上汽660MW超超臨界二次再熱汽輪機啟動步序及各項準則分析

陳鑫，張耀華，許健，谷兵，張嵐清

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102）

1 概要

汽輪機在非穩定狀態下運行（如啟動，加減負荷，溫度變化），部件將受到固定大小和頻率的熱應力影響，會導致材料處于一個高度疲勞的狀態而可能出現裂紋，因此，汽輪機的狀態必須受到嚴密監視。在設備特性的基礎上，選擇與殼體溫度相當的蒸汽溫度對于汽輪機運行成本和應力優化是一個重要手段，與蒸汽直接接觸的部件表面直接被加熱或冷卻，汽缸和轉子平均溫度的延時與材料和外形尺寸有關，短暫溫度的差異會導致拉力和應力，因為膨脹受到限制，直到建立新的穩定狀態，此時表面溫度和部件的溫度大致相當。汽輪機應力評估了汽輪機厚壁部件（汽缸、閥體和轉子）免于受到額外熱應力的影響。

本文詳細介紹了汽輪機啟動步序、通過分析各項X準則、Z準則以及溫度裕度，幫助判斷汽輪機缸體、轉子、閥門是否充分暖機、暖閥，其蒸汽參數是否符合當前汽輪機狀態，各部件熱應力是否可控或者是否適合加減負荷，用以優化運行參數，提高汽輪機運行的安全性、平穩性、經濟性。

2 汽輪機啟動步序

本文以上海汽輪機廠制造的首臺660MW超超臨界二次再熱汽輪機所采用的啟動控制系統來進行介紹分析。汽輪機型式為超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、十級回熱抽汽、凝汽式汽輪機，型號為N660-31/600/620/620。汽輪機五缸為超高壓缸、高壓缸、中壓缸、二臺低壓缸。額定主蒸汽壓力為31MPa、主蒸汽溫度為600℃，一再蒸汽額定溫度為620℃、二再蒸汽額定溫度為620℃；配有超高壓、高壓、中壓主汽閥各兩個，超高壓、高壓、中壓調閥各兩個及兩個補汽閥。

汽輪機控制系統由分散控制系統DCS、數字式電液系統DEH和遮斷系統ETS組成，DCS用來控制汽輪機系統各輔機，DEH控制汽輪機本體設備、啟動沖轉和并網帶負荷，ETS控制汽輪保護跳閘，遇到危機情況及時遮斷汽輪機。汽輪機沖轉步序由DEH的控制子環SGC完成，在汽輪機控制器（Turbine Controller）畫面操作順控SGC進行沖轉。圖1為汽輪機控制器畫面，汽輪機走步沖轉在此畫面操作。打開SGC TURBINE，按下ON然后執行。

圖1 汽機控制器畫面

其具體步序如下：

步驟1：啟動初始化。

步驟2：檢查主汽閥、調閥、逆止閥閥位，確保其在關閉狀態，啟動抽汽逆止門控制子程序；投入超高壓、高壓、中壓聯合汽門控制SLC。

步驟3：汽機限制控制器投入。①超高壓葉片級壓力限制控制器投入（②超高壓排汽溫度控制投入；③高壓排汽溫度控制投入；注：如果汽輪機轉速超過402r/min，超高壓葉片級壓力控制器就切除。）

步驟4：汽機疏水子程序SLC投入。

步驟5：打開暖機疏水閥（注：或是滿足所有的主汽開啟但調門開度是受限制的TAB＞62．5%，且所有的主汽門已開啟。）

步驟6～步驟7：空。

步驟8：汽機潤滑油泵試驗與輔助系統檢查。①投入汽機潤滑油泵試驗SGC子程序；②所有主汽門關閉；③汽輪機啟限制器TAB=0%。（注：或汽輪機停機后重新啟動。120r/min＜汽輪機發電機轉速＜402r/min，且所有主汽門關閉，TAB＜0．1%。）

步驟9～步驟10：空。

步驟11：等待蒸汽品質合格（主蒸汽品質合格指標：SiO2≤ 30μg/kg、Fe ≤ 50μg/kg、Na+≤ 20μg/kg、Cu2+≤ 15μg/kg 、陽導≤ 0．5μS/cm）。蒸汽條件滿足后開啟主汽門，啟動“發電機停干燥器”SLC；①投入“發電機氫氣干燥器”SLC；②選擇蒸汽品質回路未鎖定（手動按鈕）；③確認X1標準滿足。

