超超臨界二次再熱汽輪機裕度控制分析

王洪磊、曹冬敏、陳林、張宇、陳臻、崔凱峰

（國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇泰州，225300）

1 設(shè)備概況

國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司二期工程2臺1000MW二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機組。選用上海汽輪機廠引進(jìn)的西門子汽輪機，型式為：超超臨界參數(shù)、二次中間再熱、五缸四排汽、單背壓、反動凝汽式汽輪機。機組采用高、中、低壓三級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，容量為100%BMCR高壓旁路+中壓旁路（啟動容量）+低壓旁路系統(tǒng)（啟動容量）。該汽輪機在通流部分設(shè)計上任采用模塊化設(shè)計，本體部分由五個汽缸組成，即一個單流超高壓缸、一個雙流高壓缸、一個雙流中壓缸和兩個雙流低壓缸。超高、高、中、低壓轉(zhuǎn)子均采用無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子，具有剛性好，應(yīng)力小的特點。

圖1 設(shè)備實物圖

2 汽輪機金屬部件溫度分布的影響

汽輪機在正常工作狀態(tài)時，由于工況的變化各零部件的工作參數(shù)都將發(fā)生變化，而這些變化的工作參數(shù)中，對機組安全運行起決定因素的則是溫度的變化。在機組的運行過程中，由于汽輪機進(jìn)汽溫度的變化，以及汽輪機各零部件的尺寸很大且工作條件不同，必將在各零部件中形成溫度梯度，從而產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，當(dāng)綜合應(yīng)力達(dá)到相當(dāng)高的水平，甚至超出屈服極限，使這些高溫度部件遭受一定損傷，這種損傷的累積最終導(dǎo)致部件損壞。

加負(fù)荷時，汽溫升高，汽輪機各金屬表面先被加熱而膨脹，但此時金屬內(nèi)腔部位則處于未被加熱狀態(tài)，它限制表面的膨脹，從而使金屬表面層內(nèi)產(chǎn)生壓熱應(yīng)力，而內(nèi)腔部位則承受熱拉應(yīng)力。減負(fù)荷時，汽溫降低，金屬表面先受冷，而內(nèi)腔室部位卻保持較高溫度，從而使表面層承受拉應(yīng)力而金屬內(nèi)部承受壓應(yīng)力。顯然，汽輪機加減負(fù)荷時，金屬內(nèi)外表層承受壓縮和拉伸，這種壓縮和拉伸反復(fù)作用，就會引起金屬材料的疲勞損傷，就有可能出現(xiàn)裂紋。

3 應(yīng)力裕度的評估

汽輪機熱應(yīng)力評估TSE的基本功能就是對汽輪機的轉(zhuǎn)子、進(jìn)汽閥門的閥體和汽缸缸體等厚重部件的溫差進(jìn)行監(jiān)視，防止由于蒸汽溫度與金屬溫度的不匹配導(dǎo)致金屬部件產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，影響部件的使用壽命。這里的溫差監(jiān)視實際上是所謂的溫度裕量（Margin）監(jiān)視。它是汽輪機部件的實際溫差和設(shè)計溫差的差值，溫度裕量越大，說明溫差越小，部件所受的熱應(yīng)力也越小。

監(jiān)視熱應(yīng)力最方便的辦法就是監(jiān)視部件的溫差值。對于閥門和汽缸等靜止部件，測量溫差的方法是在部件上打個孔，安裝兩只位置相鄰、但插入深度不同的熱電偶作為內(nèi)壁溫和平均壁的溫度測點，如圖所示。插入90%深度處的溫度T1 泛指直接接觸蒸汽并進(jìn)行熱交換的相應(yīng)閥體(缸體) 溫度，插入50 %深度處的溫度Tm泛指相應(yīng)閥體(缸體) 的平均溫度。由于熱傳導(dǎo)的延遲，Tm 的變化總會慢于T1 的變化，從而存在溫差，這一溫差的大小，即表示應(yīng)力的大小。

圖2 汽輪機靜止部件溫差測量

4 應(yīng)力裕度的計算

汽輪機熱應(yīng)力控制就是通過測取（或模擬計算）受溫度劇烈變化影響的汽機主要厚重部件，如閥門閥體、汽缸缸體、轉(zhuǎn)子等部件的內(nèi)外壁溫，然后計算出可能的最大應(yīng)力（用溫差進(jìn)行表征）并與規(guī)定限值進(jìn)行比較，從而構(gòu)成汽機監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，并根據(jù)應(yīng)力決定汽機運行過程中的升速率以及變負(fù)荷時最大的允許負(fù)荷變動率。

（1）超高壓主汽門升裕度=A側(cè)超高壓主汽閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)－（A側(cè)超高壓主汽閥100%處壁溫－A側(cè)超高壓主汽閥50%處壁溫）

其中f(x)函數(shù)為：

左側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫 0 311 426 600 99971 f(x)函數(shù) 98 89 73 73 0

（2）超高壓主汽門減裕度=（A側(cè)超高壓主汽閥100%處壁溫－A側(cè)超高壓主汽閥50%處壁溫）+︱A側(cè)超高壓主汽閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)︱

其中f(x)函數(shù)為：

左側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫 0 370 465 600 99971 f(x)函數(shù) -30 -20 -15 -15 0

（3）超高壓調(diào)門升裕度=A側(cè)超高壓調(diào)閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)－（A側(cè)超高壓調(diào)閥100%處壁溫-A側(cè)超高壓調(diào)閥50%處壁溫），其中f(x)函數(shù)為：

左側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫 0 50 208 600 99971 f(x)函數(shù) 128 128 75 75 0

（4）超高壓調(diào)門減裕度=（A側(cè)超高壓調(diào)閥100%處壁溫－A側(cè)超高壓調(diào)閥50%處壁溫）+︱A側(cè)超高壓調(diào)閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)為：

