上汽新型高效超臨界350MW汽輪機冷態(tài)啟動運行控制策略

中煤平朔安太堡熱電有限責(zé)任公司 郭啟存

近年來，火力發(fā)電廠節(jié)能減排和環(huán)保壓力逐年增大，人們對燃煤火力發(fā)電機組的提效減排提出了越來越高的的要求，超臨界350MW 機組因容量小、調(diào)整靈活、功能性強，在熱電聯(lián)產(chǎn)項目廣泛應(yīng)用，逐漸成為城市采暖供熱、供汽的主力機型之一。上海汽輪機廠為響應(yīng)市場對超臨界350MW 等級高性能供熱抽汽汽輪機的要求，引進了西門子技術(shù)和平臺，憑借在超臨界汽輪機改造方面積累的豐富經(jīng)驗，研發(fā)了新型高效超臨界350MW 機型，上汽廠編號H159。該機型結(jié)構(gòu)先進、熱耗低，采用了“一鍵啟停”技術(shù)，操作簡單。但是也遇到了冷態(tài)啟動時間過長的問題。

建投遵化熱電2×350MW 抽汽供熱機組汽輪機采用上海汽輪機廠制造的C350-24.2/0.4/566/566型超臨界中間再熱抽汽凝汽式、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式（可抽汽）汽輪機，在調(diào)試及運營初期的冷態(tài)啟動過程中，遇到了暖閥和暖機時間過長的問題，暖閥需時4小時，定速600rpm暖機時間長達8小時，直接影響了機組冷態(tài)啟動成本，同時因低速暖機時間過長、汽缸進汽量少、進汽不均，造成汽缸加熱不均，引發(fā)汽輪機振動大的問題。針對該問題，運行人員進行了大量的探索試驗，制訂了一系列運行調(diào)整措施，最終控制機組冷態(tài)啟動暖閥和暖機時間在6小時以內(nèi)，大幅緩解了因暖機時間長帶來的問題。

本文介紹了上汽新型高效超臨界350MW 汽輪機主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計特點，分析了汽輪機冷態(tài)啟動時間過長的原因，提出了啟動過程中各階段運行控制策略，總結(jié)了汽輪機自動化啟動過程中熱應(yīng)力控制特點及縮短啟動時間措施和方法，對國內(nèi)同類型機組的冷態(tài)啟動運行操作控制具有一定的借鑒和參考意義。

1 新型超臨界350MW 汽輪機主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計特點

1.1 通流部分

該新型H159機型采用了整體通流葉片技術(shù)（AIBT)設(shè)計平臺，對高中壓、低壓通流進行了整體優(yōu)化設(shè)計。高中壓合缸，采用整體內(nèi)、外缸，通流反流布置，將高壓內(nèi)缸、高壓持環(huán)、中壓內(nèi)缸、中壓持環(huán)整合為整體內(nèi)缸，結(jié)構(gòu)簡潔，能夠有效避免內(nèi)缸和持環(huán)之間相互漏汽的現(xiàn)象[1]。

高壓缸設(shè)置調(diào)節(jié)級，高壓進汽方式為噴嘴加節(jié)流調(diào)節(jié)，高壓通流部分由1級單列調(diào)節(jié)級和14級壓力級所組成。中壓通流部分共有14級壓力級，中壓缸第11級后出來的一部分蒸汽經(jīng)過#4抽汽插管抽汽至除氧器及給水泵汽輪機，同時還提供一定量的廠用蒸汽。高中壓缸的下部設(shè)有1個5段抽汽口，其抽汽至#5低加，同時提供蒸汽至熱網(wǎng)。低壓缸采用雙流設(shè)計，共2×7級，末級葉片長915mm。高中壓模塊廠內(nèi)總裝后整體發(fā)運，減少了現(xiàn)場安裝誤差[2]。

1.2 軸系

汽輪機整個軸系為“N+1”單支點支撐，即由2根轉(zhuǎn)子、3個支承軸承組成。汽輪機由高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子組成。汽輪機轉(zhuǎn)子為單支撐型式，高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子均為無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子，通過聯(lián)軸器直接相連。

1.3 DEH 控制系統(tǒng)

該汽輪機DEH 系統(tǒng)采用了上汽超超臨界機組的DEH 控制系統(tǒng)，通過透平應(yīng)力控制器（TSE）對汽輪機的高中壓轉(zhuǎn)子、高中壓進汽閥體和汽缸等部件的熱應(yīng)力進行監(jiān)視和評估，來控制汽輪機的啟停和變負荷。通過汽輪機SGC 主順控來自動完成汽輪機的暖閥、沖轉(zhuǎn)、低速暖機、升速至額定轉(zhuǎn)速和并網(wǎng)的整個啟動過程[3]，汽輪機的自動啟動系列程序一共需要35步實現(xiàn)，其中第11步的開啟調(diào)門前的鍋爐蒸汽品質(zhì)確認需要運行人員手動確定，第27步的低速暖機結(jié)束后的升速至額定轉(zhuǎn)速需要運行人員手動釋放。

