300 MW機組冷態啟動優化的應用

馬巖昕，張曉宇，喬大勇，肖 亮，張 昆，韓瑞斌

(黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000)

300 MW機組冷態啟動優化的應用

馬巖昕，張曉宇，喬大勇，肖 亮，張 昆，韓瑞斌

(黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161000)

針對300 MW機組冷態啟動時間較長、經濟性較差的問題，提出在保證機組和設備安全運行的前提下，改進機組冷態啟動措施，優化300 MW機組冷態啟動程序。經實際應用驗證，改進后的機組冷態啟動措施縮短了機組冷態啟動時間，實現了300 MW機組安全和經濟啟動，提高了300 MW機組運行經濟性。

冷態啟動;暖機時間;熱應力;溫度匹配

0 引言

某電廠2臺300 MW機組汽輪機為C250/N300－16.7/537/537－73D型亞臨界、一次中間再熱、高中壓合缸、雙缸、雙排汽、凝汽式汽輪機。在非采暖期多數情況下，1臺機組運行，另1臺機組備用。為了保證冬季安全供熱，要求在夏季對2臺機組進行頻繁啟停檢修(在2008年、2009年和2010年2臺機組累計冷態啟動次數分別為6次、5次、7次)，以確保冬季2臺機組快速投入運行。因此，本文在保證機組安全投入運行的情況下，研究了適當加快機組冷態啟動速度，提升了機組運行經濟性。

1 冷態滑參數啟動要求

汽輪機在從靜止狀態到工作狀態的啟動過程中，各部件的工作參數都將發生劇烈變化，因此，啟動過程是汽輪機運行中最復雜的運行過程。

1)在機組啟動過程中，汽缸和轉子本身的溫度分布是不均勻的，受蒸汽沖刷的表面溫度高，金屬內部溫度低，高壓、中壓轉子進汽部分表面溫度較高，中心溫度較低，由于溫度的劇烈變化，以及零部件尺寸很大而且工作條件不同，必將在零部件中形成溫度梯度，沿著轉子半徑存在著一個由里向外溫度逐步增高的溫度梯度。這個溫度梯度使金屬各部分膨脹不同，因而產生熱應力。當熱應力過大而超出其允許值時，將嚴重危及機組的安全。因此，在汽輪機的啟動過程中，一定要控制好汽輪機的熱應力，使之不超過允許值，同時使機組按照要求均勻膨脹。

2)冷態滑參數啟動的關鍵問題是主蒸汽、再熱蒸汽的溫度上升速度能否使汽輪機轉子和汽缸均勻加熱，也是冷態滑參數啟機成敗的先決條件之一。因此，為了減緩沖轉時產生的熱沖擊，以減小熱應力，要求蒸汽放熱系數較小。而低壓過熱蒸汽的放熱系數較小，它相當于額定參數的1/10，所以沖轉時采用低壓過熱蒸汽，以便與汽輪機金屬溫度合理匹配。

3)升溫率控制是冷態滑參數啟機成敗的另一關鍵條件。在冷態滑參數啟動過程中，轉子表面加熱快于內壁，內外壁溫差成正值，內外壁溫差增大時表面應力顯著增加。所以，轉子和汽缸加熱過快是危險的。在升溫過程中，再熱汽溫應與主汽溫同步調整，以保證高壓缸、中壓缸同步加熱。升溫過程應與升壓過程相互配合，必須保證主蒸汽及再熱蒸汽溫度有56℃的過熱度。同時，在保證允許的金屬溫度變化率的條件下，低參數蒸汽將有較大的流量，使得機組可以很快達到并網帶負荷的條件，節約啟動時間和啟動用燃油。

4)機組的冷態最優化啟動是指保證機組零部件熱應力、脹差、軸向位移等指標不超限的前提下，機組以最高的經濟性，在最短時間內啟動。機組的冷態啟動過程實質上是一個升溫過程，它是由升溫速度和幅度決定的。

5)縮短機組冷態啟動的途徑:主蒸汽、再熱蒸汽溫度與金屬溫度相匹配，主蒸汽溫度必須有56℃的過熱度，這就可以在零部件安全的基礎上縮短啟動時間;合理安排升溫、升負荷速度及暖機時間。

