新型汽輪機(jī)抽真空強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)方案探討

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

新型汽輪機(jī)抽真空強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)方案探討

朱志堅(jiān)，史宣平，劉金芳

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

文章對(duì)新型汽輪機(jī)抽真空強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)方案進(jìn)行探討，通過對(duì)原有抽真空系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)氣口改進(jìn)、部件隔離，保證后期冷卻效果；通過配置優(yōu)化，提高冷卻系統(tǒng)的可靠性，解決系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性不利影響，降低系統(tǒng)投資成本。

強(qiáng)迫冷卻，蒸汽冷卻，壓縮空氣冷卻，抽真空冷卻，雙流分段冷卻

0 引言

汽輪機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)故障需打開高、中壓汽缸進(jìn)行檢修，一般要達(dá)到開缸要求的高、中壓第一級(jí)后溫度低于150℃，自然冷卻一般需要6～10天，使汽輪機(jī)開缸檢修等待時(shí)間很長(zhǎng)，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)組可用性；同時(shí)，隨著優(yōu)質(zhì)保溫材料的采用,汽輪機(jī)組保溫性能得到很大改善，提高了機(jī)組的運(yùn)行熱效率，但卻因此延長(zhǎng)了開缸等待時(shí)間。故需額外設(shè)置裝置對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，縮短汽輪機(jī)開缸檢修等待時(shí)間，提高機(jī)組可用性。

1 已有汽輪機(jī)強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)

目前，汽輪機(jī)強(qiáng)迫冷卻基本采用蒸汽和空氣兩種冷卻介質(zhì)，主要冷卻方式有蒸汽冷卻、壓縮空氣冷卻和抽真空冷卻三種。

（1）蒸汽冷卻

蒸汽具有較大比熱容和放熱系數(shù)，采用低溫低壓蒸汽可獲得較高冷卻速度，但蒸汽在冷卻過程中可能會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水，故要求蒸汽始終具有合適的過熱度，一般要求冷卻蒸汽溫度比金屬溫度低約50°C以上，很難控制，易產(chǎn)生局部溫降過快、熱應(yīng)力偏大，對(duì)機(jī)組壽命產(chǎn)生不利影響，安全可靠性低；同時(shí)需要蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)投入運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性差，低參數(shù)冷卻蒸汽也常常需要三種不同溫度等級(jí)汽源，滿足不同冷卻階段蒸汽溫度要求，同時(shí)冷卻期間須維持凝汽器真空、軸封供汽；其系統(tǒng)復(fù)雜、難操作、安全可靠性差，故其應(yīng)用相對(duì)較少，系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 低溫蒸汽冷卻汽輪機(jī)系統(tǒng)圖

（2）壓縮空氣冷卻

采用電廠壓縮空氣系統(tǒng)將0.5～0.8 MPa空氣經(jīng)電加熱器加熱后引入汽輪機(jī)，順流或逆流冷卻高中壓通流，系統(tǒng)圖見圖2及圖3。

圖2 壓縮空氣順流冷卻系統(tǒng)圖

該方式控制靈活、效果直接；但需設(shè)置專門加熱裝置，實(shí)際運(yùn)行中空氣很難加熱到設(shè)計(jì)溫度、可靠性較差，甚至影響汽輪機(jī)安全；投入時(shí)需消耗大量壓縮空氣、存在中壓后期冷卻效果差、高壓逆流時(shí)漏氣等問題，使用氣量達(dá)到電廠壓縮空氣系統(tǒng)極限，影響冷卻效果和鄰機(jī)安全運(yùn)行，故應(yīng)用目前雖較普遍，但存在較大安全隱患。

圖3 壓縮空氣高壓逆流、中低壓順流冷卻系統(tǒng)圖

（3）抽真空冷卻

利用凝汽器抽真空泵或額外設(shè)置抽真空泵將冷空氣吸入汽輪機(jī)，冷卻通流，系統(tǒng)圖見圖4。

原系統(tǒng)采用順流使冷卻空氣入口高溫部件溫差大、熱應(yīng)力高，同時(shí)越往后空氣冷卻能力越差，冷卻效果受影響，同時(shí)冷卻期間須維持凝汽器真空，軸端漏汽使系統(tǒng)負(fù)荷增加，冷卻過程中 汽輪機(jī)軸封蒸汽參數(shù)不易控制。

圖4 抽真空汽輪機(jī)順流冷卻系統(tǒng)圖

采用逆流則將低壓通流及連通管熱量帶入中壓通流，系統(tǒng)負(fù)荷增加，后期冷卻效果差、甚至可能使原凝汽器抽真空泵難以滿足要求或泵容量需選很大，同時(shí)大部分熱空氣均需從高壓第一級(jí)后、中壓第一級(jí)后和3抽引出，排氣管口徑大，運(yùn)行時(shí)該管口長(zhǎng)期承受高溫高壓，機(jī)組安全隱患大、閥門成本高，系統(tǒng)圖見圖5。

