1000MW超超临界汽轮机自启动中热应力控制

暖机是否充分 ,需由 X7a 准则判断 :
Tms < Tm HPS + X7a
X7a = X73a + 1 . 4 ×d T permt upr H PS
式中 Tms ———炉侧和机侧主蒸汽温度实测值的高选值 ;
Tm HPS ———高压转子动叶根部温度的计算值 ,表示
高压转子的平均值 ;
d Tpermt upr HPS ———高压转子所对应的允许上升温度
温度一定值 ,则需满足 X4 准则 :
Tms > Tsat + X4 式中 Tms ———机侧主汽门前主蒸汽温度 ,由两侧实测温
度小选得出 。
X4 为允许的最低过热度 ,该过热度又是饱和
温度的函数 ,饱和温度越高 ,要求的过热度越高 ,
其函数关系见表 1
表 1 X4 和饱和温度函数关系
℃
饱和温度
图 1 高压缸外缸表面温度和平均温度的变化曲线
目前实测高中压转子的温度比较困难 ,只能 采用仿真计算的方法来实现 。首先 ,用高压 (中 压) 内缸的温度来近似表示高压 (中压) 转子表面 的温度 Ta ,计算转子动叶根部的温度作为转子平 均温度 ,也用 Tm 表示 ,另外再计算转子中心的温 度 Tax 。转子表面温度 Ta 和转子平均温度 Tm 的 差值就表示转子应力的大小 。某次冷态启动时 ,
2 应力监视和转子仿真计算
西门子 1 000 MW 超超临界机组热应力的监 视点 有 5 个 , 分 别 为 : 高 压 主 汽 门 阀 体 ( HP ESV) 、高压调门阀体 ( H P CV) 、高压缸外缸 ( H P CA SIN G) 、高压转子 ( H P S HA F T) 和中压转子 ( IP S HA F T) 。由热弹性理论可知 ,部件的热应 力与金属部件内部的温度梯度成正比 。故经过简 化处理 ,采用部件的表面温度和平均温度的差值 来代表热应力的大小 。
汽轮机升速或者升负荷的速度 。
4 启动阶段热应力控制策略和 X 准则
西门子 1 000 MW 超超临界汽轮机的自动化 — 48 —
图 3 汽轮机主顺控及准则判断示意图
4. 1 X2 准则 X2 准则在汽轮机主顺控的第 13 步 ,即开启
高压主汽门前加以判断 ,目的是为了避免高压调 门阀体承受过大的热应力 。在冷态启动时 ,汽轮 机高压调门的阀体温度低于主蒸汽的饱和温度 。 在打开主汽门后 ,蒸汽与调门接触 ,以凝结换热的 方式向调门阀体传递热量 。由于凝结换热的放热 系数很大 ,剧烈的换热将使阀体的温度很快上升 到蒸汽的饱和温度 。如果阀体内部温度过低 ,就 会在阀体内部产生很大的热应力 。所以要使主蒸 汽的饱和温度低于高调阀阀体内部温度加某一 值 ,则需满足 X2 准则 :
裕量 ;
X
3 7a
———高压转子平均温度的函数
,其函数关系如
表 4 所示 。
表 4 X73a 和高压转子平均温度 Tm HPS的函数关系 ℃
Tm HPS X 73a
0
650
117
8
4. 6 X7b准则 X7b 准则在汽轮机主顺控第 23 步 ,即结束低 — 49 —
专题研讨
上海电力
2008 年第 1 期
100
374
X4
20
56
4. 3 X5 准则 X5 准则在汽轮机主顺控第 20 步 ,即开启高
压调门进行冲转前加以判断 ,目的是防止汽轮机 冲转时 ,进入的蒸汽冷却高压缸和转子 。故确保 主蒸汽的温度高于高压缸平均温度和高压转子平
均温度某一值 ,而在极热态启动时 ,允许蒸汽的温 度可以略低于高压缸缸体和转子的温度 。即满足
d T ———实际温度差值 ,即 d T = T1 ∃ Tm (阀体或
外缸) 或者 d T = Ta ∃ Tm (转子) 。
对于高中压转子还要考虑冷态启动时的允许
温度裕量 , 该 裕量 为转 子中 心温 度 Tax 的 函数 。 允许的温度裕量总是正的 ,但实际的温度差 d T
有正负 。当剩余温度裕量为正时 ,表示最大允许
速暖机准备升速至额定转速前加以判断 ,目的是
确保低速暖机时使蒸汽充分加热汽轮机的高压转
子 。汽轮机的启动是对汽轮机各部件加热的过
程 ,为了使转子的热应力不超过允许应力 ,要使转
子的内外温差小 ,所以必须对其进行充分暖机。
从暖机转速速到额定转速过程中 ,要快速通过
临界转速区 ,但又不得超过应力限制 。高压转子
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专题研讨
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2008 年第 1 期
高压转子表面温度 、平均温度 、中心温度和汽轮机 转速 、负荷的关系曲线如图 2 所示 。
图 2 高压转子表面温度 、平均温度和中心温度的变化曲线
