tài)滑參數(shù)啟動過程中，轉(zhuǎn)子表面加熱快于內(nèi)壁，內(nèi)外壁溫差成正值，內(nèi)外壁溫差增大時表面應(yīng)力顯著增加。所以，轉(zhuǎn)子和汽缸加熱過快是危險的。在升溫過程中，再熱汽溫應(yīng)與主汽溫同步調(diào)整，以保證高壓缸、中壓缸同步加熱。升溫過程應(yīng)與升壓過程相互配合，必須保證主蒸汽及再熱蒸汽溫度有56℃的過熱度。同時，在保證允許的金屬溫度變化率的條件下，低參數(shù)蒸汽將有較大的流量，使得機組可以很快達到并網(wǎng)帶負荷的條件，節(jié)約啟動時間和啟動用燃油。

4)機組的冷態(tài)最優(yōu)化啟動是指保證機組零部件熱應(yīng)力、脹差、軸向位移等指標不超限的前提下，機組以最高的經(jīng)濟性，在最短時間內(nèi)啟動。機組的冷態(tài)啟動過程實質(zhì)上是一個升溫過程，它是由升溫速度和幅度決定的。

5)縮短機組冷態(tài)啟動的途徑:主蒸汽、再熱蒸汽溫度與金屬溫度相匹配，主蒸汽溫度必須有56℃的過熱度，這就可以在零部件安全的基礎(chǔ)上縮短啟動時間;合理安排升溫、升負荷速度及暖機時間。

2 熱應(yīng)力計算

熱應(yīng)力主要發(fā)生在高壓轉(zhuǎn)子的前幾級和中壓轉(zhuǎn)子的前幾級。它是由于轉(zhuǎn)子各部分溫度不均勻、各部分材料之間膨脹或收縮互相限制而引起的。一部分材料受拉的同時，則另一部分材料必然受壓。溫差越大，交變應(yīng)力就越大，產(chǎn)生疲勞裂紋的時間就越短。

為了縮短冷態(tài)啟動時間，迫切要求對機組轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力作出精確計算。在機組的啟動過程中，轉(zhuǎn)子的溫度水平不斷變化，轉(zhuǎn)子材料損傷在不同溫度水平下形成。目前應(yīng)用的轉(zhuǎn)子疲勞曲線中，30CrMoV鋼曲線在某一恒定溫度水平下形成。

轉(zhuǎn)子鋼的材料特性隨溫度變化，以轉(zhuǎn)子應(yīng)力的計算為例，應(yīng)力計算采用一維簡化解析模型，一維轉(zhuǎn)子中心熱應(yīng)力可由下式表示為［1］

式中:β為線膨脹系數(shù);E為彈性模量;α為導(dǎo)溫系數(shù)，α=λ/(ρc);υ為泊松比;c為軸材比熱;ρ為密度;λ為材料導(dǎo)熱率;f為形狀因子;˙η為溫升率;R為轉(zhuǎn)子半徑方向上的厚度;Kr為理論集中系數(shù)。

若β、E、υ、α等物性參數(shù)與溫度無關(guān)，則熱應(yīng)力僅僅是溫升率和時間的函數(shù);但若考慮到上述物性參數(shù)中β、E、α的溫變特性，則熱應(yīng)力還是啟動過程中平均溫度水平t的函數(shù)，即

對于30CrMoV轉(zhuǎn)子鋼，文獻 提供了不同溫度水平下的物性參數(shù)，如圖1—圖3所示。由圖1—圖3中可以看出，當溫度從200℃變化到600℃時，β變大了27%，E減小了26%，兩者基本上相互抵消，導(dǎo)溫系數(shù)α減小了54%。因此，可以認為導(dǎo)溫系數(shù)的變化是影響轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的關(guān)鍵因素。

