溫度裕度在百萬機組啟動過程中升速率控制的應用

摘 要：隨著科技的發展及社會進步，目前發電機組容量越來越大，300MW、600MW、1000MW甚至更高，機組自動化控制水平也越來越高，尤其是百萬機組一鍵啟動自動化控制。本文主要論述應力裕度在百萬機組西門子DEH控制系統中一鍵啟動過程中的應用，其中包括高壓缸升裕度、高壓轉子升裕度、中壓轉子升裕度。

關鍵詞：高壓缸升裕度;應力裕度;高壓轉子升裕度;中壓轉子升裕度

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）13-0110-02

1 應力裕度

1.1汽機熱應力評估（TSE）的基本功能

汽輪機部件受熱不均，出現溫差就會產生熱應力。溫差越大，熱應力也越大。部件加熱時受到壓縮應力，部件冷卻時收到拉伸應力。而壓縮和拉伸應力的不斷交錯循環，將會導致金屬產生疲勞裂紋，消耗設備的使用壽命，并逐漸擴大直到斷裂失效。為此，對于汽機的閥體、缸體、轉子等厚重部件需要控制熱應力。而控制熱應力的最好方法就是控制部件內外溫差，控制部件內外溫差的最好方法則是延緩部件的升、降溫速率。

西門子DEH的應力評估TSE就是將汽機廠的這些要求轉換成程序，測取（或模擬計算）受溫度劇烈變化影響的汽機主要厚重部件如高中壓主汽門閥體、高中壓缸體、高中壓轉子等部件的內外壁溫，然后計算出可能的最大應力（用溫差進行表征）并與規定限值進行比較，從而構成汽機監視系統的一部分，并根據應力決定汽機啟動過程中的升速率以及變負荷時最大的允許負荷變動率[1]。

1.2溫度裕度（Margin）

溫差是用來表征熱應力最直接的物理量。為此汽機廠根據各部件的特性，制定了主要厚重部件的溫差限制，以期把熱應力限制在合理的壽命消耗范圍內。

溫度裕度的計算。其中，橫坐標表示部件中心的溫度，縱坐標表示溫差。兩條上下線是汽機廠根據部件特性給出的正、負溫差限制值，分別代表機組升、降兩個工況下部件最大的允許溫差。將部件允許的溫差減去部件實際溫差（dT）得出的差值就是部件溫度裕度Margin。

上限溫度裕度ddTU=dTpermu-dT;

下限溫度裕度ddTL=dT-dTpermL。

Margin越大，所受的熱應力越小;反之，如果Margin越小，說明熱應力越大。如果Margin小于0，此時熱應力已經超出了廠家的要求，再進行升速或變負荷將會導致超出預期的壽命消耗，減少部件的使用壽命，因此需要限制。

2 百萬機組西門子DEH控制系統中應力裕度的計算

2.1高壓缸升裕度的計算

高壓缸升裕度計算主要由高壓缸蒸汽溫度100%和高壓缸蒸汽溫度50%溫差計算，高壓缸蒸汽溫度100%溫度元件安裝在高壓缸外缸壁100%處，測量的是高壓缸外缸壁受熱面溫度，高壓缸蒸汽溫度50%溫度元件安裝在高壓缸外缸壁50%處，測量的是高壓缸外缸壁中心溫度。

高壓缸升裕度等于高壓缸蒸汽溫度50%對應的應力折線函數值減去高壓缸蒸汽溫度100%和高壓缸蒸汽溫度50%溫差值，高壓缸升裕度=高壓缸蒸汽溫度50%對應應力折線函數值-（高壓缸蒸汽溫度100%-高壓缸蒸汽溫度50%），溫差越大，高壓缸升裕度越小。

2.2高壓轉子升裕度的計算

高壓轉子升裕度主要是通過三個高壓缸內缸溫度90%來體現，由于高壓缸內缸壁和高壓缸轉子接觸的為同一熱源，所以高壓缸內缸壁和高壓缸轉子受熱面溫度相同，因此可以將高壓缸內缸壁溫度等效代替高壓缸轉子中心溫度顯示。百萬機組西門子機型高壓缸內缸壁90%處位置安裝3支獨立的溫度元件來等效換算為高壓轉子溫度。高壓缸轉子升裕度等于高壓缸內缸壁溫度90%三選中后對應一個應力折線函數值減去高壓缸內缸壁溫度90%三選值與高壓缸內缸壁溫度90%經過不同占比的一階慣性修正后的值，即應力折線函數值減去高壓缸轉子在一定時間內的溫度變化值。