2 新型H159機型冷態(tài)啟動暖機時間長的原因分析

汽輪機運行模式的改變，例如帶蒸汽沖轉(zhuǎn)，升速到暖機轉(zhuǎn)速或額定轉(zhuǎn)速，汽輪機的加載程序以蒸汽壓力和流量的突變的形式給汽輪機強加載荷，這會使熱傳遞增加[4]。在現(xiàn)有的運行條件下，是否允許改變汽輪機的運行狀態(tài)，需要一個判斷標準。因此DEH 系統(tǒng)引入了X、Z 準則用來評估和判斷汽輪機是否可以改變目前狀態(tài)而又不超出預(yù)設(shè)的熱應(yīng)力限制值。該機型冷態(tài)啟動時間過長的主要原因為暖機和暖閥時間過長。

2.1 增加X7C 和X7D 準則

新型H159機型增加了X7C 和X7D 準則，是冷態(tài)啟動暖機時間過長的主要原因。該機型高、中壓轉(zhuǎn)子選取的材料為30Cr1Mo1V 鋼，因材料的限制，啟動X 準則相比上汽超超臨界蒸汽輪機增加了X7C 和X7D 準則，這兩個準則用于檢查和判斷汽輪機加速到額定轉(zhuǎn)速前，高、中壓轉(zhuǎn)子中心最低溫度必須大于轉(zhuǎn)子材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，它對轉(zhuǎn)子暖機時間和轉(zhuǎn)子表面溫度提出了限制要求。

X7C 和X7D 準則分別要求高、中壓內(nèi)缸測點溫度＞202.5℃和261℃，而該機型高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)比較多且密集，在700rpm 至2700rpm 之間無合適的轉(zhuǎn)速停留區(qū)間用于暖機，只能選擇在600rpm進行低速暖機，該轉(zhuǎn)速下汽輪機進汽量很小且不均勻，造成暖機時間過長且易造成暖機不充分。

2.2 Z 準則

新型H159機型在沖轉(zhuǎn)前，為了保證主汽門前蒸汽溫度具有足夠的過熱度，設(shè)置了過熱度準則（即Z 準則），要求主汽門前蒸汽溫度過熱度＞30K 且高壓主汽門前蒸汽溫度＞360℃。高中壓主汽門前蒸汽溫度緊挨著主汽門門體布置，主汽門前疏水管道設(shè)計距離蒸汽溫度較遠，主汽門前蒸汽溫度在暖閥期間溫升較慢，是冷態(tài)啟動暖閥時間過長的主要原因。

Z1準則。打開高壓主汽門前的檢查θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第11步判斷）。θSatSt：1號高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中與2號高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中值后再選低值計算的飽和溫度；θRS：1、2號高壓主汽門前蒸汽溫度的最高值。

Z2準則。打開中壓主汽門前的檢查（過熱度準則）。θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第11步判斷）。θSatSt：1號中壓主汽門前蒸汽壓力與2號中壓主汽門前蒸汽壓力選低值計算的飽和溫度；θRS：1、2號中壓主汽門前蒸汽溫度的最高值。

Z3準則。打開高壓主汽門前的檢查（過熱度準則）。θRS＞θSatSt+10（SGC 啟動順控第13步判斷），θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第20步判斷）。θSatSt：1號高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中與#2高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中值后選低值計算的飽和溫度；θRS：1、2號高壓主汽門前蒸汽溫度的最低值。

Z4準則。打開中壓主汽門前的檢查（過熱度準則）。θRS＞θSatSt+10（SGC 啟動順控第13步判斷），θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第20步判斷）。θSatSt：1、2號中壓主汽門前蒸汽壓力計算的飽和溫度；θRS：1、2號中壓壓主汽門前蒸汽溫度的最低值。

為了提高、中壓主汽門前的蒸汽溫度，SGC 啟動順控系統(tǒng)設(shè)置了暖閥程序，通過間隙性開啟高壓主汽門，蒸汽通過高壓主汽門進入高壓調(diào)門進汽腔室，利用高壓主汽門調(diào)閥疏水來提高高壓主汽門前蒸汽溫度，但中壓主汽門開啟后蒸汽無法進入中壓調(diào)門閥腔，蒸汽無法通過中壓調(diào)閥疏水，因此在暖閥順控中未設(shè)置間隙性開啟中壓主汽門的程序，致使中壓主汽門前溫度上升緩慢，尤其在SGC 順控走到20步時，Z4準則難以滿足，汽輪機無法進入沖轉(zhuǎn)步驟。

3 縮短冷態(tài)啟動時間運行控制策略

3.1 盡早投入SGC 順控，執(zhí)行暖閥程控縮短冷態(tài)啟動暖閥時間

鍋爐點火后，主蒸汽啟壓0.2MPa 后，逐步開啟高低旁，根據(jù)升溫升壓曲線提高主再熱蒸汽參數(shù)，此階段應(yīng)逐步開大高低旁路，主、再熱蒸汽同步升溫、升壓。鍋爐熱態(tài)沖洗結(jié)束蒸汽品質(zhì)合格后，盡早投入SGC 順控執(zhí)行暖閥程控，通過開大高低旁增大蒸汽流量，提高主再熱蒸汽溫度和壓力。

