上汽新型高效超臨界350MW汽輪機冷態啟動運行控制策略

中煤平朔安太堡熱電有限責任公司 郭啟存

近年來，火力發電廠節能減排和環保壓力逐年增大，人們對燃煤火力發電機組的提效減排提出了越來越高的的要求，超臨界350MW 機組因容量小、調整靈活、功能性強，在熱電聯產項目廣泛應用，逐漸成為城市采暖供熱、供汽的主力機型之一。上海汽輪機廠為響應市場對超臨界350MW 等級高性能供熱抽汽汽輪機的要求，引進了西門子技術和平臺，憑借在超臨界汽輪機改造方面積累的豐富經驗，研發了新型高效超臨界350MW 機型，上汽廠編號H159。該機型結構先進、熱耗低，采用了“一鍵啟停”技術，操作簡單。但是也遇到了冷態啟動時間過長的問題。

建投遵化熱電2×350MW 抽汽供熱機組汽輪機采用上海汽輪機廠制造的C350-24.2/0.4/566/566型超臨界中間再熱抽汽凝汽式、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式（可抽汽）汽輪機，在調試及運營初期的冷態啟動過程中，遇到了暖閥和暖機時間過長的問題，暖閥需時4小時，定速600rpm暖機時間長達8小時，直接影響了機組冷態啟動成本，同時因低速暖機時間過長、汽缸進汽量少、進汽不均，造成汽缸加熱不均，引發汽輪機振動大的問題。針對該問題，運行人員進行了大量的探索試驗，制訂了一系列運行調整措施，最終控制機組冷態啟動暖閥和暖機時間在6小時以內，大幅緩解了因暖機時間長帶來的問題。

本文介紹了上汽新型高效超臨界350MW 汽輪機主要結構和設計特點，分析了汽輪機冷態啟動時間過長的原因，提出了啟動過程中各階段運行控制策略，總結了汽輪機自動化啟動過程中熱應力控制特點及縮短啟動時間措施和方法，對國內同類型機組的冷態啟動運行操作控制具有一定的借鑒和參考意義。

1 新型超臨界350MW 汽輪機主要結構和設計特點

1.1 通流部分

該新型H159機型采用了整體通流葉片技術（AIBT)設計平臺，對高中壓、低壓通流進行了整體優化設計。高中壓合缸，采用整體內、外缸，通流反流布置，將高壓內缸、高壓持環、中壓內缸、中壓持環整合為整體內缸，結構簡潔，能夠有效避免內缸和持環之間相互漏汽的現象[1]。

高壓缸設置調節級，高壓進汽方式為噴嘴加節流調節，高壓通流部分由1級單列調節級和14級壓力級所組成。中壓通流部分共有14級壓力級，中壓缸第11級后出來的一部分蒸汽經過#4抽汽插管抽汽至除氧器及給水泵汽輪機，同時還提供一定量的廠用蒸汽。高中壓缸的下部設有1個5段抽汽口，其抽汽至#5低加，同時提供蒸汽至熱網。低壓缸采用雙流設計，共2×7級，末級葉片長915mm。高中壓模塊廠內總裝后整體發運，減少了現場安裝誤差[2]。

1.2 軸系

汽輪機整個軸系為“N+1”單支點支撐，即由2根轉子、3個支承軸承組成。汽輪機由高中壓轉子和低壓轉子組成。汽輪機轉子為單支撐型式，高中壓轉子和低壓轉子均為無中心孔整鍛轉子，通過聯軸器直接相連。

1.3 DEH 控制系統

該汽輪機DEH 系統采用了上汽超超臨界機組的DEH 控制系統，通過透平應力控制器（TSE）對汽輪機的高中壓轉子、高中壓進汽閥體和汽缸等部件的熱應力進行監視和評估，來控制汽輪機的啟停和變負荷。通過汽輪機SGC 主順控來自動完成汽輪機的暖閥、沖轉、低速暖機、升速至額定轉速和并網的整個啟動過程[3]，汽輪機的自動啟動系列程序一共需要35步實現，其中第11步的開啟調門前的鍋爐蒸汽品質確認需要運行人員手動確定，第27步的低速暖機結束后的升速至額定轉速需要運行人員手動釋放。