計算表明，如果蒸汽與轉(zhuǎn)子的溫差達到150℃，轉(zhuǎn)子表面熱應(yīng)力將增大到材料屈服極限的數(shù)值，轉(zhuǎn)子表面很快就會產(chǎn)生裂紋。由此可見，為了限制熱應(yīng)力，就必須限制蒸汽與轉(zhuǎn)子的溫差(不大于56℃)。此外，由于構(gòu)成轉(zhuǎn)子的材料相當厚大，各部分材料之間的熱傳導(dǎo)需要相當長的時間。于是，限制蒸汽的升溫速度成為限制熱應(yīng)力的另一個重要手段。這兩種手段在汽輪機啟動時是非常重要的。這是因為在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，轉(zhuǎn)子表面與蒸汽之間的熱交換相當強烈，轉(zhuǎn)子表面將很快被蒸汽所加熱;而轉(zhuǎn)子內(nèi)部材料的熱傳導(dǎo)卻十分緩慢，升溫十分緩慢。此時，如果蒸汽很快升溫，轉(zhuǎn)子表面也很快升溫，就加大了轉(zhuǎn)子本身的溫差，造成極大的熱應(yīng)力。為有效地控制汽輪機轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力，根據(jù)“轉(zhuǎn)子的壽命計算和壽命管理”理論，組成了按壽命管理的“機組啟動控制系統(tǒng)”，運行人員只要保證升溫率，機組就能夠保證熱應(yīng)力處在安全范圍內(nèi)實現(xiàn)啟動。當傳熱條件、溫度分布及金屬材料性能已知時，通過對轉(zhuǎn)子在溫度變化時熱應(yīng)力的計算，保證主蒸汽溫度的升速率不大于1.5℃/min、機組總膨脹、脹差在規(guī)定范圍內(nèi)，就可以使汽缸和轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力不超過規(guī)定，從而保證機組安全啟動。

3 機組冷態(tài)啟動過程

某電廠兩臺300 MW機組2007年投入運行以來，每次機組冷態(tài)啟動的沖轉(zhuǎn)參數(shù):主蒸汽壓力為4.12 MPa，主蒸汽溫度為320℃，再熱蒸汽壓力小于0.2 MPa，凝汽器真空為－0.090 MPa以上。

冷態(tài)啟動過程:

1)冷態(tài)啟動轉(zhuǎn)速達2 450 r/min時開始暖機，此時再熱蒸汽溫度為150℃，再熱汽溫按升速率0.9℃/min提升溫度，2 h后再熱汽溫可達到260℃。

2)當中壓主汽門前的再溫汽溫度達到260℃時，開始計算暖機時間，在任何情況下不允許縮短暖機時間，冷態(tài)暖機1 h后開始升速。中速暖機期間，主汽溫度保持在320℃，再熱汽溫在260℃以上，并且在機組的振動、軸向位移、脹差、高中壓外缸內(nèi)壁上下缸溫差、汽缸總膨脹等情況良好條件下，汽機可進一步升速。

3)當轉(zhuǎn)速達到2 450 r/min、中壓主汽門前的汽溫達到260℃時，大約需要2 h。而后才開始計算暖機時間。而冷態(tài)暖機時間是1 h，加在一起為3 h。然后沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，開始并網(wǎng)，帶初負荷暖機30 min，同時注意維持機前參數(shù)的穩(wěn)定。

4)初負荷暖機結(jié)束后，主蒸汽升溫速度為1℃/min，主蒸汽升壓速度為0.045 MPa/min，需要1 h升至主蒸汽溫度380℃和主蒸汽壓力為6.8 MPa，此時負荷60 MW。主蒸汽溫度為380℃，主蒸汽壓力為6.8 MPa，穩(wěn)定運行需30 min。

5)以主蒸汽升溫速度1℃/min、主蒸汽升壓速度0.045 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度450℃、主蒸汽壓力9.5 MPa，此時負荷90 MW，需要70 min。主蒸汽溫度450℃，主蒸汽壓力9.5 MPa，穩(wěn)定運行需30 min。

6)以主蒸汽升溫速度1℃/min、主蒸汽升壓速度0.045 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度530℃、主蒸汽壓力12.2 MPa，此時負荷150 MW，需要80 min。主蒸汽溫度530℃，主蒸汽壓力12.2 MPa，穩(wěn)定運行需30 min。

7)以主蒸汽升溫速度1℃/min、主蒸汽升壓速度0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度537℃、主蒸汽壓力16.7 MPa，此時負荷為180 MW，需要50 min。