故抽真空冷卻方法未得到廣泛的應(yīng)用。

圖5 抽真空汽輪機(jī)逆流冷卻系統(tǒng)圖

2 新型抽真空冷卻系統(tǒng)

利用機(jī)組已有凝汽器抽真空泵將冷空氣直接吸入汽輪機(jī)高、中壓通流中部，分別從高、中壓缸中部（1抽和3抽）吸入，冷卻空氣在高、中壓高溫部件雙向流動(dòng)（順流+逆流）、分段冷卻，最終冷卻空氣從高、中壓進(jìn)汽口、排汽口抽出，冷卻速率通過調(diào)節(jié)高、中壓排氣口閥門開度實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖6 新型抽真空汽輪機(jī)雙流（順流+逆流）冷卻系統(tǒng)圖

系統(tǒng)改進(jìn)及優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）進(jìn)氣口變更

進(jìn)氣口由原來高、中壓進(jìn)汽口或排汽口改到1抽、3抽，使進(jìn)氣部分高溫部件與冷卻空氣間溫差減小、熱應(yīng)力降低。以某亞臨界60 Hz/660 MW機(jī)組為例，停機(jī)后實(shí)測(cè)自然冷卻過程高中壓各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度如表1所示。

表1 某亞臨界60 Hz/660 MW機(jī)組停機(jī)自然冷卻過程各點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)表

從表1可知：

將冷卻空氣進(jìn)口由高、中壓進(jìn)汽管改為1抽、3抽后，可使進(jìn)氣部分冷卻空氣與高溫金屬部分溫差分別減小約75°C、20°C，可減小溫差引起的熱應(yīng)力。

冷卻過程中中壓溫度降低速度快于高壓，故在冷卻后期可隔離中壓、無需再投入冷卻系統(tǒng)。

（2）雙流冷卻、雙側(cè)排氣

部件溫度較低部分（1抽到高排、3抽到中排）冷卻空氣與部件金屬溫差小，順流可保證較好冷卻效果；部件溫度較高部分（1抽到高壓進(jìn)汽、3抽到中壓進(jìn)汽）冷卻空氣與部件金屬溫差大，若順流則應(yīng)力大，逆流冷卻可使空氣在流動(dòng)過程中逐漸被加熱，減小空氣與部件金屬溫差，降低熱應(yīng)力。冷卻空氣流量通過分別調(diào)整排氣端閥門開度進(jìn)行分配。

冷卻空氣投入時(shí)金屬與空氣溫度曲線見圖7。

圖7 某亞臨界60 Hz/660 MW機(jī)組啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)時(shí)金屬與空氣溫度示意圖

中壓順流空氣與軸端及低壓漏入少量空氣在中壓末端系統(tǒng)混合，并從中壓排汽端4抽設(shè)置排氣口排出，使中壓高溫部分冷卻空氣繞過無需冷卻的低壓缸通流、減少冷卻系統(tǒng)帶走熱量、降低真空泵負(fù)荷；軸封系統(tǒng)無需投入，操作簡(jiǎn)單容易；排氣端設(shè)計(jì)口徑余量需大些，以保證逆流冷卻空氣流量足夠和可調(diào)節(jié)性。

冷卻后期隨著金屬溫度降低，在空氣與金屬溫差不變情況下，冷卻空氣溫升越來越低，冷卻空氣流量需求越來越大，可通過調(diào)節(jié)排氣閥門開度甚至通過關(guān)閉溫度較低區(qū)域排汽口，減少冷卻空氣帶走熱量，確保后期冷卻空氣流量足夠。見表2，在中壓調(diào)節(jié)級(jí)后溫度低于150℃后，中壓無需再投入冷卻系統(tǒng)、關(guān)掉中壓冷卻排氣閥門，使冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷減少近一半，可確保高壓通流繼續(xù)被有效冷卻。

表2 某亞臨界60 Hz/660 MW機(jī)組各階段需冷卻空氣帶走熱量表

（3）已有疏水排汽系統(tǒng)利用

由于排氣管設(shè)在高、中壓導(dǎo)汽管上，平時(shí)承受高溫高壓，對(duì)冷卻空氣排氣關(guān)斷閥可靠性要求高，而且口徑越大，要求也越高，故應(yīng)盡可能利用高溫部分已有系統(tǒng)、減小新增排氣管口徑。

建議機(jī)組設(shè)計(jì)疏水管路時(shí)一并考慮抽真空冷卻系統(tǒng)通用，減少現(xiàn)場(chǎng)管路開孔和簡(jiǎn)化閥門設(shè)置，提高系統(tǒng)可靠性。若后續(xù)增加抽真空冷卻，則應(yīng)充分利用已有高、中壓進(jìn)汽部分疏水、排汽開孔進(jìn)行進(jìn)、排氣口設(shè)計(jì)，減小新增排氣管口徑。

若高、中壓間汽封設(shè)有BDV閥接口，可設(shè)置引出排氣管，使高、中壓進(jìn)汽部分（溫度最高部件）得到更好冷卻，同時(shí)減小高、中壓導(dǎo)汽管上設(shè)置的排氣管口徑。