2 熱應力計算

熱應力主要發生在高壓轉子的前幾級和中壓轉子的前幾級。它是由于轉子各部分溫度不均勻、各部分材料之間膨脹或收縮互相限制而引起的。一部分材料受拉的同時，則另一部分材料必然受壓。溫差越大，交變應力就越大，產生疲勞裂紋的時間就越短。

為了縮短冷態啟動時間，迫切要求對機組轉子的熱應力作出精確計算。在機組的啟動過程中，轉子的溫度水平不斷變化，轉子材料損傷在不同溫度水平下形成。目前應用的轉子疲勞曲線中，30CrMoV鋼曲線在某一恒定溫度水平下形成。

轉子鋼的材料特性隨溫度變化，以轉子應力的計算為例，應力計算采用一維簡化解析模型，一維轉子中心熱應力可由下式表示為［1］

式中:β為線膨脹系數;E為彈性模量;α為導溫系數，α=λ/(ρc);υ為泊松比;c為軸材比熱;ρ為密度;λ為材料導熱率;f為形狀因子;˙η為溫升率;R為轉子半徑方向上的厚度;Kr為理論集中系數。

若β、E、υ、α等物性參數與溫度無關，則熱應力僅僅是溫升率和時間的函數;但若考慮到上述物性參數中β、E、α的溫變特性，則熱應力還是啟動過程中平均溫度水平t的函數，即

對于30CrMoV轉子鋼，文獻 提供了不同溫度水平下的物性參數，如圖1—圖3所示。由圖1—圖3中可以看出，當溫度從200℃變化到600℃時，β變大了27%，E減小了26%，兩者基本上相互抵消，導溫系數α減小了54%。因此，可以認為導溫系數的變化是影響轉子熱應力的關鍵因素。

計算表明，如果蒸汽與轉子的溫差達到150℃，轉子表面熱應力將增大到材料屈服極限的數值，轉子表面很快就會產生裂紋。由此可見，為了限制熱應力，就必須限制蒸汽與轉子的溫差(不大于56℃)。此外，由于構成轉子的材料相當厚大，各部分材料之間的熱傳導需要相當長的時間。于是，限制蒸汽的升溫速度成為限制熱應力的另一個重要手段。這兩種手段在汽輪機啟動時是非常重要的。這是因為在高速旋轉的情況下，轉子表面與蒸汽之間的熱交換相當強烈，轉子表面將很快被蒸汽所加熱;而轉子內部材料的熱傳導卻十分緩慢，升溫十分緩慢。此時，如果蒸汽很快升溫，轉子表面也很快升溫，就加大了轉子本身的溫差，造成極大的熱應力。為有效地控制汽輪機轉子的熱應力，根據“轉子的壽命計算和壽命管理”理論，組成了按壽命管理的“機組啟動控制系統”，運行人員只要保證升溫率，機組就能夠保證熱應力處在安全范圍內實現啟動。當傳熱條件、溫度分布及金屬材料性能已知時，通過對轉子在溫度變化時熱應力的計算，保證主蒸汽溫度的升速率不大于1.5℃/min、機組總膨脹、脹差在規定范圍內，就可以使汽缸和轉子的熱應力不超過規定，從而保證機組安全啟動。

3 機組冷態啟動過程

某電廠兩臺300 MW機組2007年投入運行以來，每次機組冷態啟動的沖轉參數:主蒸汽壓力為4.12 MPa，主蒸汽溫度為320℃，再熱蒸汽壓力小于0.2 MPa，凝汽器真空為－0.090 MPa以上。

冷態啟動過程:

1)冷態啟動轉速達2 450 r/min時開始暖機，此時再熱蒸汽溫度為150℃，再熱汽溫按升速率0.9℃/min提升溫度，2 h后再熱汽溫可達到260℃。

2)當中壓主汽門前的再溫汽溫度達到260℃時，開始計算暖機時間，在任何情況下不允許縮短暖機時間，冷態暖機1 h后開始升速。中速暖機期間，主汽溫度保持在320℃，再熱汽溫在260℃以上，并且在機組的振動、軸向位移、脹差、高中壓外缸內壁上下缸溫差、汽缸總膨脹等情況良好條件下，汽機可進一步升速。

3)當轉速達到2 450 r/min、中壓主汽門前的汽溫達到260℃時，大約需要2 h。而后才開始計算暖機時間。而冷態暖機時間是1 h，加在一起為3 h。然后沖轉至3 000 r/min，開始并網，帶初負荷暖機30 min，同時注意維持機前參數的穩定。

