南鋼50 MW機組快速冷卻科研技術

陳雙龍

（南京鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)限公司能源中心，江蘇南京 210035）

南鋼50 MW機組快速冷卻科研技術

陳雙龍

（南京鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)限公司能源中心，江蘇南京 210035）

介紹了南鋼2臺50 MW汽輪發(fā)電機組利用氮氣作為冷卻介質(zhì)，對汽輪機的停運后進行快速冷卻，闡述了熱應力的計算以及應用技術方案。

汽輪發(fā)電機組；快速冷卻；介質(zhì)

1 概述

汽輪機在運行過程中，汽缸和轉(zhuǎn)子等部件處于高溫狀態(tài)之下，在停機之后，由于金屬巨大的熱容量，停機后需要很長時間才能冷卻下來，尤其是采用良好材料保溫的汽缸，機組自然冷卻所花的時間更長，這樣使停機檢修的時間相應延長。故此有必要研究設計加裝汽缸快冷裝置。

2 氮氣作冷卻介質(zhì)的優(yōu)點

確定南鋼電廠使用氮氣作為冷卻介質(zhì)，采用氮氣冷卻法具有以下優(yōu)點：

（1）進行快速冷卻時，不受鍋爐汽源的影響，減少了操作的復雜性。

（2）氮氣中不含有水分，在快冷過程中對設備內(nèi)部起干燥作用，對其保養(yǎng)有利。

（3）由于采用電加熱裝置，能很方便地控制內(nèi)部的冷卻過程，包括金屬溫差、熱應力水平、相對膨脹等。

（4）氮氣的溫度與被冷卻的溫度相差較大，冷卻效果好。緊急時可隨時停用快冷，即可恢復汽缸自然冷卻，安全性高。

（5）國內(nèi)投運快冷的電廠均使用氮氣冷卻。.

3 氮氣冷卻時汽缸與轉(zhuǎn)子熱應力

在施行氮氣冷卻時，一個令人擔心的問題是冷氮氣如果直接進入到汽輪機內(nèi)部，會不會產(chǎn)生過大的熱應力，損壞汽輪機的轉(zhuǎn)子或汽缸。為此在汽輪機停運后，對汽缸和轉(zhuǎn)子仍處于高溫狀態(tài)下并進行氮氣冷卻時的熱應力進行了計算,只需分析其熱應力最嚴重的地方,例如調(diào)節(jié)級處,氮氣進入處的管道,轉(zhuǎn)子軸封處等.在進行熱應力計算時,可以將汽缸、轉(zhuǎn)子簡化成厚壁圓筒來模擬，金屬內(nèi)外表面，其法向熱應力為零，只需計算切向的熱應力就能判斷其熱應力的大小，其切向熱應力為

此中：a、b———內(nèi)徑與外徑

e、μ———彈性模量與泊桑比

t———金屬溫度

r———半徑

此公式適用于穩(wěn)定溫度的條件下，利用溫差來確定熱應力，而在不穩(wěn)定溫度場條件下，圓筒的溫度可由下式確定

此中：μ=τ／τ*無因次溫度τ*為參考溫度，可取流體變化后的溫度值。

ρo=Υo/Υ1,Υo為非加熱面半徑，Υ1為加熱面半徑Υ為Υo和Υ1之間的半徑。

ρ=Υ／Υ1，無因次半徑。

τ=ατ／（ΥoΥ1）2，為無因次時間，τ為時間，α為導溫系數(shù)。

利用上式，將其化為差分方程，則可計算出溫度場的變化，作者利用此原理，編制了一套軟件，分析汽缸和轉(zhuǎn)子的熱應力。

首先要解決的一個問題是，如果停機后汽缸仍在高溫下，直接通入冷氮氣，會不會對轉(zhuǎn)子或汽缸造成損害。

計算的條件為汽缸初溫為400℃，內(nèi)外溫差20℃，冷卻氮氣為40℃，流量為20 m3/min，冷卻高壓缸時，內(nèi)缸調(diào)節(jié)級處金屬熱應力變化的情況相當于冷卻氮氣剛進入汽缸時，內(nèi)缸內(nèi)表面的拉應力值的增長完全在允許的范圍之內(nèi)（峰值為7.3 kg/mm2），這種情況在理論上是可以作出解釋的，冷氮氣進入時，雖然溫度低,然而其流量很小，放熱系數(shù)處于一個很低的水平，也就是說氮氣對金屬壁面的熱阻力很大，金屬表面溫度的變化不大，故熱應力不大，西方一些汽輪機廠家如BBC和GEC等都主張采用氮氣冷卻，在熱應力方面的觀點是一致的。

從熱應力計算中，可以看出決定熱應力的關鍵因素是在氮氣進入時金屬的內(nèi)外溫差，為此對高中壓缸及其轉(zhuǎn)子，對不同的金屬起始溫差下進行快速冷卻時的熱應力進行了計算，對其最大熱應力與溫差之間的關系分析可知，汽缸或轉(zhuǎn)子在快速冷卻中受到的熱應力與起始金屬溫度有關，只要這種溫差在允許范圍之內(nèi)，快速冷卻并不會帶來新的危害。對于高中壓缸上進氣的短管也進行了熱應力計算，由于其管徑較小，其熱應力的水平也不高，不會對安全性有危害。.通過計算分析表明，在快速冷卻初始階段，氮氣的溫降速度不大于-6℃/時;在汽缸溫度下降至300℃左右時，氮氣溫度應保持200℃左右，氮氣溫降速度為-6℃/h。