左側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫 20 225 315 600 99971 f(x)函數(shù) -25 -25 -15 -15 0

（5）超高壓缸升裕度=超高壓缸50%處壁溫的f(x)函數(shù)－（超高壓缸100%處壁溫－超高壓缸50%處壁溫），其中f(x)函數(shù)為：

高壓缸50%處壁溫 0 305 412 600 99971 f(x)函數(shù) 105 95 88 84 0

（6）超高壓缸減裕度=（超高壓缸100%處壁溫－超高壓缸50%處壁溫）+︱超高壓缸50%處壁溫的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)為：

高壓缸50%處壁溫 0 375 465 600 99971 f(x)函數(shù) -42 -32 -20 -20 0

（7）超高壓轉(zhuǎn)子升裕度=MIN[超高壓轉(zhuǎn)子溫度1的f1(x)函數(shù)，超高壓轉(zhuǎn)子溫度2的f2(x)函數(shù)]－（超高壓內(nèi)缸平均溫度－超高壓轉(zhuǎn)子溫度1）

其中f(x)函數(shù)為：

高壓轉(zhuǎn)子溫度1 0 237 414 600 99971 f1(x)函數(shù) 144 138 105 105 0高壓轉(zhuǎn)子溫度2 0 20 100 600 99971 f2(x)函數(shù) 50 100 175 175 0

（8）超高壓轉(zhuǎn)子減裕度=（超高壓內(nèi)缸平均溫度－超高壓轉(zhuǎn)子溫度1）+︱超高壓轉(zhuǎn)子溫度1的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)為：

高壓轉(zhuǎn)子平均溫度 0 385 467 600 99971 f(x)函數(shù) -69 -53 -33 -33 0

（9）高壓主汽門升裕度=A側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)－（A側(cè)高壓主汽閥100%處壁溫－A側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫），其中f(x)函數(shù)為：

左側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫 0 315 434 600 99971 f(x)函數(shù) 81 75 61 61 0

（10）高壓主汽門減裕度=（A側(cè)高壓主汽閥100%處壁溫－A側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫）+︱A側(cè)高壓主汽閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)與超高壓相同。

（11）高壓調(diào)門升裕度=A側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)－（A側(cè)高壓調(diào)閥100%處壁溫-A側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫），其中f(x)函數(shù)為：

左側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫 0 50 197 600 99971 f(x)函數(shù) 75 75 47 47 0

（12）高壓調(diào)門減裕度=（A側(cè)高壓調(diào)閥100%處壁溫－A側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫）+︱A側(cè)高壓調(diào)閥50%處壁溫的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)與超高壓相同。

（13）高壓轉(zhuǎn)子升裕度=MIN[高壓轉(zhuǎn)子溫度1的f1(x)函數(shù)，高壓轉(zhuǎn)子溫度2的f2(x)函數(shù)]－（高壓內(nèi)缸平均溫度－高壓轉(zhuǎn)子溫度1），其中f(x)函數(shù)為：

高壓轉(zhuǎn)子溫度1 0 252 393 620 99971 f1(x)函數(shù) 134 125 101 101 0高壓轉(zhuǎn)子溫度2 0 75 155 600 99971 f2(x)函數(shù) 50 100 175 175 0

（14）高壓轉(zhuǎn)子減裕度=（高壓內(nèi)缸平均溫度－高壓轉(zhuǎn)子溫度1）+︱高壓轉(zhuǎn)子溫度1的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)與超高壓轉(zhuǎn)子相同。

（15）中壓轉(zhuǎn)子升裕度=MIN[中壓轉(zhuǎn)子溫度1的f1(x)函數(shù)，中壓轉(zhuǎn)子溫度2的f2(x)函數(shù)]－（中壓內(nèi)缸平均溫度－中壓轉(zhuǎn)子溫度1），其中f(x)函數(shù)為：

中壓轉(zhuǎn)子溫度1 0 318 476 620 99971 f1(x)函數(shù) 122 113 100 100 0中壓轉(zhuǎn)子溫度2 55 75 154 600 99971 f2(x)函數(shù) 50 91 173 173 0

（16）中壓轉(zhuǎn)子減裕度=（中壓內(nèi)缸平均溫度－中壓轉(zhuǎn)子溫度1）+︱中壓轉(zhuǎn)子溫度1的f(x)函數(shù)︱，其中f(x)函數(shù)與高壓轉(zhuǎn)子相同。

5 實際運行中應(yīng)力裕度控制存在的問題

其主汽門、調(diào)門的裕度計算均采用A側(cè)主汽門、調(diào)門作為判據(jù)，實際運行中汽輪機兩側(cè)進(jìn)汽溫度主要受爐側(cè)燃燒的影響，存有很大的不確定因素，單純使用一側(cè)的溫度作為判據(jù)就顯得不全面，下圖是我們實際運行過程中兩側(cè)進(jìn)汽溫度曲線，可以看出隨著兩側(cè)燃燒的變化，兩側(cè)進(jìn)汽溫度變化較大，尤其是低負(fù)荷運行時，燃燒偏差增大，兩側(cè)進(jìn)汽溫度偏差交大。因此建議將B側(cè)的主汽門、調(diào)門裕度判斷引入裕度控制邏輯。

在轉(zhuǎn)子裕度計算時，只選取測點1作為邏輯運行，而轉(zhuǎn)子溫度是由汽缸內(nèi)缸溫度算的，單取溫度1作為判據(jù)，當(dāng)該溫度測點出現(xiàn)異常時易導(dǎo)致邏輯誤判從而影響設(shè)備的正常運行及調(diào)整，建議將轉(zhuǎn)子平均溫度引入邏輯運算。