步驟12：打開主汽門前疏水閥（注：或所有的主汽門開啟且調閥開度限制。TAB＞62．5%，所有的主汽門已開啟。）

步驟13：汽輪機的主蒸汽和再熱蒸汽管路暖管完成；①主蒸汽管和再熱蒸汽管路預暖（確保主蒸汽管內無濕汽存在）；②主蒸汽管蒸汽過熱度情況：主蒸汽過熱度＞10K超過30min；③一次再熱蒸汽過熱度＞10K超過30min。二次再熱蒸汽過熱度＞10K超過30min；④確認X2a、X2a標準滿足；⑤檢查：調門預暖SGC 沒有投入，由于冷態啟動時，超高壓/高壓調門閥體溫度較低，與主蒸汽/一次再熱蒸汽溫度偏差可能會比較大。為了在冷態啟動時縮短滿足 X2 溫度準則所需要的時間，當X2 準則偏差較大時，會自動啟動調門預暖 SGC，自動控制打開超高壓/高壓主汽門對調門進行預暖。主汽門每次打開的時間為 2 分鐘，與下次開主汽門的間隔時間不小于 10 分鐘。（注：汽輪機處于暖機轉速作為旁通次步條件。汽輪機處于暖機轉速超過840 r/min。且所有主汽門開啟。）

步驟14：開啟主汽門前疏水。

步驟15：開啟主汽門，DEH自行判斷默認的暖閥準則是否滿足；①設定汽輪機負荷控制器設定點＞15%；②啟動汽輪機啟動限制器TAB(L090)和“通過保護停機步序（L070）”；③檢查汽輪機控制器設定值＞15%；④檢查汽輪機啟動和升程限制器值TAB＞62．5%。（注：程序等待蒸氣品質合格，蒸氣品質合格后，通過人為按操作按鈕（SLC STEAM PURITY RELEASED）確認，主汽門才會打開。）

步驟16：確認主汽門己開啟。

步驟17：空。

步驟18：開啟調門前選擇主蒸汽流量。鍋爐必須提供足夠的蒸汽流量在熱態啟動的情況下（超高壓轉子的平均溫度大于400℃），鍋爐需要15%的最小主蒸汽流量。如果超高壓轉子的平均溫度小于400℃，至少需要10%的最小主蒸汽流量。（注：或汽輪機轉速＞840r/min。）

步驟19：空。

步驟20：開啟控制閥前，等待蒸汽品質達標，確認沖轉條件。①低壓凝汽器A、B壓力＜20kPa；②超高壓缸、高壓缸、中壓缸溫差≯30℃；③溫度裕度（Temprature margine） ≮ 30℃； ④ 確 認 X4、X5、X6A、X6B標準滿足（防止濕蒸汽進入超高壓缸：VHP ESV前汽溫＞主汽壓對應飽和溫度+X4）；⑤主蒸汽過熱度（Z3準則）＞30K、一次再熱蒸汽過熱度（Z4準則）＞30K、二次再熱蒸汽過熱度（Z5準則）＞30K。（注：啟動程序在第 20 步蒸汽品質若仍不合格，主汽門關閉直到蒸汽品質合格，程序重新從第 11步開始。子回路控制必須由操作人員從“手動”切換到“ 自動”發出關閉主汽門的命令，此后若釋放蒸汽品質，步序會自動返回至第 11 步，重新走步序開啟主汽門）。

步驟21：開啟調門，升速到暖機轉速620r/min：打開釋放設定點SLC選擇ON，汽機轉速控制器設定620r/min，轉速控制器投入，開調門汽機沖轉至暖機轉速。

步驟22：解除SLC蒸汽純度，蒸汽純度SLC選擇OFF。

步驟23：保持暖機轉速，增加高壓汽輪機的預熱度，當滿足暖機結束，滿足準則后DEH自行結束暖機；①確認X7A、X7B標準滿足；②主蒸汽過熱度 （Z3準則）＞30K、一次再熱蒸汽過熱度（Z4準則）＞30K、二次再熱蒸汽過熱度（Z5準則）＞30K；③TSE最小溫度上限裕度＞30℃。（注：或機組在額定轉速＞2850r/min。）

步驟24：空。

步驟25：汽機升至同步轉速。速度設定值3009r/min或發電機已同步且汽輪發電機轉速＞2850r/min。（注：當機組并網后延時2s，將轉速控制器切換為負荷本地控制。同時設定初負荷，為保證迅速通過臨介轉速，系統將監視實際轉速。一旦故障，程序將自動進入停狀態。）

步驟26：關閉汽機超高、高、中壓主汽門、調門疏水閥。

步驟27：解除SLC正常轉速設定（手動）（ RELEASE NOMINAL SPEED）。①轉速控制（按鈕）未投入或發電機已同期且汽輪發電機轉速＞2850 r/min；②汽機轉速控制器停止工作。（注：檢查記錄機組沖轉過程中各運行參數并確認正常，主要有主蒸汽壓力和溫度、再熱蒸汽壓力和溫度、轉速、缸脹、軸向位移、軸振、瓦振、各軸承金屬溫度和回油溫度、上/下缸溫差、凝汽器真空等，潤滑油溫控制投入自動，潤滑油溫保持在 45～50℃，升速過程中通過臨界轉速時軸振最大不超過0．26mm，瓦振最大不超過 0．1mm。）