4)初負荷暖機結束后，主蒸汽升溫速度為1℃/min，主蒸汽升壓速度為0.045 MPa/min，需要1 h升至主蒸汽溫度380℃和主蒸汽壓力為6.8 MPa，此時負荷60 MW。主蒸汽溫度為380℃，主蒸汽壓力為6.8 MPa，穩定運行需30 min。

5)以主蒸汽升溫速度1℃/min、主蒸汽升壓速度0.045 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度450℃、主蒸汽壓力9.5 MPa，此時負荷90 MW，需要70 min。主蒸汽溫度450℃，主蒸汽壓力9.5 MPa，穩定運行需30 min。

6)以主蒸汽升溫速度1℃/min、主蒸汽升壓速度0.045 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度530℃、主蒸汽壓力12.2 MPa，此時負荷150 MW，需要80 min。主蒸汽溫度530℃，主蒸汽壓力12.2 MPa，穩定運行需30 min。

7)以主蒸汽升溫速度1℃/min、主蒸汽升壓速度0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度537℃、主蒸汽壓力16.7 MPa，此時負荷為180 MW，需要50 min。

8)機組穩定運行30 min后，單閥改為順序閥運行。整個啟機時間大約需要10 h。

在中速暖機時，主汽溫度保持穩定，只在發電機并網后，才開始升主蒸汽溫度、壓力，造成大量的燃油浪費。

4 改進后的操作方法

通過與哈爾濱汽輪機廠反復研究、詳細分析，找出了影響機組冷態啟動時間長的主要因素(中速暖機過程中，主蒸汽溫度、主蒸汽壓力保持不變)，提出了相應的改進措施(在中速暖機時，在不縮短暖機時間的前提下，提升主蒸汽溫度、主蒸汽壓力，從而使機組在帶負荷階段可以快速加負荷至額定負荷)，縮短了冷態啟動時間。

在冷態啟動時，主蒸汽壓力為4.12 MPa，主蒸汽溫度為320℃，從沖轉至汽輪機轉速600 r/min，打閘后臨檢到再次沖轉至2 450 r/min，約需要1h。

當轉速達到2 450 r/min、中速暖機時，主蒸汽溫度以1℃/min、主蒸汽壓力以0.09 MPa/min的上升速度，使主蒸汽溫度由320℃升至427℃，主蒸汽壓力由4.12 MPa升至10.3 MPa，大約需要2 h，再熱汽溫才能達到260℃。

此時通流部分蒸汽溫度的變化將會在轉子內產生熱應力，只要轉子的表面和內部有溫差存在，這種熱應力就一直存在。當轉子表面和內部的溫度均勻一致時，此應力也即消失。由于轉子應力的控制就是對轉子溫差的控制，所以當主蒸汽的溫升速度不超過1.5℃/min時，轉子的應力就應在可控制范圍內。而此時主蒸汽的溫升速度是1℃/min。

根據“冷態啟動轉子加熱規程”的規定，在轉子中速暖機的過程中，主蒸汽的溫升速度不大于1.5℃/min、主蒸汽壓力不大于0.09 MPa/min即可。

當中壓主汽門前的再溫汽溫度達260℃時開始計算暖機時間，在任何情況下不允許縮短暖機時間，冷態暖機1 h后開始升速。

中速暖機期間，機組的振動、軸向位移、脹差、高中壓外缸內壁上缸、下缸溫差、汽缸總膨脹等情況良好條件下，汽機可進一步升速，加在一起需3 h。然后沖轉至3 000 r/min，開始并網，帶初負荷暖機30 min，同時注意維持機前參數的穩定。

初負荷暖機結束后，主蒸汽溫度以1.5℃/min、主蒸汽壓力以0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度537℃，主蒸汽壓力16.7 MPa，此時負荷300 MW，需要80 min。

其次，由于事權與立法權的限制，部委規章和地方性立法不能對知識產權評議的法律性質、法律效力、法律責任等一系列關鍵性問題作出規定。這就導致一方面，知識產權評議游離于現有的行政管理體制與行政程序之外，處于非常態化和非協同化的狀態；另一方面，由于缺乏法律效力與法律責任的“武裝”，已經實施的知識產權評議也缺乏必要的約束力，處于“沒有牙齒”的窘境。為此，必須及早通過法律的形式，對于知識產權評議的法律性質、法律效力、法律責任等作出明確規定。

