600 MW 超臨界汽輪機冷態啟動的高壓差脹控制

蘇廣華

（國電蚌埠發電有限公司，安徽蚌埠 233411）

0 引言

當差脹超過規定值時，無論是正差脹還是負差脹，都會使汽輪機動葉和靜葉之間的軸向相對距離減小，甚至發生動靜部分的摩擦，進而引起汽輪機組振動增大，甚至葉片損壞和大軸彎曲等嚴重事故。在實際運行中，若差脹增大甚至超標，則應通過運行調整進行控制，以保證汽輪機的安全運行。本文通過對某引進型N600-24.2/566/566 超臨界汽輪機的冷態啟動過程中高壓差脹增大趨勢的分析，制定相應的調整措施，控制差脹在規定范圍內并縮短暖機時間，對機組安全性和經濟性都有重大意義。

1 機組概況

汽輪機采用上海汽輪機廠的引進型超臨界600 MW 中間再熱凝汽式汽輪機，型號N600-24.2/566/566，超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、具有八級非調整回熱抽汽，采用定—滑—定的復合變壓運行方式，額定轉速為3000 r/min。

（1）汽輪機蒸汽流程。機組啟動采用高壓缸、中壓缸同時控制啟動的方式（BYPASS ON），系統配備高、低壓二級串聯旁路系統。鍋爐產生的蒸汽由高壓主汽門和高壓調節閥并通過4 根連接閥門和高壓缸的導汽管進入高壓汽輪機，再經過葉片級的做功后通過高壓外缸下部的排汽口進入再熱器，進一步提高電廠循環的熱效率。蒸汽從再熱器再次升溫后通過兩個中壓主汽門和4 個調節閥返回到中壓缸，再經中壓缸向上排汽口的兩根中低壓連通管流入雙流、反動式的低壓缸，蒸汽做功后向下進入凝汽器。

（2）高壓差脹保護值。高中壓缸采用高中壓合缸、雙層缸結構，沿水平中分面分開，形成上缸和下缸。內缸上部和下部用定位銷導向，并維持相對汽輪機軸線的正確位置，保證其隨溫度變化可以自由膨脹和收縮。高壓差脹儀安裝位置在機組前軸承箱內，主要作用是指示轉子和汽缸之間的相對軸向位移和軸向間隙變化趨勢。汽輪機的高壓差脹整定的報警值和脫扣值由汽輪機結構來決定，該汽輪機的轉子伸長報警9.62 mm、遮斷值10.28 mm，轉子縮短報警值-4.56 mm、遮斷值-3.8 mm，冷態值0 mm。

2 冷態啟動程序

2.1 啟動程序確定

根據汽輪機進汽之前，通過高壓缸第一級處的金屬溫度值T 確定采用合適的啟動程序：當高壓（HP）轉子的金屬初始溫度值T<204 ℃，應按冷態啟動程序進行；當T≥204 ℃時，按熱態啟動程序進行。

2.2 高、中壓缸聯合啟動

該機組采用帶旁路的汽輪機啟動，即高、中壓缸聯合啟動。采用雙回路系統：一路由高壓缸→高壓排汽通風閥→凝汽器回路；另一路由中壓缸→低壓缸→凝汽器回路。啟動時主蒸汽溫度和壓力等參數的選擇應該落在給定的“冷態啟動主蒸汽參數”曲線所劃分的區域內，冷態啟動進入汽輪機入口的主蒸汽溫度過熱度不低于56 ℃、主蒸汽溫度不大于427 ℃，這樣汽輪機能夠得到均勻加熱和最佳的差脹。

轉子沖轉至定速3000 r/min 的主要步驟如下：

社會工作的增能理論和陸九淵的心學理論作為古今中外兩種不同的理論肯定擁有巨大的區別，這一點是毋庸置疑的。但是經過比較，我們欣喜的發現，兩種理論也同時具有多種重要的相似點。這意味著增能理論在中國傳統主流思想中是有著些許對應的。這樣我們在做增能理論本土化工作或增能理論本土實踐工作的時候就有了可以憑借的本土思想資源。