8)機組穩(wěn)定運行30 min后，單閥改為順序閥運行。整個啟機時間大約需要10 h。

在中速暖機時，主汽溫度保持穩(wěn)定，只在發(fā)電機并網(wǎng)后，才開始升主蒸汽溫度、壓力，造成大量的燃油浪費。

4 改進后的操作方法

通過與哈爾濱汽輪機廠反復(fù)研究、詳細分析，找出了影響機組冷態(tài)啟動時間長的主要因素(中速暖機過程中，主蒸汽溫度、主蒸汽壓力保持不變)，提出了相應(yīng)的改進措施(在中速暖機時，在不縮短暖機時間的前提下，提升主蒸汽溫度、主蒸汽壓力，從而使機組在帶負荷階段可以快速加負荷至額定負荷)，縮短了冷態(tài)啟動時間。

在冷態(tài)啟動時，主蒸汽壓力為4.12 MPa，主蒸汽溫度為320℃，從沖轉(zhuǎn)至汽輪機轉(zhuǎn)速600 r/min，打閘后臨檢到再次沖轉(zhuǎn)至2 450 r/min，約需要1h。

當轉(zhuǎn)速達到2 450 r/min、中速暖機時，主蒸汽溫度以1℃/min、主蒸汽壓力以0.09 MPa/min的上升速度，使主蒸汽溫度由320℃升至427℃，主蒸汽壓力由4.12 MPa升至10.3 MPa，大約需要2 h，再熱汽溫才能達到260℃。

此時通流部分蒸汽溫度的變化將會在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，只要轉(zhuǎn)子的表面和內(nèi)部有溫差存在，這種熱應(yīng)力就一直存在。當轉(zhuǎn)子表面和內(nèi)部的溫度均勻一致時，此應(yīng)力也即消失。由于轉(zhuǎn)子應(yīng)力的控制就是對轉(zhuǎn)子溫差的控制，所以當主蒸汽的溫升速度不超過1.5℃/min時，轉(zhuǎn)子的應(yīng)力就應(yīng)在可控制范圍內(nèi)。而此時主蒸汽的溫升速度是1℃/min。

根據(jù)“冷態(tài)啟動轉(zhuǎn)子加熱規(guī)程”的規(guī)定，在轉(zhuǎn)子中速暖機的過程中，主蒸汽的溫升速度不大于1.5℃/min、主蒸汽壓力不大于0.09 MPa/min即可。

當中壓主汽門前的再溫汽溫度達260℃時開始計算暖機時間，在任何情況下不允許縮短暖機時間，冷態(tài)暖機1 h后開始升速。

中速暖機期間，機組的振動、軸向位移、脹差、高中壓外缸內(nèi)壁上缸、下缸溫差、汽缸總膨脹等情況良好條件下，汽機可進一步升速，加在一起需3 h。然后沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，開始并網(wǎng)，帶初負荷暖機30 min，同時注意維持機前參數(shù)的穩(wěn)定。

初負荷暖機結(jié)束后，主蒸汽溫度以1.5℃/min、主蒸汽壓力以0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度537℃，主蒸汽壓力16.7 MPa，此時負荷300 MW，需要80 min。

其次，由于事權(quán)與立法權(quán)的限制，部委規(guī)章和地方性立法不能對知識產(chǎn)權(quán)評議的法律性質(zhì)、法律效力、法律責任等一系列關(guān)鍵性問題作出規(guī)定。這就導(dǎo)致一方面，知識產(chǎn)權(quán)評議游離于現(xiàn)有的行政管理體制與行政程序之外，處于非常態(tài)化和非協(xié)同化的狀態(tài)；另一方面，由于缺乏法律效力與法律責任的“武裝”，已經(jīng)實施的知識產(chǎn)權(quán)評議也缺乏必要的約束力，處于“沒有牙齒”的窘境。為此，必須及早通過法律的形式，對于知識產(chǎn)權(quán)評議的法律性質(zhì)、法律效力、法律責任等作出明確規(guī)定。

表1 機組運行操作改進前后的機組主要參數(shù)對比

從轉(zhuǎn)子應(yīng)力的計算可知，轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力的大小與相應(yīng)的有效溫差成正比，在一定的轉(zhuǎn)子材料情況下，對應(yīng)力的控制問題可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ行夭畹目刂啤？紤]到實際汽輪機轉(zhuǎn)子的溫度分布計算十分復(fù)雜，影響因素很多，如果采用多維計算模型，勢必導(dǎo)致計算量巨大，難以滿足實時在線的要求，因此合理地簡化模型是必要的。

