1000MW二次再熱機組汽輪機熱應(yīng)力控制策略分析

陳 林，許海雷，冀 川

(國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

泰州發(fā)電公司二期兩臺機組汽輪機采用了上海汽輪機廠的全周進汽、超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、單背壓凝汽式、十級回?zé)岢槠啓C。機組采用一個超高壓缸、一個高壓缸、一個中壓缸和二個低壓缸串聯(lián)的布置結(jié)構(gòu)。汽輪機五根轉(zhuǎn)子分別由六個徑向軸承來支承，除超高壓轉(zhuǎn)子由兩個徑向軸承支承外，其余四根轉(zhuǎn)子，即高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和兩根低壓轉(zhuǎn)子均只有一個徑向軸承支承。整個汽輪機軸系總長約36m。六個軸承分別位于六個軸承座內(nèi)。

1 汽輪機應(yīng)力評估器(TSE)簡述

1.1 熱應(yīng)力產(chǎn)生的工況

溫度改變時，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，又稱溫變應(yīng)力[1]。汽輪機的啟動過程是將汽輪機從盤車狀態(tài)升速至額定轉(zhuǎn)速并帶負荷運行的過程，在純冷態(tài)啟動初期，轉(zhuǎn)子和汽缸溫度接近于常溫，而在正常運行時，汽輪機的閥門、汽缸、轉(zhuǎn)子的溫度較高，超過500℃。從傳熱學(xué)的觀點這是個加熱過程，相反停機過程則是冷卻的過程，此過程中的溫差勢必產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。

1.2 TSE(turbine stress evaluator)

為了使汽輪機整個部件在啟停機過程中的熱應(yīng)力均控制在允許范圍內(nèi)，需要對汽輪機的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，控制其溫度變化。為此，機組設(shè)置了汽輪機應(yīng)力評估器(TSE)，精確計算汽輪機運行期間閥門、轉(zhuǎn)子及汽缸的最大應(yīng)力，并與計算出來的允許值進行比較，最終得出汽輪機啟停過程中允許的溫度變化率，以確定主再熱蒸汽參數(shù)與轉(zhuǎn)速、負荷變化率之間的最佳匹配，確保主要部件應(yīng)力不超限，提高機組正常運行年限。針對泰州公司二次再熱機組特點，需要監(jiān)視的主要部件有：超高壓主汽門、調(diào)門、汽缸、轉(zhuǎn)子，高壓缸主汽門、調(diào)門、轉(zhuǎn)子，中壓缸轉(zhuǎn)子。測量與蒸汽接觸的表面溫度和汽缸或閥體中間溫度(50%處)，通過各部件的測量和計算得到的溫差和材料允許溫差進行比較，得到相應(yīng)部件的溫度裕度，將其中最小的溫度裕度作為運行時的參考值，輸入至TSE中，從而控制轉(zhuǎn)速和負荷的變化率，進而控制熱應(yīng)力。通過應(yīng)力閉環(huán)的控制，將汽輪機的熱應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)。此外，TSE還可以形成不同溫度下的X準(zhǔn)則，還可以根據(jù)裕度計算出汽輪機沖轉(zhuǎn)時最佳蒸汽參數(shù)，使鍋爐與汽機的參數(shù)相適應(yīng)[2-3]。熱應(yīng)力的大小用金屬表面溫度與中間溫度的差值來表示。溫差越大，熱應(yīng)力也越大。為了保證熱應(yīng)力不超允許值，可以通過溫差不超過限值來表示。對于汽缸和閥體，通過平均溫度Tm的函數(shù)來表示。限值共有兩根曲線，正值為升轉(zhuǎn)速、加負荷曲線，負值則為降轉(zhuǎn)速、減負荷曲線。T1、Tm為測量溫度，Tm為轉(zhuǎn)子平均溫度，Tax為轉(zhuǎn)子中心溫度，dT為實際溫差，dTpermtupr為允許溫差(上限)，dTpermtlwr為允許溫差(下限)，ddTupr為溫度裕度上限，ddTlwr為溫度裕度下限，通過測得的閥體和汽缸相關(guān)溫度參數(shù)得到：

