50 MW背壓機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的暖機(jī)策略研究

葉 青，徐新果，居國騰，李豐均，孫海龍，姚 坤

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

汽輪機(jī)缸體金屬內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力[1]。特別是在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中，汽輪機(jī)缸體與蒸汽存在較大溫差，而缸溫較低，低于金屬脆性轉(zhuǎn)變溫度，熱應(yīng)力問題更為嚴(yán)重[2]。此外，由于金屬導(dǎo)熱過程的滯后性，汽缸和轉(zhuǎn)子膨脹量不一致產(chǎn)生脹差過大問題[3]。為了保障機(jī)組安全運(yùn)行，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)往往需要長(zhǎng)時(shí)間的暖機(jī)過程來保證汽輪機(jī)的安全啟動(dòng)，即通過降低溫差緩解汽缸熱應(yīng)力和脹差過大問題[4-7]。目前，針對(duì)大型汽輪機(jī)暖機(jī)策略的研究已經(jīng)較為普遍[8]。例如，一些學(xué)者從暖機(jī)所需的蒸汽參數(shù)入手，通過降低蒸汽參數(shù)減少暖機(jī)時(shí)間[9]。也有一些研究從冷態(tài)啟動(dòng)暖機(jī)期間出現(xiàn)上下缸大溫差問題入手，進(jìn)行了分析和試驗(yàn)研究，最終提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施，取得了較好的改造效果[10]。然而，現(xiàn)有研究主要針對(duì)大型機(jī)組，對(duì)小型機(jī)組，特別是50 MW汽輪機(jī)組暖機(jī)過程的研究較少。實(shí)際上，50 MW汽輪機(jī)因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其暖機(jī)過程較長(zhǎng)，一旦不能準(zhǔn)確把握機(jī)組暖機(jī)狀態(tài)，將會(huì)引起汽輪機(jī)動(dòng)靜膨脹不均、振動(dòng)超限等一系列問題。所以，針對(duì)50 MW機(jī)組暖機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)有較高的研究?jī)r(jià)值。

本文針對(duì)某50 MW機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中耗時(shí)過長(zhǎng)且容易產(chǎn)生脹差過大問題，提出多種暖機(jī)方案并進(jìn)行綜合對(duì)比分析，最終優(yōu)選出利用中壓蒸汽暖機(jī)的改造策略，避免因暖機(jī)不充分帶來的軸振超限等安全問題，提高機(jī)組整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 50 MW背壓機(jī)組啟動(dòng)暖機(jī)問題分析

(1)啟動(dòng)脹差問題

3號(hào)汽輪機(jī)大修后沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，歷時(shí)近40 h，一共沖轉(zhuǎn)了6次(期間悶缸5次)。在第5次沖轉(zhuǎn)時(shí)，成功沖到3 000 r/min，此時(shí)的缸脹為6.8 mm和7.5 mm，但維持了90 min后，汽輪機(jī)#2軸承振動(dòng)再次突然上升，最終再次打閘悶缸，振動(dòng)上升前的缸脹為9.5 mm和10 mm。

4號(hào)汽輪機(jī)大修后沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，歷時(shí)22個(gè)小時(shí)，一共沖轉(zhuǎn)3次(期間悶缸2次)。打閘悶缸均由于汽輪機(jī)脹差或振動(dòng)超標(biāo)。此外，某次該機(jī)組在調(diào)停后啟動(dòng)并網(wǎng)，并網(wǎng)后缸溫、脹差、軸向位移等運(yùn)行參數(shù)正常。在運(yùn)轉(zhuǎn)1 h后機(jī)組#2瓦軸振通頻幅值超過135 μm，機(jī)組跳閘。汽機(jī)跳機(jī)后整個(gè)惰走過程時(shí)間約為8 min。對(duì)比其他同類型的三臺(tái)機(jī)組，時(shí)間明顯偏短?？梢缘贸?，由于汽輪機(jī)動(dòng)靜發(fā)生碰磨，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子惰走阻力增大。機(jī)組惰走結(jié)束后，盤車過程中轉(zhuǎn)子偏心值上下起伏，偏心數(shù)據(jù)嚴(yán)重超過沖轉(zhuǎn)前數(shù)據(jù)。

