汽轮机启动参数选择和冷态启动胀差控制分析雷浩

汽轮机启动参数选择和冷态启动胀差控制分析雷浩

雷浩

（浙江浙能嘉华发电有限公司浙江平湖314201）

摘要：汽轮机的启动过程中，启动参数选择和胀差控制是两个重要环节，关系到汽轮机的安全和寿命，冲转和暖机控制还直接影响机组的启动时间。本文重点分析了超临界直接空冷机组在中压缸启动方式下的冲转参数选择、暖机时间确定、冷态启动过程中高中压缸胀差的控制，提出合理的控制措施，保证机组快速、安全地启动。

关键词：汽轮机；中压缸启动；冲转参数；胀差控制

浙能阿克苏热电有限公司两台汽轮机采用东方汽轮机公司生产的350MW超临界、一次中间再热、单轴、高中压分缸、三缸双排汽、直接空冷、双抽汽凝汽式汽轮机。根据说明书推荐，机组采用中压缸启动方式，即冲转和初负荷暖机期间采用中压缸进汽，初负荷暖机结束后切至高中压缸联合进汽。机组投产两年多来启停次数较多，如何根据汽缸温度选择合理的冲转参数，关系到机组启动时间的控制。此外，中压缸启动方式下高压缸的暖缸效果，影响倒缸后高压缸胀差的控制。因此，我们有必要分析机组启动参数的选择，采取措施提高暖缸效果，控制低负荷过程中的高中压缸胀差，最终达到缩短启动时间、延长机组寿命的目的。

1.汽轮机启动参数选择

汽轮机的启动过程可以看做是汽缸和转子的加热过程。在汽轮机启动过程中最重要的一点就是缓慢加热汽轮机各部件使热应力尽量降低，延长汽轮机的寿命。

降低热应力的最佳办法是使蒸汽温度和金属温度匹配。我们定义汽缸进汽室蒸汽温度与进汽室金属温度的差值为不匹配度。由于机组启动时蒸汽温度必须有50℃以上的过热度，所以冷态启动时不匹配度较大，需要投入高、中压缸预暖，延长暖机时间。而热态、极热态启动时必须将不匹配度尽量减小，所以热态、极热态启动时合理选择冲转参数可以无需暖机。启动时理想的不匹配度为＋28～＋55℃之间。正的不匹配可在机组暖机时迅速加热，而又没有大到需要低速暖机。

汽轮机冲转过程中，升速率、低速暖机与高速暖机时间是基于中压进汽室蒸汽温度和中压内缸进汽室内壁温度的不匹配度得出。初负荷暖机时间通过高压调节级蒸汽温度和高压缸调节级内缸内壁温度的不匹配度而确定的。而机组在倒缸以前，高压缸不进汽，中压缸带初负荷运行，故初负荷暖机时间应继续基于中压进汽室蒸汽温度和中压内缸进汽室内壁温度的不匹配度得出。由于我厂机组高压缸正暖效果不好，倒缸后高压差胀难以控制，故倒缸后应基于高压调节级蒸汽温度和高压缸调节级内缸内壁温度的不匹配度继续暖机。

1.1冲转参数、升速率和暖机时间确定

图1机组升速率和暖机时间曲线

以冷态启动中压缸内缸进汽室内壁温度150℃为例。如图1红线所示，第一步：首先确认再热蒸汽温度。查看显示有再热蒸汽温度与中压进汽室蒸汽温度在1.1MPa再热蒸汽压力下的关系的图并查出中压进汽室蒸汽温度。如果再热蒸汽温度是380℃，中压进汽室蒸汽温度可查出为360℃。

第二步：看下面的图，查出蒸汽与金属温度不匹配度。图中对角线上方数据为启动时中压缸内缸进汽室内壁温度。如果中压进汽室蒸汽温度为360℃而其内壁金属温度为150℃，则不匹配度为210℃。

第三步：看不匹配曲线的右侧的图。通过不匹配度来确定升速率与暖机时间，该图给出了1500r/min及3000r/min时的升速率及维持时间。如果不匹配是210℃，升速率就是100r/min2，汽轮机将分别暖机达240min（在1500r/min时）和40min（在3000r/min时）。为了在启动过程中随缸温变化增加进汽量，达到快速充分暖机的目的，我厂机组暖机转速与说明书稍有区别，机组调试时确定了低速暖机（1200r/min）和高速暖机（2450r/min）两个转速，总的暖机时间≥原设计暖机时间，即总的温升率必须控制在高中压转子寿命曲线＜0.001%的范围内。

图1蓝线表示极热态启动参数选择，中压内缸进汽室内壁温度430℃，再热蒸汽温度450℃，查曲线的中压进汽室蒸汽温度为430℃，这样不匹配度为0，升速率选择为300r/min2，1500r/min暖机时间为0，3000r/min暖机时间为0。即汽轮机以当前参数冲转时，应当以300r/min2升速率直接冲转至3000r/min。