4 南鋼2×50 MW機組快速冷卻技術方案

4.1 概況

南鋼電廠配備兩臺50 MW純凝機組，主要燃燒鋼廠廢氣發(fā)電。為適應機組的快速冷卻縮短停機后的冷卻時間（如表1所示），一方面為了克服檢修工期的矛盾，另一方面是縮短停機時間后，就可利用廢氣多發(fā)電一天，不但能取得較好的經(jīng)濟效益，還可減少廢氣排放，取得令人注目的社會效益。

表1 50 MW自然冷卻與快冷冷卻參數(shù)對照表

4.2 快冷裝置及系統(tǒng)方案

(1)汽機快速冷卻是在汽輪機停機后的高溫階段，輸送350℃左右干燥潔凈的熱氮氣，并保持與氣缸內(nèi)壁一定的溫差，由高溫階段的小流量逐漸調(diào)至低溫階段的大流量熱氮氣。整套系統(tǒng)由冷卻管道系統(tǒng)和快冷裝置系統(tǒng)組成，利用原有壓縮氮氣管路輸送汽源，經(jīng)入口管道上的旋風分離器，通過濾網(wǎng)進入油水分離器，凈化后進入加熱器，加熱到一定溫度的熱氮氣輸送到集汽箱，然后送入汽輪機各個部位進行冷卻。

(2)汽輪機快速冷卻的主要對象為汽輪機的高、中壓缸。冷卻氮氣由高壓調(diào)門后的四根導氣管疏水管引入，經(jīng)汽輪機噴嘴均勻進入汽缸，自三抽、四抽管道逆止門前排出，冷卻氮氣與主蒸汽流動方向一致，采取順流方式對汽輪機缸體和轉(zhuǎn)子進行冷卻。冷卻過程中始終連續(xù)盤車。

(3)特別說明：①冷卻氮氣由自動主氣門后高壓調(diào)門前的四根導氣管疏水管引入，經(jīng)汽輪機噴嘴均勻進入汽缸；冷卻氮氣與主蒸汽流動方向一致，采取順流方式對汽輪機缸體和轉(zhuǎn)子進行冷卻。冷卻過程中始終連續(xù)盤車。且每根導氣管都有手動截止閥控制進氣流量。從而保證了加熱壓縮氮氣在汽缸中的均勻性。

②排氣口設在三段抽汽和四段抽汽口上Dg100管，抽汽口位于抽汽逆止門前。排氣自三抽、四抽管道逆止門前排出 (在三抽、四抽逆止門門前加裝DN100通徑的閘閥)。在高溫階段冷卻時，通過三抽排氣管排出，缸溫下降后，根據(jù)排氣口溫度判斷是否改為四段抽汽口排出，或者兩者同時調(diào)整適當開度進行排放。這樣保證了大量的熱氮氣不排入低壓缸，必要時可通過截止閥調(diào)節(jié)進氣流量減少排放，使進入低壓缸的氮氣溫度不高于120℃，避免熱氮氣經(jīng)低壓缸排放造成排氣缸溫度過高。即使通過以上方法仍有少量熱氮氣進入低壓缸，必要的時候可啟動低壓缸噴淋裝置進行冷卻。保證了低壓缸的溫度不超標。

③投快冷裝置，可根據(jù)缸溫下降速度，調(diào)整進氣流量和排氣閥的開度。做到可控、在控。

5 監(jiān)視和控制指標

5.1 記錄的測點

(1)主蒸汽管氮氣入口處新裝的外壁溫度。

(2)自動主汽門、調(diào)節(jié)汽門和汽缸上的全部溫度測點。

(3)調(diào)節(jié)級后溫度、三抽、四抽管道溫度、排氣缸溫度測點。

(4)大軸晃度、軸向位移、脹差、上下缸溫度。

(5)法蘭螺栓溫度、混溫加熱聯(lián)箱溫度。

(6)盤車電流。

(7)快速冷卻裝置上的溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù)。

5.2 控制指標

(1)主汽管溫降速率 ＜5℃/min

(2)主汽門、調(diào)門溫降速率＜.3℃/min

(3)汽缸溫降速率＜0.2～0.3℃/min

(4)上、下缸溫差＜50℃/min

(5)法蘭與螺栓溫差＜20℃/min

(6)左右法蘭溫差＜10℃/min

(7)汽缸內(nèi)外壁溫差＜40℃/min

(8)軸向位移:+1～-0.6

(9)脹差:+2.5～-1.5

(10)大軸晃度＜0.05 min

(11)盤車電流穩(wěn)定，基本不變。

以上標志通過控制冷卻溫度和流量進行調(diào)整，當軸向位移、脹差、大軸晃度中任何一項超標是，應停止通氣并查明原因。

6 結(jié)論

采用低參數(shù)的冷卻介質(zhì)冷卻汽輪機可以大大縮短冷卻時間，可使高壓缸金屬的平均冷卻速度由1℃/h提高到10℃/h,50 MW機組在自然冷卻條件下需120 h左右時間才能達到允許的揭缸溫度（120℃），運用快冷裝置可節(jié)約52 h。使用一次快冷裝置冷卻機組的直接經(jīng)濟效益可達130萬元。

The Fast Cooling Technology of the 50 MW Generation Unit of Nanjing Steel

CHEN Shuanglong
(Industry Development Co.,Ltd.,Nanjing Steel,Nanjing,Jiangsu 210035,China)

Nitrogen was used as cooling medium to rapidly cool the shutdown steam turbine of the two 50 MW power generators at Nanjing Steel.Calculation and application program of thermal stress were presented.

turbo generator unit;fast cooling;medium

TM611.21

B

1006-6764（2014）03-0040-03

2013-09-30

陳雙龍(1982-),男，大學本科學歷，工程師，現(xiàn)從事電廠設備技術管理工作。