表1 機組運行操作改進前后的機組主要參數對比

從轉子應力的計算可知，轉子表面應力的大小與相應的有效溫差成正比，在一定的轉子材料情況下，對應力的控制問題可以轉變為對有效溫差的控制?？紤]到實際汽輪機轉子的溫度分布計算十分復雜，影響因素很多，如果采用多維計算模型，勢必導致計算量巨大，難以滿足實時在線的要求，因此合理地簡化模型是必要的。

目前對實際運轉的汽輪機轉子采用直接應力檢測有比較大的困難，因此通過某些溫度點的檢測以及模型的計算，控制其有效溫差，同樣可以控制應力，從而縮短汽輪機啟動時間。因中速暖機過程中，已提升了主蒸汽溫度至420℃、調節級金屬溫度達到了400℃，可以認定機組已是熱態啟動的參數了。再根據“熱態啟動推薦值”，主蒸汽溫度以1.5℃/min、主蒸汽壓力以0.09 MPa/min的速度升至主蒸汽溫度537℃、主蒸汽壓力16.7 MPa，至額定負荷。

冷態啟動操作方法改進后操作注意事項如下:

1)在蒸汽參數升壓升溫時，同時轉子沖轉的過程中監視機組脹差，如果機組脹差超標，需要及時調整蒸汽參數，特別是控制蒸汽的溫升速度。

2)冷態啟動全程監測高中壓汽缸的上下半溫差不允許超過40℃。

3)冷態啟動全程監視軸振和瓦振，若發現超標則降低蒸汽溫升率，一般蒸汽溫度在320～427℃過程中的溫升速度小于1.5℃/min。

5 冷態啟動操作方法改進后的效果

在保證機組冷態啟動安全的前提下，對縮短冷態啟動的時間進行了合理的安排，即在2 450 r/min開始計算暖機時間，此時主汽壓力、主汽溫度開始滑升。2 h后主汽溫度滑升至427℃、主汽壓力滑升至10.3 MPa，此時再熱汽溫達到260℃，再加上1 h的暖機時間，總共3 h，然后沖轉至2 900 r/min切閥后，升至3 000 r/min定速。

經過對冷態啟動操作過程的改進和在2011年內幾次機組冷態啟動的操作過程，證明上述改進措施實施后，300 MW機組冷態由定速帶至額定負荷時間可縮短5 h。300 MW機組冷態啟動操作方法改進前后的主要機組參數如表1所示。

某電廠通過幾次冷態啟動的實踐證明，改進后的啟動方法可行，節油效果非常明顯。原來1次冷態啟動需耗油12～14 t，而現在1次冷態啟動只需耗油6～7 t，僅1次冷態啟動就能節油6～7 t，折合人民幣5.6萬元。若某電廠每年完成6次冷態機組啟動，可節約燃油42 t，能節約成本33.6萬元左右。

6 結論

上述分析結果表明，不改變機組控制保護邏輯，通過合理的操作調整，解決了某電廠300 MW機組冷態啟動緩機時間偏長的問題，明顯縮短了機組冷態啟動的暖機時間，從原來的約10 h縮短到5 h。通過經濟性分析計算，每年可增加收入33.6萬元，節能效果顯著。

［1］張保衡.大容量火電機組壽命管理與調峰運行［M］.北京:水電出版社，1988:75－76.

Application of the optimization of cold startup for 300 MW unit

MA Yanxin，ZHANG Xiaoyu，QIAO Dayong，XIAO Liang，ZHANG Kun，HAN Ruibin
(Heilongjiang Huadian Qiqihar Thermal Power Company Limited，Qiqihar 161000，China)

Aiming at the slow cold startup and negative economy of 300 MW unit，this paper，taking the safe running of unit and equipment as a premise，proposes to improve the cold startup and optimize the cold startup program.The application proves that the cold startup speeds up after the improvement，which realizes the safe and economic startup and enhances the economic running of 300 MW unit.

cold startup;warm－up time;thermal stress;temperature matching

TK267

B

1002－1663(2012)03－0231－04

2011－12－26

馬巖昕(1968－)，男，2000年畢業于東北電力學院熱能動力工程專業，工程師。從事節能、汽輪機、化學運行技術管理方面的工作。

(責任編輯 侯世春)