1.2初负荷暖机时间确定

图2机组初负荷和初负荷暖机时间曲线

中压缸启动方式下，初负荷暖机应参考中压进汽室蒸汽温度和中压内缸进汽室内壁温度的不匹配度。例如，若冲转再热汽温控制在400℃，3000r/min暖机完成后，再热汽温缓慢升至450℃，缸温升至400℃。如图2蓝线表示，此时中压进汽室蒸汽温度为440℃，不匹配度为40℃，应该在5%初负荷暖机60min。

1.3倒缸后暖机时间确定

要确定倒缸后暖机时间，需要查看机组初负荷和初负荷暖机时间曲线并查出高压缸调节级蒸汽温度。举例：如果倒缸时主蒸汽温度是450℃，主蒸汽压力为7.5MPa，查出的调节级蒸汽温度即为380℃。如图2中红线所示。

查看位于下方的图，计算出不匹配度，图中对角线数值为倒缸时高压缸调节级内缸内壁温度。如果调节级蒸汽温度即为380℃其内表面金属温度为250℃，则不匹配度为130℃。查看不匹配曲线右侧的那个图，倒缸后暖机时间为60min。暖机完成后按照启动升负荷曲线推荐的负荷速率进行升负荷。

2.冷态启动胀差控制

汽轮机启动过程中，内缸与转子同时受蒸汽加热，膨胀速度相对较快，外缸只有少量的夹层加热蒸汽而膨胀较慢，是产生胀差的主要原因。因此控制启动过程中的胀差主要是协调转子与外缸的膨胀速度。

2.1高、中压转子的热膨胀

a）轴封蒸汽投入对转子膨胀的影响

冷态启动时汽缸温度较低，轴封蒸汽投运时，转子轴封段被蒸汽加热，我厂采用高中压缸分缸设计，转子轴封段较长（高压轴封段长度1000mm、中压轴封段长度1800mm），轴封投运时高中压缸胀差明显上升。投入轴封蒸汽后高压胀差约变化1.8mm，中压胀差约3.2mm。因此在保证轴封蒸汽具有足够的过热度外应尽可能的降低轴封温度，以降低初始胀差。

b）冲转蒸汽温度对转子膨胀的影响

冷态启冲转前再热汽温为390℃，与厂家规定的330℃相差60℃。由于直流锅炉的燃烧特性决定了蒸汽温度一旦上升后将很难降低，所以汽轮机应在蒸汽参数达到冲转要求前做好冲转准备工作。过高的蒸汽温度一方面对汽轮机快速加热造成高热应力影响设备寿命，另一方面转子快速膨胀直接造成的胀差快速上升。尽管启动阶段锅炉降汽温困难，但从汽温对于胀差的影响程度来看仍应通过各种措施尽可能降低蒸汽初温。

2.2高、中压内缸的热膨胀

内缸预暖不充分时冲转汽轮机在胀差未超限的情况下极有可能发生动静碰摩，主要表现为机组振动上升。因此启动前必须对高、中压内缸进行预暖，内缸预暖一方面减缓了正向动静间隙的变小趋势，同时降低不匹配度，延缓设备寿命。为保证锅炉蒸汽参数达冲转值时汽轮机做好准备工作，高中压内缸的预暖工作应在抽真空后开始。

2.3高、中压外缸的热膨胀

a）根据我厂的设计特点，高中压缸夹层配置了加热系统。在第一次冷态启动时按说明书在汽缸进汽时同步投入相应的夹层加热，但加热速度偏慢，胀差难以控制。因此在后续启动时提前投入夹层加热，保证足够的蒸汽能够进入夹层和足够的加热时间，在机组冲转前高、中压缸胀差未出见明显负值，在冲转过程中压缸胀差明显小于第一次启动，可见夹层加热需要尽可能提前投入。

b）高压缸胀差的快速上升主要出现在倒缸过程，由于倒缸时蒸汽流量、主汽温度均已较高，而高压缸及转子均未像中压转子经过冲转过程的暖机（仅预暖及正暖）。因此高压缸夹层加热需要尽早投入，通过实践，在高压缸预暖结束以后才投入高压夹层加热仍偏晚，宜与预暖同时进行，加长夹层加热时间。

c）由于转子膨胀速度快于汽缸，在启动过程中每一个节点的转子做功要求是确定，理论上可认为蒸汽对转子的加热膨胀速度也是确定的。可以通过提高排汽压力、随机滑投加热器来提升蒸汽流量，在不增加转子膨胀速度的情况下加快汽缸的膨胀从而抑制胀差的上升。

3.结论

合理选择冲转参数和暖机时间，不仅能缩短机组启动时间，还能延长汽轮机寿命。对于启停次数较多的汽轮机，应该根据升速暖机曲线合理选择蒸汽参数，尽量减小汽温缸温不匹配度。

机组冷态启动时通过上述手段来控制胀差，可以达到缩短启动时间，延长机组寿命的目的。

参考文献：

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