以某亞臨界60 Hz/660 MW機(jī)組為例，BDV閥接口管徑為Di102x22，對(duì)應(yīng)軸封名義管徑為Di60、高壓疏水等效管徑Di73、中壓疏水等效管徑Di35（較小，可不利用），利用以上三個(gè)（或兩個(gè)）接口，等級(jí)管徑可達(dá)到Di100，利用后可減小高溫部分開孔口徑，由原來2-Di120減小為2-Di100。

（4）溫降率自動(dòng)控制

通過自帶PLC控制，并與DCS監(jiān)控連接，實(shí)現(xiàn)快冷系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行。如圖8所示，通過監(jiān)控高、中壓第1級(jí)后溫度下降率，控制高、中壓第1級(jí)排氣管路上調(diào)節(jié)閥（A1、A2、B1、B2）開度，調(diào)整冷卻空氣流量，實(shí)現(xiàn)預(yù)期溫降率（如4～5°C/ h），使機(jī)組在預(yù)期時(shí)間內(nèi)（如3～4天）達(dá)到開缸溫度。

圖8 冷卻時(shí)間與閥門開度曲線示意圖

（5）簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置

要實(shí)現(xiàn)集控室遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，停機(jī)后無需進(jìn)行接口安裝，需要相關(guān)系統(tǒng)已連接。而系統(tǒng)中閥門在機(jī)組正常運(yùn)行冷卻系統(tǒng)不投入時(shí)也需承受高溫高壓，泄漏可能性較大；加之末端與真空系統(tǒng)連接，極易產(chǎn)生泄漏，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。考慮冷卻系統(tǒng)使用具有備用時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行時(shí)間短的特點(diǎn)，建議將冷卻空氣各接口點(diǎn)改為法蘭密封結(jié)構(gòu)、去掉關(guān)斷閥、設(shè)置柔性膨脹節(jié)（見圖9）。系統(tǒng)備用時(shí)用法蘭蓋密封，消除安全隱患；系統(tǒng)投入前將法蘭蓋去掉，接上相關(guān)調(diào)節(jié)閥及管口，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這樣閥門數(shù)量減少，選型溫度、壓力要求均降低，系統(tǒng)造價(jià)會(huì)大幅下降。

圖9 新型抽真空汽輪機(jī)雙流（順流+逆流）冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)化配置圖

（6）有限元熱應(yīng)力分析

按冷卻空氣入口溫度35°C、溫降率約4.5°C/ h，進(jìn)行有限元溫度場(chǎng)和應(yīng)力分析，結(jié)果如圖10～13所示。

圖10 快冷投入時(shí)刻轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)

圖11 調(diào)節(jié)級(jí)后冷卻至150℃時(shí)轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)

圖12 高、中壓轉(zhuǎn)子典型位置溫度和冷卻時(shí)間變化曲線

分析可見，整個(gè)冷卻過程轉(zhuǎn)子應(yīng)力值較低，屬安全范圍；投入初期隨著入口段加熱空氣能力減弱，監(jiān)視段金屬與空氣溫差增大、應(yīng)力逐漸增加；后期隨著轉(zhuǎn)子溫度降低、溫差減小、熱應(yīng)力也逐漸降低；分析過程未考慮同步自然冷卻，故時(shí)間略長(zhǎng)。

圖13 高、中壓轉(zhuǎn)子典型位置熱應(yīng)力和冷卻時(shí)間變化曲線

3 結(jié)束語

新型汽輪機(jī)抽真空強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)采用中間進(jìn)氣、雙流冷卻、雙流排氣、高溫部件與冷卻空氣間溫差小、熱應(yīng)力低；利用原凝汽器真空泵抽吸，低溫部件熱量可逐步隔離，系統(tǒng)負(fù)荷低，冷卻后期效果有保障，可靠性高；通過溫度反饋、調(diào)節(jié)排氣閥門開度，實(shí)現(xiàn)冷卻率自動(dòng)控制；配置簡(jiǎn)化使系統(tǒng)的安全可靠性更高，投資更省。

Discussion on the Scheme of Vacuum Pumping Forced Cooling System of New-type Steam Turbine

Zhu Zhijian，Shi Xuanping，Liu Jinfang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper carries on the discussion on the scheme of vacuum pumping forced cooling system of new-type steam turbine, through the air inlet port improvement of the original vacuum pumping system,separation of components to ensure the later stage cool?ing effect.by optimizing the configuration,it improves the reliability of cooling system,solves the negative effect that the system caused on the safety and efficiency of the unit’s operation,reduces the system investment cost.

forced cooling,steam cooling,compressed air cooling,vacuum pumping cooling,double flow subsection cooling

TK262

A

1674-9987（2016）04-0012-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.004

朱志堅(jiān)（1983-），男，工程師，畢業(yè)于西安理工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，主要從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、管理工作。