6號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組于試運(yùn)期間因汽缸膨脹不暢，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰磨導(dǎo)致大軸彎曲事件。

表1 #4機(jī)組汽缸偏擺數(shù)據(jù)

(2)啟動(dòng)汽缸偏擺問題

多臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)過程中均發(fā)現(xiàn)汽缸存在向爐側(cè)偏擺的跡象。以#4機(jī)組為例，通過安裝在汽缸前端的汽缸偏擺監(jiān)測(cè)裝置對(duì)汽缸偏擺情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如表1所示[11]。機(jī)組沖轉(zhuǎn)到升負(fù)荷階段，DCS和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的偏擺數(shù)據(jù)均顯示汽缸向右側(cè)(即向鍋爐側(cè))偏擺0.2 mm左右。

2 暖機(jī)方式改造優(yōu)化方案

為有效緩解50 MW機(jī)組暖機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，需要對(duì)現(xiàn)有暖機(jī)方式進(jìn)行優(yōu)化。暖機(jī)方案設(shè)計(jì)過程中，蒸汽參數(shù)的選擇性實(shí)驗(yàn)為暖機(jī)項(xiàng)目的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)，缸體推力分析為暖機(jī)速度及暖機(jī)方式的選擇提供汽輪機(jī)接口金屬熱應(yīng)力數(shù)據(jù)，避免因暖機(jī)等操作造成蒸汽接口應(yīng)力超限。

“縱觀西方哲學(xué)研究，自始至終貫穿著感性與理性、經(jīng)驗(yàn)主義與唯理主義的爭(zhēng)論，這些對(duì)立的觀點(diǎn)以不同的形式反映在語言研究中，并形成了兩種對(duì)立的語言研究方法:一種是通過可觀察到的語言用法，從外部對(duì)語言進(jìn)行研究;另一種是把語言看作人的天賦能力的一部分，看作人類理性的表現(xiàn)，從人類心智內(nèi)部研究語言。”［1］“傳統(tǒng)語文學(xué)、對(duì)比語言學(xué)、描寫語言學(xué)主要基于經(jīng)驗(yàn)主義哲學(xué)觀，而普遍語法、思辨語法、轉(zhuǎn)換生成語法則主要基于唯理主義?！保?］82

2.1 蒸汽系統(tǒng)改造初步方案設(shè)計(jì)

機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)過程中，不同參數(shù)的蒸汽源對(duì)應(yīng)的暖機(jī)方法和效果必然存在一定的差異性，為充分對(duì)比各蒸汽源的暖機(jī)效果，根據(jù)蒸汽來源設(shè)計(jì)相應(yīng)的蒸汽系統(tǒng)改造方案。下述所有改造方案中，暖機(jī)目標(biāo)溫度都為220 ℃，且暖機(jī)過程中保持盤車投入。

(1)方案一：高壓蒸汽暖機(jī)系統(tǒng)

由壓力9.1 MPa、溫度535 ℃的主蒸汽作為暖機(jī)汽源，主蒸汽來源為本機(jī)對(duì)應(yīng)的鍋爐，通過主蒸汽母管引入。在原有主蒸汽管道的電動(dòng)隔離門的暖管旁路接入暖機(jī)蒸汽系統(tǒng)，并利用調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)快速閥和調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)暖機(jī)。暖機(jī)過程中，汽缸的排汽管路截止，汽缸內(nèi)平均壓力維持0.98 MPa以下。

(2) 方案二：中壓蒸汽暖機(jī)系統(tǒng)