程度较高 ,通过执行汽轮机主顺控来自动完成整 个启动过程 ,从汽轮机冲转 、升速到 360 r/ min 、低 速暖机 、升速到额定转速 3 000 r/ min 、高速暖机 一直到并网带负荷 。在各个阶段 ,主顺控会通过 X 准则的判断来确定热应力是否符合要求 ,以决 定是否可以进行下一步 ,或继续在本步等待 ,直到 条件满足 ,其逻辑示意图如图 3 所示 。这些判断 由程序自动实现 ,不需运行人员干预 ,否则反而会 导致应力超限 。另外 ,在主顺控中还会自动投入 高压级压力控制 ,以减少启动初期高压缸部分的 热应力 。下面对 X 准则的含意 、判断目的 、计算 公式以及高压级压力控制器作一介绍 。
4. 2 X4 准则 X4 准则在汽轮机主顺控第 20 步 ,即开启高
压调门进行冲转前加以判断 ,目的是防止汽轮机 冲转时湿蒸汽进入汽轮机及高压缸末级叶片处蒸
汽湿度过大 。蒸汽对金属的放热系数与蒸汽的状
态有很大的关系 ,湿蒸汽的放热系数较大 ,过热蒸 汽的放热系数较小 。汽轮机冷态启动时 ,为了避 免在金属部件内产生过大的温差 ,要采用微过热 蒸汽冲动转子 。所以要使主蒸汽温度高于其饱和
的数值 。
X5 ———允许的最低温差 ,其与 max ( Tm HPC , Tm HPS ) 的函数关系如表 2 所示 。
表 2 X5 和高压缸体/ 高压转子温度的函数关系1) ℃
max ( Tm HPC , Tm HPS) X5
0/ 0 100/ 50
560/ 580 600/ 600 0/ - 20 - 40/ - 40
注 : 1)“/ ”之前的数据为正常或慢速启动时的允许最低温差 , “/ ”之后的数据则为快速启动时的允许最低温差 。
4. 4 X6 准则 X6 准则在汽轮机主顺控第 20 步 ,即开启汽
轮机中压调门进行冲转前加以判断 ,目的是防止 汽轮机冲转时 ,进入的蒸汽冷却中压缸转子 。故 确保再热蒸汽的温度高于中压转子平均温度某一 值 ,而在极热态启动时 ,允许蒸汽的温度可以略低 于中压转子的温度 。即满足 X6 准则 :
Thr > Tm IPS + X6 式中 Thr ———炉侧和机侧再热蒸汽温度实测值低选得出
的值 ; Tm HPS ———中压转子动叶根部的温度计算值 ,表示
中压转子的平均温度 ; X6 ———允许的最低温差 ,其与中压转子平均温度
Tm IPS的函数关系见表 3 。 表 3 X6 和中压转子平均温度 Tm IPS的函数关系1) ℃
Tm IPS
0/ 0
560/ 580 600/ 600
X6
50/ 30 0/ - 20 - 40/ - 40
注 : 1)“/ ”之前的数据为正常或慢速启动时的允许最低温差 , “/ ”之后的数据则为快速启动时的允许最低温差 。
4. 5 X7a 准则 X7a 准则在汽轮机主顺控第 23 步 ,即结束低
的温度差还没有达到 ,机组还有上升 (或下降) 空
间 。但是当剩余温度裕量为负时 ,则表示允许的
温度差已经超过了 。这些部件的剩余裕量都以数
字和棒状图的形式显示在操作员画面上 ,给运行
人员提供操作指导 。温度裕量会参与计算各种 X
准则 。另外 ,各部件剩余裕量中的最小值作为机
组当前有效的温度裕量 ,并根据这个裕量来控制
在高压主汽门阀体 、高压调门阀体和高压缸 外缸上各安装了 100 %插入深度和 50 %插入深度 的两支 热 电 偶 作 为 温 度 测 点 , 进 行 温 度 测 量 。 100 %深度处的温度 T1 泛指直接接触蒸汽并进行 热交换的相应阀体 (缸体) 温度 ,50 %深度处的温 度 Tm泛指相应阀体 (缸体) 的平均温度 ,由于热传 导的延迟 , Tm 的变化总会慢于 T1 的变化 ,从而存 在温差 ,这一温差的大小 ,即表示应力的大小 。某 次冷态启动时 ,高压缸外缸的表面温度 、平均温度 与汽轮机转速 、负荷的关系曲线如图 1 所示 。
1 引言
汽轮机在启停和变工况过程中 ,由于进入汽 轮机的蒸汽温度和流量发生变化 ,使得汽缸与转 子的金属表面温度也发生变化 ,通过热传导汽缸 和转子的内部温度也发生相应变化 。当温度改变 时 ,物体由于外在约束以及内部各部分之间的相 互约束 ,使其不能完全自由胀缩而产生应力 ,这种 由温度变化而产生的应力称为热应力 。在汽轮机 的启动过程中 ,热应力是造成设备损坏的主要原 因之一 ,特别是高参数 、大容量汽轮机 ,往往会因 为暖机不充分或蒸汽参数不合适 ,造成热应力过 大而产生汽缸裂纹 、螺栓断裂 、转子裂纹和弯曲等 设备损坏事故 。故启动过程中的热应力监视和控 制相当重要 ,热应力控制得当 ,既可以实现汽轮机 安全 、快速地启动 ,又可以减少寿命损耗 ,延长使 用期限 。
X5 准则 :
Tms > max ( Tm HPC , Tm HPS ) + X5 式中 Tm HPC ———由高压缸缸体 50 %深度处的温度实测
值 ,表示高压缸缸体的平均温度 ; Tm HPS ———高压转子动叶根部的温度计算值 ,表示