上限溫度裕度ddTupr=dTpermtupr-dT

下限溫度裕度ddTlwr=dT-dTpermtlwr

通過將超高壓主汽門、調(diào)門、汽缸、轉(zhuǎn)子，高壓缸主汽門、調(diào)門、轉(zhuǎn)子，中壓缸轉(zhuǎn)子八個溫度裕度上限最小值送至汽輪機控制器溫度裕度控制器最為升速和加負荷的裕度，計算出升速率和加負荷速率。同樣也可計算出允許的降速率和降負荷速率。運行人員通過UI界面可以投切TSE模塊。同時，如果TSE相關(guān)測點故障也會切除相應(yīng)部件的應(yīng)力控制器。每個部件的溫度裕度在DEH畫面中以棒狀圖顯示，如果溫度裕度接近0，說明該部件的應(yīng)力已達到了最大允許值。如果低于0，則應(yīng)力超過了最大允許值。

2 TSE控制策略

對于1000MW二次再熱機組汽輪機，其核心部件轉(zhuǎn)子和葉片均使用高合金鋼材料，此材料的許用溫度變化關(guān)系就是TSE控制器控制策略的核心底層，有了此基礎(chǔ)，我們就可以建立一套應(yīng)力控制的模型，我們對不同材料制成的部件暖機的速率是不同的[4]。汽輪機應(yīng)力控制器(TSE)是汽輪機一個監(jiān)控模塊，對其各個部件連續(xù)不斷評估，給出汽輪機能運行在最小壽命損耗工況下提供必要的信息，同時也提供最大的運行靈活性，其有下列功能：在任何條件下，通過TSE能將汽輪機應(yīng)力控制允許范圍內(nèi)；計算和記錄汽輪機部件的壽命損耗。

汽輪機部件的溫度改變量主要取決于啟停機時蒸汽溫度的變化、汽輪機負荷變化。圖1是泰州公司二期DEH功能模塊主要結(jié)構(gòu)?？梢钥闯鯰SE處于結(jié)構(gòu)中的頂層，對整個控制輸出具有重要意義，具體控制邏輯如下：從汽輪機應(yīng)力評估WTG中產(chǎn)生的負荷增加溫度裕度WTO和負荷降低溫度裕度WTU，在MIN或MAX選擇功能塊中，與最大語序裕度FBMAX進行比較。選出的信號乘以延遲的轉(zhuǎn)速設(shè)定值梯度NSVG以產(chǎn)生轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制的速率，在負荷運行期間，該因子切換到延遲的負荷設(shè)定值速率PSVG，升速方向轉(zhuǎn)速上限裕度OFBN，降速方向轉(zhuǎn)速下限裕度UFBN。限制轉(zhuǎn)速設(shè)定值上限裕度OFBN最小值，以確保在升速期間轉(zhuǎn)速梯度監(jiān)控不作出響應(yīng)。在帶負荷控制器的負荷運行LB時，取消減小轉(zhuǎn)速設(shè)定值梯度模塊PSG，由運行人員設(shè)定的期望內(nèi)部負荷設(shè)定值梯度PSGI，與限制溫度裕度WTO和WTU及最大允許裕度FBMAX在MIN或MAX選件模塊中選擇[5]。

圖1 泰州公司二期DEH功能模塊組成

3 結(jié)語

汽輪機應(yīng)力控制器運行曲線直接引進汽輪機熱應(yīng)力控制策略模塊中，能直接反映溫度準(zhǔn)則，由應(yīng)力計算到溫度準(zhǔn)則，汽輪機應(yīng)力控制器全程監(jiān)護，減輕了運行人員的工作量，更是有效地防止了人為的誤操作，提高工作效率，汽輪機運行安全、可靠。