（1）確認DEH（Digital Electro-Hydraulic Control system，汽輪機數字電液控制系統）在BYPASS ON 方式，汽機掛閘沖轉升速至600 r/min，進行120 s 閥記憶，之后轉速控制轉換為TV/IV共同控制（其中，TV 表示高壓主汽門控制回路，IV 表示中壓調門控制回路）。

（2）汽輪機磨檢后升速至1200 r/min 進行中速暖機。

（3）中速暖機結束后，升速到2800 r/min 進行240 s 狀態記憶。

（4）閥門狀態記憶結束，升速到2870 r/min 后進行TV/GV轉速控制切換（GV 表示高壓調門控制回路）。

（5）TV/GV 閥切換完成后，以50 r/min 的升速率定速3000 r/min，進入發電機同期控制階段。

3 汽輪機啟動過程差脹的變化和控制

機組冷態開機到正常參數接帶負荷這一過程，蒸汽溫度的變化必然會引起汽缸膨脹。通過各階段暖機過程后，汽缸和轉子的溫度逐步相近，兩者之間的相對膨脹差值隨之減小，動靜部分的相對軸向間隙變大。通過冷態開機的不同階段對高壓差脹的變化進行分析并采用相適應的控制手段。冷態啟動整個過程中，高壓差脹隨軸封投運和轉速等變化趨勢如圖1 所示。

圖1 冷態啟動過程中高壓差脹變化趨勢

3.1 投軸封階段差脹變化控制

這一階段軸封汽溫度高于汽輪機汽缸和轉子溫度，但此時汽量較小、對汽缸的膨脹影響不大，而使汽封處的軸頸伸長較大，差脹值表現正方向變化。在冷態啟動時，適當降低軸封進汽溫度，對沖轉前控制差脹有明顯的作用。軸封溫度應按以下原則控制：高壓轉子、中壓轉子軸封蒸汽與轉子表面金屬溫差應小于111 ℃，同時軸封蒸汽溫度有14 ℃以上的過熱度，以防軸封汽帶水或汽缸進水。

從曲線分析，機組盤車狀態時高壓差脹0.64 mm，與汽輪機運行說明書規定的冷態高壓差脹0 mm 相近，差脹符合冷態開機要求。隨著投軸封抽真空的進行差脹上升，至真空建立后穩定在2.88 mm。

3.2 暖機階段差脹變化控制

汽輪機由盤車狀態沖轉至額定轉速3000 r/min 的過程，蒸汽的流通量逐漸增大，轉子質量小而快速發生膨脹，而進入高壓缸蒸汽量少、溫度低，汽缸相對膨脹量小，因此高壓差脹持續增大。恰恰這個階段是控制高壓差脹正值大小的關鍵。

3.2.1 冷態沖轉的初參數

冷態啟動中的差脹控制好壞和主、再熱汽溫控制密切相關。在啟動初期，再熱蒸汽主要隨著主汽溫度變化，因此嚴格控制主汽溫度是為控制差脹增大打下的牢固基礎。主蒸汽溫度和壓力等參數的選擇應該處在“冷態啟動主蒸汽參數”曲線所示劃分的區域，根據啟動蒸汽曲線和實際啟動經驗，沖轉前的主蒸汽溫度控制在350～380 ℃，主汽壓力2.0～2.5 MPa，再熱蒸汽溫度約310 ℃，壓力0.05～0.10 MPa。汽溫主要通過給煤量、給水量和風量的匹配進行控制，若高壓差脹持續升高而主蒸汽溫度控制不理想，可以采取降低鍋爐給煤量1～2 t/h 的辦法降低主汽溫度和壓力。