步驟28：調壓器動作；①啟動AVR裝置；②汽機轉速＞2950r/min；③發電機電壓控制器AVR投入自動（或發電機已同期）。

步驟29：發電機同期前保持額定轉速；①確認X8標準滿足暖高、中壓轉子；②TSE 溫度上限裕度＞30℃；③發電機冷卻風溫度＜45℃；④勵磁系統無故障；⑤發電機冷卻風溫度高保護正常；⑤發電機準備同步。

步驟30：準備并網。

步驟31：并網。

步驟32：啟動裝置TAB至100%，增加調門開度。

步驟33：完成啟動程序。

步驟34：檢查汽輪機控制器投入。

步驟35：啟動步驟結束。

汽機沖轉及并網基本由DEH自行操作控制。運行人員只需在11步確認手動蒸汽品質合格，開啟調門至620r/min暖機，在21步手動釋放轉速至額定轉速3000r/min及23步手動操作并網。極大的減少了運行人員的工作量，縮短了啟動時間，減少誤操作的可能性，提高了機組的經濟性和安全性（圖1）。

3 汽輪機X準則分析

X準則（X-CRIT），即可變的溫度標準，用來在汽機啟動過程中保證主蒸汽和再熱蒸汽參數符合要求，以變化的溫度準則來判斷機組能否進行下一步操作。當X準則滿足時為“紅色”，當X準則不滿足時為“綠色”。其中X1、X2準則需在開主汽門前滿足；X4、X5、X6準則在汽機沖轉前滿足；X7A、X7B準則在汽機620r/min暖機后釋放正常轉速時滿足；X8準則在機組并網前滿足。圖2為汽輪機預暖及應力系統（WARM UP VALVES/TSE），運行人員可在此畫面監視主蒸汽、一再、二再壓力及溫度，轉子、缸體、閥體溫度等以及各項X準則滿足情況，方便應力監視及時調控。具體各項X準則如下。

圖2 預暖及應力系統畫面

3.1 開啟主汽門前的有效準則

溫度準則X1A：＞?mCV＋X1A

任務：避免超高壓蒸汽閥體的不確當冷卻。

?mCV——超高壓調閥閥殼體平均溫度。

溫度準則X1B：＞?mCV＋X1B

任務：避免高壓蒸汽閥體的不確當冷卻。

?mCV——高壓調閥閥殼體平均溫度。

溫度準則X2A：?satst＜ ?mCV＋X2A

任務：避免由于飽和蒸汽溫度的不平穩增加而引起超高壓蒸汽控制閥的不適當加載。

測點：?satst——從主蒸汽壓力計算而來的飽和蒸汽溫度；

?mCV——超高壓調閥閥殼體平均溫度。

溫度準則X2B：?satst＜ ?mCV＋X2B

任務：避免由于飽和蒸汽溫度的不平穩增加而引起超高壓蒸汽控制閥的不適當加載。

測點：?satst——從一次再熱蒸汽壓力計算而來的飽和蒸汽溫度；

?mCV——高壓調閥閥殼體平均溫度。

注意：在凝結階段的熱交換水平很高。按飽和的主蒸汽溫度和主蒸汽壓力確定的一個上限值確保不超出高壓蒸調節閥的熱應力。

3.2 開啟調門前的有效準則

溫度準則X4A：?ms＞?satst＋X4A

任務：超高壓汽輪機-避免末級存在濕蒸汽。

測點：?satst——從主蒸汽壓力計算而來的飽和蒸汽溫度；

?msfalse——取左側超高壓主汽門和右側超高壓主汽門前溫度的小值。

溫度準則X4B：?ms＞?satst＋X4B

任務：高壓汽輪機-避免末級存在濕蒸汽。

測點：?satst——從一次再熱蒸汽壓力計算而來的飽和蒸汽溫度；

?ms——取左側高壓主汽門和右側高壓主汽門前溫度的小值。

注意：這個溫度準則保證一個適當的蒸汽過熱度，例如在汽輪機帶負荷時除去末級的濕蒸汽。蒸汽的預熱一直持續到蒸汽閥前蒸汽達到合適的過熱度的時間。過熱度的確定和蒸汽壓力（可變溫度標準X4）有關，并要考慮調節閥的調節特性。