2 新型H159機型冷態啟動暖機時間長的原因分析

汽輪機運行模式的改變，例如帶蒸汽沖轉，升速到暖機轉速或額定轉速，汽輪機的加載程序以蒸汽壓力和流量的突變的形式給汽輪機強加載荷，這會使熱傳遞增加[4]。在現有的運行條件下，是否允許改變汽輪機的運行狀態，需要一個判斷標準。因此DEH 系統引入了X、Z 準則用來評估和判斷汽輪機是否可以改變目前狀態而又不超出預設的熱應力限制值。該機型冷態啟動時間過長的主要原因為暖機和暖閥時間過長。

2.1 增加X7C 和X7D 準則

新型H159機型增加了X7C 和X7D 準則，是冷態啟動暖機時間過長的主要原因。該機型高、中壓轉子選取的材料為30Cr1Mo1V 鋼，因材料的限制，啟動X 準則相比上汽超超臨界蒸汽輪機增加了X7C 和X7D 準則，這兩個準則用于檢查和判斷汽輪機加速到額定轉速前，高、中壓轉子中心最低溫度必須大于轉子材料的韌脆轉變溫度，它對轉子暖機時間和轉子表面溫度提出了限制要求。

X7C 和X7D 準則分別要求高、中壓內缸測點溫度＞202.5℃和261℃，而該機型高中壓轉子臨界轉速區比較多且密集，在700rpm 至2700rpm 之間無合適的轉速停留區間用于暖機，只能選擇在600rpm進行低速暖機，該轉速下汽輪機進汽量很小且不均勻，造成暖機時間過長且易造成暖機不充分。

2.2 Z 準則

新型H159機型在沖轉前，為了保證主汽門前蒸汽溫度具有足夠的過熱度，設置了過熱度準則（即Z 準則），要求主汽門前蒸汽溫度過熱度＞30K 且高壓主汽門前蒸汽溫度＞360℃。高中壓主汽門前蒸汽溫度緊挨著主汽門門體布置，主汽門前疏水管道設計距離蒸汽溫度較遠，主汽門前蒸汽溫度在暖閥期間溫升較慢，是冷態啟動暖閥時間過長的主要原因。

Z1準則。打開高壓主汽門前的檢查θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第11步判斷）。θSatSt：1號高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中與2號高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中值后再選低值計算的飽和溫度；θRS：1、2號高壓主汽門前蒸汽溫度的最高值。

Z2準則。打開中壓主汽門前的檢查（過熱度準則）。θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第11步判斷）。θSatSt：1號中壓主汽門前蒸汽壓力與2號中壓主汽門前蒸汽壓力選低值計算的飽和溫度；θRS：1、2號中壓主汽門前蒸汽溫度的最高值。

Z3準則。打開高壓主汽門前的檢查（過熱度準則）。θRS＞θSatSt+10（SGC 啟動順控第13步判斷），θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第20步判斷）。θSatSt：1號高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中與#2高壓主汽門前蒸汽壓力1、2、3選中值后選低值計算的飽和溫度；θRS：1、2號高壓主汽門前蒸汽溫度的最低值。

Z4準則。打開中壓主汽門前的檢查（過熱度準則）。θRS＞θSatSt+10（SGC 啟動順控第13步判斷），θRS＞θSatSt+30（SGC 啟動順控第20步判斷）。θSatSt：1、2號中壓主汽門前蒸汽壓力計算的飽和溫度；θRS：1、2號中壓壓主汽門前蒸汽溫度的最低值。

為了提高、中壓主汽門前的蒸汽溫度，SGC 啟動順控系統設置了暖閥程序，通過間隙性開啟高壓主汽門，蒸汽通過高壓主汽門進入高壓調門進汽腔室，利用高壓主汽門調閥疏水來提高高壓主汽門前蒸汽溫度，但中壓主汽門開啟后蒸汽無法進入中壓調門閥腔，蒸汽無法通過中壓調閥疏水，因此在暖閥順控中未設置間隙性開啟中壓主汽門的程序，致使中壓主汽門前溫度上升緩慢，尤其在SGC 順控走到20步時，Z4準則難以滿足，汽輪機無法進入沖轉步驟。

3 縮短冷態啟動時間運行控制策略

3.1 盡早投入SGC 順控，執行暖閥程控縮短冷態啟動暖閥時間

鍋爐點火后，主蒸汽啟壓0.2MPa 后，逐步開啟高低旁，根據升溫升壓曲線提高主再熱蒸汽參數，此階段應逐步開大高低旁路，主、再熱蒸汽同步升溫、升壓。鍋爐熱態沖洗結束蒸汽品質合格后，盡早投入SGC 順控執行暖閥程控，通過開大高低旁增大蒸汽流量，提高主再熱蒸汽溫度和壓力。