高壓轉子升裕度=折線函數值-（高壓缸內缸壁溫度90%-高壓缸內缸壁溫度90%一階慣性修正值）。

2.3中壓轉子升裕度的計算

中壓轉子升裕度計算與高壓轉子升裕度計算相同。中壓轉子升裕度主要是通過三個中壓缸內缸溫度90%來體現，由于中壓缸內缸壁和中壓缸轉子接觸的為同一熱源，所以中壓缸內缸壁和中壓缸轉子受熱面溫度相同，因此可以將中壓缸內缸壁溫度等效代替中壓缸轉子中心溫度顯示。百萬機組西門子機型中壓缸內缸壁90%處位置安裝3支獨立的溫度元件來等效換算為中壓轉子溫度。中壓缸轉子升裕度等于中壓缸內缸壁溫度90%三選中后對應一個應力折線函數值減去中壓缸內缸壁溫度90%三選值與中壓缸內缸壁溫度90%經過不同占比的一階慣性修正后的值，即應力折線函數值減去中壓缸轉子在一定時間內的溫度變化值。

中壓轉子升裕度=折線函數值-（中壓缸內缸壁溫度90%-中壓缸內缸壁溫度90%一階慣性修正值）。

3 應力裕度在百萬機組西門子DEH控制系統中的應用

百萬機組西門子DEH控制設置額定升速率為600/min，在一鍵啟動第23步中，運行人員確定汽機沖轉并釋放轉速后，目標轉速設定為3009rpm，汽輪機將以額定升速率沖轉，在高壓缸升裕度/高壓轉子升裕度/中壓轉子升裕度中，任意一個≤30K，汽機升速率將開始受限，并且隨著高壓缸升裕度/高壓轉子升裕度/中壓轉子升裕度降低而減小，且成正比。

3.1額定升速率（WTF）的選擇

在DEH系統中WTF邏輯頁，當機組未并網時，額定升速率選擇為10.0199995Hz/min，即601.19rpm/min，當機組并網時，額定升速率選擇為0.26Hz/min，即15.6

rpm/min。

3.2實際升速率與穩定裕度對應關系

在DEH系統中WTF邏輯頁，實際升速率為高壓缸升裕度/高壓轉子升裕度/中壓轉子升裕度選最小值除以30再乘以額定升速率，高壓缸升裕度/高壓轉子升裕度/中壓轉子升裕度與實際升速率為正比關系。

3.3目標轉速中升速率控制

在DEH系統中NS邏輯頁，SWFOF為目標轉速給定輸出塊，其中OFB為升速率給定，UFB為降速率給定。目標轉速設定為3009rpm后，將以OFB升速率給定值升速。

3.4實際轉速升速率的判斷

在DEH系統中NT邏輯頁，F2OF為實際轉速速率變化計算輸出，如果實際升速率≤0.028Hz/s，即實際升速率≤100.8rpm/min，且在臨界區內，則會退出機組啟動。

3.5百萬機組汽輪機臨界區

在DEH系統中NT邏輯頁，百萬機組臨界區設定有兩個，一個是轉速在11Hz～14Hz，即660rpm～840rpm，另一個為17Hz～47.5Hz，即1020rpm～2850rpm。

3.6退出啟動后自動減轉速，退出臨界轉速區域

在DEH系統中NS邏輯頁，DEH退出啟動時，會發出給轉速設功能頁NS發出退出啟動信號NSNF，去SWS6F輸出選擇塊，選擇第二路輸出，此時轉速設定值=

當前際轉速-1Hz/min，即轉速設定值=當前實際轉速-

60r/min，確保調門可靠關閉直至退出臨界轉速區域。

參考文獻

[1] 孫長生，朱北恒.DL/T 774―2004，火力發電廠熱工自動化系統

檢修運行維護規程[S].北京：中國電力出版社，2015.

Abstract：With the development of science and technology and the progress of society， the capacity of generating set is getting larger and larger than 300MW / 600 MW / 1000MW or higher at present， and the level of automatic control is higher and higher， especially the automatic control of one-click start-up for millions of units. This paper mainly discusses the application of stress margin in the one-key start-up process of Siemens DEH control system for millions of units， including high-pressure cylinder margin， high-pressure rotor margin and medium-pressure rotor margin.

Key words：high pressure cylinder margin;stress margin;high pressure rotor margin;medium pressure rotor margin

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：金彥昌（1982—），男，吉林長春人，本科，工程師，研究方向：熱工控制。