由壓力3.3 MPa、溫度394 ℃的中壓供熱蒸汽作為暖機(jī)的汽源，蒸汽來源為中壓供熱母管中的蒸汽。蒸汽接至主蒸汽管道電動(dòng)隔離門后，通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)快速閥和調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)暖機(jī)。當(dāng)只有一臺(tái)機(jī)在正常供熱時(shí)，可從中壓供熱母管接至需要啟動(dòng)機(jī)組的暖機(jī)系統(tǒng)上。若四臺(tái)機(jī)都不工作的情況下，先啟動(dòng)鍋爐，將主蒸汽減溫、減壓至中壓供熱參數(shù)，再通過中壓供熱母管接引至暖機(jī)蒸汽系統(tǒng)。暖機(jī)時(shí)汽缸排汽管路截止。

(3)方案三：低壓蒸汽暖機(jī)系統(tǒng)

由壓力0.98 MPa、溫度255 ℃的低壓供熱蒸汽作為暖機(jī)汽源，汽源為低壓供熱母管或輔助蒸汽。通過調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)快速閥和調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)暖機(jī)。暖機(jī)時(shí)汽缸排汽管路截止。

(4)方案四：暖機(jī)過程中，汽缸排汽管路連通，并維持排汽壓力50 kPa。

2.2 蒸汽系統(tǒng)改造方案可行性分析

對(duì)于方案四，排汽管路不截止汽氣缸內(nèi)維持真空狀態(tài)。一方面，由于進(jìn)排汽壓差較大，蒸汽的內(nèi)能更傾向于膨脹做功，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)。為了保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，通入汽缸用于暖機(jī)的蒸汽轉(zhuǎn)化的機(jī)械功需少于軸承摩擦耗功與葉片鼓風(fēng)耗功之和。因此對(duì)蒸汽進(jìn)汽量有限制，這極大的延長(zhǎng)了暖機(jī)時(shí)間；另一方面，50 kPa排汽壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度為81.3 ℃，少量蒸汽進(jìn)入汽缸后，快速膨脹，溫度極速降低，在維持小流量和壓力不變的情況下，溫度基本上維持在81.3 ℃附近，難以達(dá)到暖機(jī)的效果。此外，管道內(nèi)負(fù)壓帶來的結(jié)構(gòu)受力方向的改變，可能會(huì)帶來結(jié)構(gòu)的位移問題。因此，方案四缺乏可行性。

對(duì)于方案一、二和三，方案一、二的主要難度在于維持汽缸內(nèi)平均壓力。隨著汽缸溫度隨時(shí)間上升，汽缸換熱量減少，需要通入的蒸汽流量不斷減少。由于方案四缺乏可行性，暖機(jī)時(shí)間暫不估計(jì)。綜合分析方案改造后效果如表2所示。

表2 暖機(jī)方案關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比分析

需要指出的是，在表2所示模型的分析過程中做出了比較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)h會(huì)隨著流動(dòng)狀態(tài)不斷變化；各部件的形狀會(huì)影響溫度分布的均勻性；流速較低時(shí)，蒸汽會(huì)在一些部位形成死腔，間接地影響了換熱面積。實(shí)際上，汽缸也并不是封閉的系統(tǒng)，在汽封疏水口等位置都與外界連通；汽缸除保溫層外，熱量還會(huì)通過軸承座向兩端傳遞。以上因素都會(huì)在實(shí)際過程中對(duì)悶缸暖機(jī)至指定溫度的總時(shí)間，產(chǎn)生實(shí)際的影響。

2.3 不同改造方案應(yīng)力分析

暖機(jī)系統(tǒng)改造會(huì)改變汽輪機(jī)蒸汽管道受力分布，這種力需要借助管道的支吊架抵消。當(dāng)改造不合理時(shí)，管道固定結(jié)構(gòu)無法抵消作用力，其會(huì)通過管道與汽輪機(jī)缸體接口傳遞給汽輪機(jī)外缸。對(duì)于大型機(jī)組，汽輪機(jī)缸體自重較大，該力并不足以引起缸體產(chǎn)生位移。然而，對(duì)于小型機(jī)組，缸體承受外力的能力較差，較大的外力會(huì)引起缸體移動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)汽缸偏擺問題。為有效平衡管道作用力，在改造方案設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)比不同改造方案對(duì)機(jī)體造成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，充分考慮改造方案可實(shí)施性。

