降低中壓缸啟動過程金屬溫差的實例分析

馬洪榮 李娜 張月雷

摘 要：本文針對某火力發電廠220MW機組在啟動過程中存在的中壓缸內外金屬壁溫差偏大的問題，對汽輪機的啟動過程進行分析，明確了問題原因，通過研究試驗汽輪機的合理啟動方式，優化機組冷態啟動過程，使汽輪機中壓缸各部金屬溫差，轉子與汽缸的相對膨脹差，都在允許范圍內，有效減少金屬的熱應力和熱變形，縮短了啟動時間。

關鍵詞：中壓缸；溫差；啟動

一、存在的問題

某火力發電廠#1、#2機組均為220MW汽輪發電機組，按照規程要求，啟動過程中中壓缸汽缸金屬壁溫差的控制規范如下表1所示，

但在啟動過程中，多次發生中壓缸溫差大現象（中壓缸上下壁溫差最大達62℃，法蘭內外壁溫差最大達151℃），溫差大時機組#3、#4瓦振動亦較大，機組不得不延長暖機時間，啟動過程升參數緩慢。汽缸存在溫差將會引起汽缸熱變形，通常是上缸溫度高于下缸，因而上缸變形大于下缸，使汽缸向上拱起，俗稱貓拱背。汽缸的這種變形使下缸底部徑向間隙減小甚至消失，造成動靜摩擦，損壞設備。另外還會出現隔板和葉輪偏離正常時所在的垂直平面的現象，使軸向間隙變小，甚至引起軸向動靜摩擦。

二、原因分析

#1、#2汽輪機均為東方汽輪機廠生產的220MW汽輪機，結構相同。通過調查發現，在機組啟動中中壓缸金屬溫差過大的現象在#2汽輪機組尤為明顯，故此，我們以#2汽輪機為研究對象。對#2機數次啟動中，中壓缸溫差及影響中壓缸溫差的參數的趨勢進行了分析，發現造成中壓缸冷態啟動過程中金屬溫差大的主要原因如下：

（1）中壓缸保溫不良的因素

中壓缸下缸密布了抽汽管道和疏水管道，下缸外表面形狀復雜，保溫材料不好固定，其保溫程度雖不如上缸。通過查看機組啟停缸溫表，可以看到在停機后，中壓缸缸溫高于300℃時，中壓缸下缸溫度下降明顯快于上缸。此時，汽輪機已無外部熱源，基本處于靜態，上下缸溫差的增大為下缸保溫劣于上缸保溫所致。

（2）抽汽、疏水管道布置的因素

中壓缸下缸布置了#3、#4、#5、#6抽抽汽管道，抽汽管道多，相當于增加了換熱面積，同時，管道密布導致下缸保溫不易嚴密，保溫與汽缸間易出現空隙，使得冷空氣進入，冷卻下缸。

中壓缸下缸抽汽管道較多，在停機后，高低加及除氧器壓力會逐漸下降，其內部的水會不斷汽化，若各抽汽管道關閉不嚴密，汽化的低溫蒸汽會進入汽缸，致使下缸溫度快速降低。在機組啟動過程中，高低加隨機啟動，中壓缸內的蒸汽由汽缸進入抽汽管道，受到節流，蒸汽溫度下降，使得抽汽管道溫度低于汽缸溫度。由于金屬間的熱傳導作用，使得下缸溫度下降。

（3）再熱蒸汽參數控制不當

機組啟動過程中，主蒸汽與再熱蒸汽溫度相近，主汽溫度通常選擇高于高壓缸溫度50℃。在機組啟動初期，中壓缸進汽量較少，中壓缸金屬溫升速度低于高壓缸。隨著汽輪機進汽量的增加，主蒸汽溫度及再熱蒸汽溫度逐漸升高，在主汽溫度合格的情況下，再熱蒸汽溫度與中壓缸溫度的差值越來越大，在20MW負荷前（受機組啟動時的缸溫影響）再熱汽溫與中壓缸溫溫差達100℃以上。隨機組負荷升高，中壓缸進汽量逐漸增大，換熱加劇，中壓缸內壁溫度迅速升高，而外壁，特別是法蘭外壁靠金屬熱傳導來升溫，其溫升速度明顯低于內壁，使得中壓缸內外壁及法蘭內外壁溫差急劇增大。同時急劇換熱也使中壓缸內的蒸汽溫度下降較多，低溫蒸汽大多在下缸由抽汽管道進入加熱器，導致中壓缸下缸溫度。

三、解決方案

（1）采用新型中壓缸保溫

利用機組停機檢修的機會，對中壓缸保溫進行檢查，確認中壓缸的下缸保溫層出現不同程度的脫離缸體現象，考慮中壓缸下缸形狀的復雜性，更換新型保溫材料，采用噴涂與粘貼復合的施工方式對中壓缸的保溫重新進行了施工，在汽輪機缸體表面使用復合絕熱結構，把噴涂絕熱工藝和軟質材料絕熱工藝進行有機結合。該汽輪機復合保溫體緊貼汽輪機缸體外壁，由內至外依次設有噴涂保溫層、軟質材料保溫層、鍍鋅鐵絲網和抹面層。該結構既可以使保溫層與汽缸之間緊貼在一起，避免脫殼現象，又可降低保溫施工成本，有效降低汽輪機缸體的散熱損失。

（2）減小抽汽、疏水管道對缸溫的影響

①加熱器隨機啟動時，關小加熱器疏水至凝結器閥門的開度，避免了凝結器直接抽吸加熱器內的蒸汽。

②按時關閉抽汽管道疏水，機組20MW負荷，關閉高壓疏水；40MW負荷，關閉中壓疏水；60MW負荷，關閉低壓疏水。

③停機后，中壓缸溫度高于300℃時進行悶缸。密切監視中壓缸溫度變化情況，必要時，延長悶缸時間。

⑶減小再熱蒸汽與中壓缸溫度的偏差

①加強啟動過程對再熱蒸汽溫度的監視與控制，有力減緩了再熱蒸汽溫度溫升速度，將再熱蒸汽溫升速度嚴格控制在2℃/min。

②改變原有的一級旁路操作方式。機組啟動時，開大一級旁路，增大中壓缸進汽量，提高中壓缸溫升速度，使中壓缸溫度與高壓缸接近。

四、效果與總結

通過以上三個措施的實施，機組冷態啟動過程中中壓缸的各部分金屬壁溫差有明顯的縮小，原存在的溫差超限問題全部得到解決。機組運行中還應做到定期檢查汽缸保溫完整性，機組負荷大幅變化時，嚴密監視缸溫變化，并做好汽缸金屬溫差記錄。如下圖1所示。

通過針對性的原因分析和優化措施，取得了較好的成果，機組冷態啟動過程中的中壓缸各部分溫差全部合格，啟動過程中的中壓脹差、#3與#4瓦的瓦振偏大問題也得到解決，可完全避免因汽缸溫差大造成的變形、產生動靜摩擦、造成汽輪機掉葉片及大軸彎曲等設備嚴重損壞事故的可能性，提高了機組穩定運行的可靠性。

參考文獻

[1]沈士一、慶賀慶、康松、龐立云 汽輪機原理 中國電力出版社2004（5）

[2]楊世銘、陶文銓 傳熱學 高等教育出版社2003（8）