在進行暖閥程控時，提高再熱蒸汽壓力至0.8MPa 以上，利用再熱主汽門門桿漏汽，增大通過再熱主汽門前蒸汽量，提高再熱主汽門前蒸汽溫度溫升速率，當兩側(cè)再熱主汽門前蒸汽溫度均達到170℃以上、且汽輪機沖轉(zhuǎn)的其他條件都滿足后，降低再熱蒸汽壓力至0.3至0.2MPa，讓Z4準則快速滿足，進入沖轉(zhuǎn)程序，達到縮短暖閥時間的目的。

3.2 縮短暖機時間運行控制策略

提前投入軸封，韶關(guān)市粵華電力有限公司每次冷態(tài)啟動提前一天投運軸封系統(tǒng)，在沖轉(zhuǎn)前，汽輪機高、中壓缸內(nèi)缸溫度能達到100℃左右[5]，此方法遵化熱電也開展了相關(guān)試驗，可以縮短汽輪機低速暖機時間半小時至1小時，但沖轉(zhuǎn)前過早地向軸封供汽，會出現(xiàn)上、下缸溫差增大和脹差正值增大的問題，且該方法在缸溫相對較高（100℃左右），效果有限。在停機時間較長、缸溫低于60℃以下可采用此方法，但應(yīng)控制好軸封供汽溫度，密切關(guān)注盤車工況下缸體各溫度，尤其上下缸溫差、轉(zhuǎn)子偏心值、轉(zhuǎn)子和汽缸膨脹值等趨勢變化。

600rpm 暖機期間投入高低加運行，汽輪機定速600rpm 開始暖機后，盡早投入高低加汽測運行，目的在于增大高中壓缸的進汽量。因2號高加抽汽來自再熱冷段，2號高加投入抽汽后會造成進入鍋爐再熱蒸汽減少，再熱器蒸汽冷卻流量不足，再熱器超溫，2號高加的投入對于暖機無影響，但可以提高給水溫度，對鍋爐初期水動力循環(huán)有益，可以少投或不投。低速暖機期間投入高低加運行，因抽汽汽量少，抽汽壓力低、甚至為負壓環(huán)境，高低加汽側(cè)水位難以控制，應(yīng)安排專人密切監(jiān)視并及時調(diào)整，避免高低加水位高造成汽輪機進水事故。

降低汽輪機沖轉(zhuǎn)初、末參數(shù)。遵化熱電在借鑒同類型機組低速暖機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將低速暖機時的主蒸汽壓力由廠家推薦的8.4MPa 降低至3～4MPa，再熱蒸汽壓力降低至0.25～0.5MPa，提高機組背壓至10～15kPa，暖機時間由原來的7～8小時縮短至4～5小時，暖機效果明顯。但提高背壓期間，應(yīng)注意低壓缸鼓風(fēng)摩擦效應(yīng)，密切關(guān)注低壓缸排汽溫度和低壓缸隔板溫度趨勢變化，保證低壓缸噴水連續(xù)投入。降低汽輪機沖轉(zhuǎn)初、末參數(shù)縮短暖機時間是同類型機組普遍采用的方式，也是效果最明顯的方法。

執(zhí)行手動切缸手段，在高壓缸溫度準則X7C 滿足后，手動關(guān)閉高壓調(diào)門，增大中壓缸的進汽量，縮短中壓缸X7D 準則的滿足時間。該機型低速暖機時間太長的主要原因是X7D 準則要求太高（中壓內(nèi)缸測點溫度＞261℃），一般高壓內(nèi)缸溫度大于200℃后，中壓內(nèi)缸溫度測點距離X7D 條件滿足仍有60℃溫差，而受制于再熱蒸汽溫度偏低和調(diào)門開度較小，中壓內(nèi)缸溫度在200℃后上升緩慢，在咨詢上汽廠后，X7D 準則由原來的261℃修改為231℃。因此在高壓內(nèi)缸溫度滿足后，通過手動設(shè)定高壓調(diào)門的閥位限值至0，人為關(guān)閉高壓缸進汽，以增大中壓調(diào)門開度、增大中壓缸進汽量，縮短X7D 的滿足時間。

經(jīng)過多次冷態(tài)啟動試驗，此方法有一定的效果，但會帶來高壓缸暖機不充分，高壓缸上下缸溫差大的問題，低速暖機結(jié)束，汽輪機由600rpm 升速至額定轉(zhuǎn)速期間，易造成汽輪機振動增大，冷態(tài)啟動低速暖機過程中應(yīng)慎重選擇。

4 結(jié)語

上汽新型超臨界350MW 汽輪機采用了先進的通流設(shè)計技術(shù)和設(shè)計理念，能耗水平相比同類型機組能耗降低約57kJ/(kWh)，采用一鍵啟停技術(shù)提高了機組的自動化程度，但在運行期間，遇到了冷態(tài)啟動暖閥和暖機時間太長的問題，針對該問題的原因進行了詳細的分析，并在實際運行中進行了大量的探索性試驗，并制訂了針對性措施，取得了較好的效果，對于同類型機組的冷態(tài)啟動操作控制具有一定的參考和借鑒意義。