3.2.2 升溫升壓速率

嚴格按照冷態啟動曲線控制升溫升壓速率，保持參數的穩定不超限是控制差脹的重要辦法。在點火的初始升壓階段，汽水分離器出口溫度低于100 ℃時，控制蒸汽升溫速率不大于1.1 ℃/min；在汽輪機沖轉前，分離器出口蒸汽的升溫速率不大于1.5 ℃/min，汽水分離器和貯水箱金屬內壁溫升不大于5 ℃/min，內外壁溫差≤25 ℃。

機組冷態啟動時，第一臺制粉系統啟動后，給煤量控制在23～25 t/h，若汽溫汽壓上升趨于平穩再少量增加給煤量，避免煤量過大引起升溫速率大，汽溫升高較快。

3.2.3 汽輪機滑銷系統

機組啟動前，為防止出現高中壓汽缸兩側膨脹不均、汽缸絕對膨脹值滯后或膨脹值跳變等由于滑銷系統卡澀造成的異常情況，應提前對汽輪機進行臺板注油，保證汽缸自由膨脹。

3.2.4 蒸汽流量大小

中速暖機時，蒸汽流量小，汽缸加熱膨脹相對轉子小，可以通過調整增加流通量縮短暖機時間。真空系統保留一臺真空泵運行，必要時截流入口電動閥，控制機組的凝汽器真空在85～90 kPa；高低壓加熱器隨機投入，以增加機組的抽汽量，提高汽缸的加熱速度。高低壓加熱器的投入也提高了給水溫度，減少爐側給煤量的，同時縮短暖機達到提高啟動過程的經濟性。

3.2.5 暖機時間和轉速

在中速暖機過程中高壓差脹不斷上升到7.72 mm，高壓差脹存在無法控制升至超限的情況，此時通過繼續提高汽輪機轉速，通過泊桑效應使轉子變粗、變短，升速至3000 r/min 過程中，高壓差脹下降至7.18 mm。同時高轉速增加了蒸汽進量，汽缸膨脹速度上升，相對遲滯高壓差脹的變化。定速3000 r/min后，利用機組并網前的時間將汽缸充分暖透，高壓差脹將會平穩最終下降。額定轉速暖機80 min 以后，高壓差脹達到最大值8.95 mm，至并網前出現明顯下降的趨勢。通過理論分析實際現象，提高轉速和延長暖機時間對降低高壓差脹有明顯效果。

3.3 并網帶負荷階段差脹變化控制

在汽輪發電機組同期并列接入電網帶基本負荷階段，汽輪機的蒸汽流量顯著增加，汽輪機的轉子和汽缸劇烈受熱，調節級的溫升較大，升負荷速率成為高壓差脹的關鍵影響因素，因此，并網后需要100 MW 低負荷暖機，這一負荷階段暖機要充分，使汽缸在較低的蒸汽參數下充分膨脹。當高壓差脹、低壓差脹和缸脹等參數趨于穩定后再繼續增帶負荷，同時保證主再熱蒸汽參數平穩，避免機組負荷、蒸汽溫度等參數反復變化。增加低負荷暖機，可以控制差脹不超限，保證機組運行安全。同時縮短機組總的啟動時間，提高啟動過程的經濟性。

4 結束語

在機組的啟動過程中，應從投軸封抽真空開始關注高壓差脹等汽輪機本體參數變化，通過鍋爐的燃燒調整生產合格穩定的主再熱蒸汽。沖轉過程中滿足條件再進行升速，并網接帶負荷時暖機要充分，升負荷速率要符合各項參數變化要求，避免蒸汽壓力溫度大幅度的反復變化，以期達到汽缸和轉子自由同步膨脹，汽機本體參數在允許范圍內。加強對汽輪機高壓差脹等參數的變化趨勢監視，通過分析找出相關的影響因素，制定解決辦法，保證機組安全穩定運行，縮短啟動的時間，進而節約開機消耗，提高經濟性。