方案一采用主蒸汽暖機(jī)，對(duì)管道布置和支吊點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。主蒸汽母管設(shè)置有固定支吊架，主蒸汽以一路管道供至汽輪機(jī)基座處，在機(jī)頭側(cè)的主蒸汽立管設(shè)置了Y向限位支架(限制了向鍋爐側(cè)正負(fù)方向的位移)，管道一分為二后分別接入汽輪機(jī)本體的主蒸汽進(jìn)汽口。

圖1 主蒸汽管道平面布置圖

方案二中對(duì)壓供熱抽汽管道布置和支吊點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。中壓供熱抽汽管道在汽缸下部引出，接至中壓供熱母管，按順序設(shè)置了水平限位支架、豎向彈簧支吊架、水平限位支架、豎向吊架以及水平限位支架。三個(gè)不同方向水平限位支架的設(shè)置，減小了管道熱脹對(duì)汽輪機(jī)接口的推力。

方案三的低壓供熱排汽管道和支吊點(diǎn)設(shè)置也進(jìn)行了優(yōu)化。低壓排汽接口用于除氧器加熱、小汽輪機(jī)供汽以及低壓供熱。在汽缸底部接口引出后，設(shè)置了水平限位支架，然后蒸汽一分為二，一部分匯入低壓供熱母管，另一部分反向往鍋爐方向布置，分別引入小汽輪機(jī)和除氧器加熱蒸汽母管。管道在水平方向上推力均勻，有水平限位支架進(jìn)行了適當(dāng)?shù)南拗?，減小管道對(duì)汽機(jī)本體的接口推力。

對(duì)比分析三種方案可以得出，方案二、三中管道的固定結(jié)構(gòu)較多，其承受管道應(yīng)力能力較強(qiáng)，后期進(jìn)行加固改造的施工量較少。因此，從應(yīng)力分析角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇方案二或方案三。

3 改造效益分析

在改造前，平均每次啟動(dòng)時(shí)間約42 h，且面臨啟動(dòng)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于不同的改造方案，其優(yōu)化效果如表3所示。為進(jìn)一步核算出不同改造方案的經(jīng)濟(jì)效益，假設(shè)節(jié)省啟動(dòng)的時(shí)間全部用于供熱和發(fā)電，按每臺(tái)機(jī)組中壓供熱和低壓供熱分別162.5 t/h，發(fā)電量53.4 MW計(jì)算，每次啟動(dòng)節(jié)省的啟動(dòng)時(shí)間帶來每小時(shí)供熱及發(fā)電的效益為7.08萬元/h。不同改造方案的經(jīng)濟(jì)效益如表3所示。

從表3可以看出，方案二采用中壓蒸汽，蒸汽溫度適中，暖機(jī)時(shí)間充足，相比方案一更有利于傳熱均勻，且經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于方案三，從當(dāng)前的效果估算進(jìn)行比較，方案二是較優(yōu)的方案。

表3 不同改造方案的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)計(jì)算，4臺(tái)機(jī)組按優(yōu)化方案二進(jìn)行實(shí)施后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 808 t，間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到154萬元/年，相應(yīng)減少CO2排放4 734 t，NOx排放約13.8 t，SOx排放約29 t，具有較大的社會(huì)環(huán)保效益。

4 結(jié)論

本文針對(duì)50 MW機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的暖機(jī)方法進(jìn)行研究，通過對(duì)暖機(jī)蒸汽參數(shù)和管道熱應(yīng)力分析，綜合考慮暖機(jī)時(shí)長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)選出最佳的改造方案：由參數(shù)為3.3 MPa，394 ℃中壓供熱蒸汽作為暖機(jī)汽源，并充分考慮暖機(jī)時(shí)汽機(jī)對(duì)應(yīng)鍋爐的啟停狀態(tài)，通過設(shè)置多路汽源保證暖機(jī)過程的可實(shí)施性。此方法不僅改善了機(jī)組暖機(jī)耗時(shí)，又避免因暖機(jī)不充分帶來的軸振超限等安全問題，提高機(jī)組整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，具有較高推廣價(jià)值。