溫度準則X5：?ms＞?mVHPS/VHPC＋X5

任務：超高壓汽輪機-避免超高壓汽輪機汽缸及軸的冷卻。

測點：?mVHPS/VHPC——取超高壓轉子體平均溫度和超高壓外缸體平均溫度間的最大值；

?ms——取左側超高壓主汽門前、右側超高壓主汽門前、1號高壓旁路和2號高壓旁路前主蒸汽溫度間的最小值。

任務：高壓汽輪機-避免汽輪機轉子的冷卻。

測點：?mHPS——計算的高壓轉子的平均溫度；

任務：中壓汽輪機-避免汽輪機轉子的冷卻。

測點：?mIPS——計算的中壓轉子的平均溫度；

3.3 加速到額定速度的有效準則

溫度準則X7A：＜?mVHPS＋X7A

任務：超高壓汽輪機轉子合適的暖機度。

測點：?mVHPS——計算的超高壓轉子的平均溫度；

溫度準則X7B：＜?mVHPC＋X7B

任務：超高壓汽輪機汽缸合適的暖機度。

測點：?mVHPC——超高壓外缸體平均溫度；

溫度準則X7C：＜?mHPS＋X7C

任務：高壓汽輪機轉子合適的暖機度。

測點：?mHPS——計算的高壓轉子的平均溫度；

溫度準則X7D：＜?mIPS＋X7D

任務：超高壓汽輪機汽缸合適的暖機度。

測點：?mIPS——計算的中壓轉子的平均溫度；

溫度準則X7E：高壓內缸測點溫度（高壓轉子表面溫度）限制＞227℃。

圖3 汽輪機溫度裕度畫面

任務：高壓和中壓轉子材料為FB2，在升速到額定轉速前，FB2轉子中心最低溫度必須超過FB2材料韌脆轉變溫度。因此對轉子暖機時間和轉子表面溫度提出限制要求。

溫度準則X7F：中壓內缸測點溫度（轉子表面溫度）限制 ＞249．5℃。

中壓外內缸測點溫度（轉子表面溫度）限制＞214℃。

注意：在預熱轉速時檢查準則。它確保在升速到額定轉速時允許的熱應力值不會超限。

3.4 機組并網前的有效準則

溫度準則X8A：＜?mHPS＋X8A

任務：高壓汽輪機轉子合適的暖機度。

測點：?mHPS——計算的高壓轉子的平均溫度；

溫度準則X8B：＜?mIPS＋X8B

任務：中壓汽輪機轉子合適的暖機度。

測點：?mIPS——計算的中壓轉子的平均溫度；

Z準則用于確認主、再熱蒸汽有一定過熱，防止濕蒸汽進入汽輪機。Z3準則用于判斷主汽門前、后的主蒸汽過熱度均大于30℃。Z4準則用于判斷高壓主汽門前、后的再熱蒸汽過熱度均大于30℃，Z5準則用于判斷中壓缸進汽的過熱度大于30℃。

4 汽輪機溫度裕度

汽輪機溫度裕度系統（TSE）在汽輪機啟動過程中，主要對汽缸、轉子、閥體等部件進行溫度監視，測量結果被用來計算速度變化率的最大值和設定值所對應的溫度差。將此溫差與允許溫差比較來計算允許的溫升率。從透平應力評估負荷增加溫度裕度WTO和負荷降低溫度裕度WTU。所有測量的溫度及計算的溫度裕度均進行指示及記錄，且溫度裕度的大小決定了轉速變化率和負荷變化率。畫面右下“TSE-MARGINS”中做出了高主門閥體、高調門閥體、高壓缸、高壓轉子、中壓轉子五個部位的應力裕度中上行和下行的應力裕度最小值，在啟停機組過程中如果任一部分計算出的應力裕度不滿足，出現了負應力，則會觸發故障報警。圖3為汽輪機溫度裕度畫面，運行人員在此畫面監視裕度，了解裕度變化以便判斷負荷升降變化是否合適。溫度裕量越大，熱應力溫差越小，汽輪機壽命損耗越小，DEH基于溫度裕度控制汽輪機轉速和負荷的升降。在順控SGC的第20、23和29步核對裕度大于30℃。TOFBN＜30℃，降低汽輪機轉速或負荷升率，TOFBN＜0℃，降低負荷，TOFBN＝0℃，不允許升負荷。

5 結語

上海汽輪機廠生產的660MW超超臨界二次再熱汽輪機可通過DEH實現自啟動，其沖轉步序基本不需人員干預，大大減少運行人員操作的同時縮短了啟機時間、提高了機組安全性。為實現自啟動，需要通過溫度的X準則與過熱度的Z準則，以及溫度裕度，時刻監視確定汽輪機的熱應力以適應運行變化。因此了解和掌握X準則、Z準則和溫度裕度，可以更好地控制蒸汽品質，保證其適應汽輪機的當前工況，避免汽輪機部件產生過大溫差和應力，提高機組壽命，對于汽輪機的順利啟動并網及安全、經濟運行具有重要的意義。