目前對實際運轉(zhuǎn)的汽輪機轉(zhuǎn)子采用直接應(yīng)力檢測有比較大的困難，因此通過某些溫度點的檢測以及模型的計算，控制其有效溫差，同樣可以控制應(yīng)力，從而縮短汽輪機啟動時間。因中速暖機過程中，已提升了主蒸汽溫度至420℃、調(diào)節(jié)級金屬溫度達到了400℃，可以認定機組已是熱態(tài)啟動的參數(shù)了。再根據(jù)“熱態(tài)啟動推薦值”，主蒸汽溫度以1.5℃/min、主蒸汽壓力以0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度537℃、主蒸汽壓力16.7 MPa，至額定負荷。

冷態(tài)啟動操作方法改進后操作注意事項如下:

1)在蒸汽參數(shù)升壓升溫時，同時轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)的過程中監(jiān)視機組脹差，如果機組脹差超標，需要及時調(diào)整蒸汽參數(shù)，特別是控制蒸汽的溫升速度。

2)冷態(tài)啟動全程監(jiān)測高中壓汽缸的上下半溫差不允許超過40℃。

3)冷態(tài)啟動全程監(jiān)視軸振和瓦振，若發(fā)現(xiàn)超標則降低蒸汽溫升率，一般蒸汽溫度在320～427℃過程中的溫升速度小于1.5℃/min。

5 冷態(tài)啟動操作方法改進后的效果

在保證機組冷態(tài)啟動安全的前提下，對縮短冷態(tài)啟動的時間進行了合理的安排，即在2 450 r/min開始計算暖機時間，此時主汽壓力、主汽溫度開始滑升。2 h后主汽溫度滑升至427℃、主汽壓力滑升至10.3 MPa，此時再熱汽溫達到260℃，再加上1 h的暖機時間，總共3 h，然后沖轉(zhuǎn)至2 900 r/min切閥后，升至3 000 r/min定速。

經(jīng)過對冷態(tài)啟動操作過程的改進和在2011年內(nèi)幾次機組冷態(tài)啟動的操作過程，證明上述改進措施實施后，300 MW機組冷態(tài)由定速帶至額定負荷時間可縮短5 h。300 MW機組冷態(tài)啟動操作方法改進前后的主要機組參數(shù)如表1所示。

某電廠通過幾次冷態(tài)啟動的實踐證明，改進后的啟動方法可行，節(jié)油效果非常明顯。原來1次冷態(tài)啟動需耗油12～14 t，而現(xiàn)在1次冷態(tài)啟動只需耗油6～7 t，僅1次冷態(tài)啟動就能節(jié)油6～7 t，折合人民幣5.6萬元。若某電廠每年完成6次冷態(tài)機組啟動，可節(jié)約燃油42 t，能節(jié)約成本33.6萬元左右。

6 結(jié)論

上述分析結(jié)果表明，不改變機組控制保護邏輯，通過合理的操作調(diào)整，解決了某電廠300 MW機組冷態(tài)啟動緩機時間偏長的問題，明顯縮短了機組冷態(tài)啟動的暖機時間，從原來的約10 h縮短到5 h。通過經(jīng)濟性分析計算，每年可增加收入33.6萬元，節(jié)能效果顯著。

［1］張保衡.大容量火電機組壽命管理與調(diào)峰運行［M］.北京:水電出版社，1988:75－76.

Application of the optimization of cold startup for 300 MW unit

MA Yanxin，ZHANG Xiaoyu，QIAO Dayong，XIAO Liang，ZHANG Kun，HAN Ruibin
(Heilongjiang Huadian Qiqihar Thermal Power Company Limited，Qiqihar 161000，China)

Aiming at the slow cold startup and negative economy of 300 MW unit，this paper，taking the safe running of unit and equipment as a premise，proposes to improve the cold startup and optimize the cold startup program.The application proves that the cold startup speeds up after the improvement，which realizes the safe and economic startup and enhances the economic running of 300 MW unit.

cold startup;warm－up time;thermal stress;temperature matching

TK267

B

1002－1663(2012)03－0231－04

2011－12－26

馬巖昕(1968－)，男，2000年畢業(yè)于東北電力學(xué)院熱能動力工程專業(yè)，工程師。從事節(jié)能、汽輪機、化學(xué)運行技術(shù)管理方面的工作。

(責任編輯 侯世春)