在進行暖閥程控時，提高再熱蒸汽壓力至0.8MPa 以上，利用再熱主汽門門桿漏汽，增大通過再熱主汽門前蒸汽量，提高再熱主汽門前蒸汽溫度溫升速率，當兩側再熱主汽門前蒸汽溫度均達到170℃以上、且汽輪機沖轉的其他條件都滿足后，降低再熱蒸汽壓力至0.3至0.2MPa，讓Z4準則快速滿足，進入沖轉程序，達到縮短暖閥時間的目的。

3.2 縮短暖機時間運行控制策略

提前投入軸封，韶關市粵華電力有限公司每次冷態啟動提前一天投運軸封系統，在沖轉前，汽輪機高、中壓缸內缸溫度能達到100℃左右[5]，此方法遵化熱電也開展了相關試驗，可以縮短汽輪機低速暖機時間半小時至1小時，但沖轉前過早地向軸封供汽，會出現上、下缸溫差增大和脹差正值增大的問題，且該方法在缸溫相對較高（100℃左右），效果有限。在停機時間較長、缸溫低于60℃以下可采用此方法，但應控制好軸封供汽溫度，密切關注盤車工況下缸體各溫度，尤其上下缸溫差、轉子偏心值、轉子和汽缸膨脹值等趨勢變化。

600rpm 暖機期間投入高低加運行，汽輪機定速600rpm 開始暖機后，盡早投入高低加汽測運行，目的在于增大高中壓缸的進汽量。因2號高加抽汽來自再熱冷段，2號高加投入抽汽后會造成進入鍋爐再熱蒸汽減少，再熱器蒸汽冷卻流量不足，再熱器超溫，2號高加的投入對于暖機無影響，但可以提高給水溫度，對鍋爐初期水動力循環有益，可以少投或不投。低速暖機期間投入高低加運行，因抽汽汽量少，抽汽壓力低、甚至為負壓環境，高低加汽側水位難以控制，應安排專人密切監視并及時調整，避免高低加水位高造成汽輪機進水事故。

降低汽輪機沖轉初、末參數。遵化熱電在借鑒同類型機組低速暖機經驗的基礎上，將低速暖機時的主蒸汽壓力由廠家推薦的8.4MPa 降低至3～4MPa，再熱蒸汽壓力降低至0.25～0.5MPa，提高機組背壓至10～15kPa，暖機時間由原來的7～8小時縮短至4～5小時，暖機效果明顯。但提高背壓期間，應注意低壓缸鼓風摩擦效應，密切關注低壓缸排汽溫度和低壓缸隔板溫度趨勢變化，保證低壓缸噴水連續投入。降低汽輪機沖轉初、末參數縮短暖機時間是同類型機組普遍采用的方式，也是效果最明顯的方法。

執行手動切缸手段，在高壓缸溫度準則X7C 滿足后，手動關閉高壓調門，增大中壓缸的進汽量，縮短中壓缸X7D 準則的滿足時間。該機型低速暖機時間太長的主要原因是X7D 準則要求太高（中壓內缸測點溫度＞261℃），一般高壓內缸溫度大于200℃后，中壓內缸溫度測點距離X7D 條件滿足仍有60℃溫差，而受制于再熱蒸汽溫度偏低和調門開度較小，中壓內缸溫度在200℃后上升緩慢，在咨詢上汽廠后，X7D 準則由原來的261℃修改為231℃。因此在高壓內缸溫度滿足后，通過手動設定高壓調門的閥位限值至0，人為關閉高壓缸進汽，以增大中壓調門開度、增大中壓缸進汽量，縮短X7D 的滿足時間。

經過多次冷態啟動試驗，此方法有一定的效果，但會帶來高壓缸暖機不充分，高壓缸上下缸溫差大的問題，低速暖機結束，汽輪機由600rpm 升速至額定轉速期間，易造成汽輪機振動增大，冷態啟動低速暖機過程中應慎重選擇。

4 結語

上汽新型超臨界350MW 汽輪機采用了先進的通流設計技術和設計理念，能耗水平相比同類型機組能耗降低約57kJ/(kWh)，采用一鍵啟停技術提高了機組的自動化程度，但在運行期間，遇到了冷態啟動暖閥和暖機時間太長的問題，針對該問題的原因進行了詳細的分析，并在實際運行中進行了大量的探索性試驗，并制訂了針對性措施，取得了較好的效果，對于同類型機組的冷態啟動操作控制具有一定的參考和借鑒意義。