关键词 燃气机组 汽轮机 快速启动 汽轮机结构 热应力 热膨胀
1. 引言
因为天然气发电能源成本较高、燃气发电机组调节性能良好，按照国际上发达国家的电能结构规划，燃气发电机组一般作为电网调峰机组。根据我国《天然气发展“十三五”规划》意见，强调“积极发展天然气调峰机组”。
作为调峰机组，启停频繁系其运行特点，实际运行中，部分机组需要每日“朝启晚停”，在建设期设备采购时即应以“朝启晚停”的运行方式进行设计选型。在现阶段电力供求不平衡的状况下，部分机组常常处于备用状态，而备用机组需要根据电网调度要求实现快速启动。从经济效益上考虑，缩短机组启动时间尽快进入稳定负荷运行工况，可有效降低机组能耗、提高经济效益，对频繁启停机组尤其明显。
对于燃气-蒸汽联合循环发电机组，其燃气轮机组可实现快速启动并带满负荷，余热锅炉达到额定出力的时间较短，整套机组启动并带满负荷时间主要受蒸汽轮机制约。因此，从加快蒸汽轮机启动升负荷速度着手，可有效缩短燃气-蒸汽联合循环机组整套启动时间，实现快速启停。
由此可见，为更好发挥机组调峰功能、满足电网调度快速启动要求、提高电厂经济效益，作为燃气-蒸汽联合循环机组配套的蒸汽轮机应具备良好的快速启动性能。
目前投运的部分发电厂燃气-蒸汽联合循环机组，因汽轮机启动时间过长，难以适应快速启动、频繁启停的要求。
2.正文
一、制约汽轮机快速启动的因素
汽轮机的启动曲线对汽轮机启动过程参数调整和启动时间进行了大体规定，机组启动过程需充分考虑保证机组安全稳定、减少疲劳损伤、延长使用寿命等要求，各参数升速率和总体启动时间受到热应力、热膨胀、热变形等各种因素制约。
1、汽轮机的热应力及热变形造成的损害
汽轮机启动过程中，由于汽缸和法兰内外壁之间、转轴外表面与轴心之间存在温度差，尤其是冷态启动过程，该温差更大，由此在各金属部件内部产生热应力及不平衡热变形。
该热应力达到屈服极限值时，将产生塑性变形；在反复多次出现热应力变化后，将产生疲劳损伤。
为避免产生塑性变形及减缓疲劳损伤，通常需延长机组启动时间，降低进汽升温速度，减少机组启停次数。对于燃气机组，恰恰是需要尽量缩短启动时间、频繁启停。
2、汽轮机动静部件之间胀差引起的碰磨
汽轮机启动过程中，转子随蒸汽温度变化而产生的膨胀与汽缸相比更为迅速，二者沿轴向绝对热膨胀的差值，称为相对热膨胀差，简称胀差。当该胀差值大于动静部件之间的轴向间隙值，将产生动静部件碰磨。
在启动过程初期，胀差值根据不同的蒸汽温度变化率快速上升，随着各部件温度达到平衡，胀差值将回落到一个稳定值。在实际运行中，通常需要严密监视胀差值，并通过控制蒸汽温度变化率将胀差控制在胀差保护值范围内，避免发生动静碰磨。
汽轮机动静部件还存在径向胀差，径向胀差值难以监视。在汽轮机设计阶段制定的启动曲线对蒸汽升温率、升压率和机组升负荷率等进行了规定，该启动曲线应与动静部分径向间隙设计值相匹配。机组启动过程按启动曲线进行调节，即可避免胀差过大发生动静碰磨。
二、汽轮机结构对各制约因素的影响
针对上述各种制约汽轮机快速启动的因素，可从设备选型、结构优化、系统优化、检修维护、运行调整方式等采取措施加以应对。本文主要通过各因素的制约原理，分析汽轮机的结构影响，以及从结构型式的选择、优化方面可采取的应对措施。
1、汽轮机的热应力及热变形
汽缸热应力的产生，是因为汽缸内外壁之间存在温差。在弹性模量范围内，一个理想金属体的热应力与温差之间关系如下式：
δ=(Eβm(Tm-Ti))/((1-γ) ) （公式一）
式中，δ为热应力，E为弹性模量，βm为平均线性热膨胀系数，γ为横向膨胀系数，（Tm-Ti）为金属体温度差。
从公式可见，热应力与温度差成等比线性关系。
汽轮机启动初期，内壁温度与蒸汽温度相等，外壁温度接近外界温度。通过热传导，热量从高温侧的内壁传递到汽缸外壁，外壁温度逐渐升高，待外壁温度与内壁温度达到平衡时，Tm-Ti=0，热应力随之消除。为减少汽缸内外壁之间的热应力，应尽快使汽缸内外壁温度达到平衡。
汽缸内外壁之间的热传递方式为热传导，汽缸外壁温度升高至平衡状态的时间取决于缸壁的导热速率
根据傅立叶定力热传导公式：
Q=λA (t1-t2)/b （公式二）
式中，Q为导热速率。λ为导热系数，A为传热面积，t1为高温侧温度，t2为低温侧温度，b为导热体厚度。
从热传导公式可见，导热速率Q与导热体厚度b成反比关系，对于汽缸即导热速率与缸壁厚度成反比。因此，为缩短汽缸外壁温度快速升高达到平衡状态的时间，在满足承受工作蒸汽压力的强度要求前提下，汽轮机汽缸的缸壁、法兰等的厚度应设计得尽量小。
在实际投运机组中，部分汽轮机未能充分考虑机组快速启动的要求，汽缸设计未采用薄壁型结构。以某电厂的390MW燃气-蒸汽循环机组的汽轮机为例，该汽轮机由哈尔滨汽轮机厂生产的LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型，是哈汽为GE PG9351FA型燃气机组配套，采用原苏联技术的200MW机组改进机型。该汽轮机按较高安全系数设计，高压外缸最薄处壁厚为70mm。对比来看，上海汽轮机厂为安萨尔多AE97.3A型燃气机配套的LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547型汽轮机，其高压外缸最薄处壁厚仅为58mm。
在法兰设计上，LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型汽轮机采用了前苏联的设计理念，设计为宽而低的结构，螺栓采用粗而疏的型式，但未设置法兰和螺栓加热装置，如下图：
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（图一：LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型汽轮机高压外缸法兰）
目前，高压缸法兰多采用窄而高的形式，使汽缸接近圆筒形，同时将法兰螺栓布置得靠近汽缸壁中心线，采用直径较小的螺栓（如下图），以提高导热速率，缩短汽缸外壁、法兰、螺栓的升温时间，达到机组快速启动目的。
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（图二：两种法兰结构对比示意图）
在新型汽轮机结构设计中，采用套环结构或整体圆筒形汽缸，则取消了传统结构中的法兰，进一步提高了汽缸整体导热速率，缩短机组启动时间。
2、汽轮机动静部件之间胀差引起的碰磨
（1）轴向胀差
LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型汽轮机设置高压胀差报警值为-2.0或+3.8，跳闸值为-2.5或+4.3。
胀差保护值的设置需综合考虑汽轮机的温度场、胀差状态、轴向最小间隙，胀差上升过程首先发生碰磨的位置即为胀差设限点。LC85/N125型汽轮机高压部分的胀差设限点在于排汽端的轴封处，该处轴封采用高低齿迷宫式汽封结构，如下图所示：
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（图三：高低齿汽封结构图）
从图纸可见，该处迎汽面轴向间隙为3mm（-向），背汽面轴向间隙为5.5mm（+向），该间隙即为胀差保护值设置的依据。
为充分暖缸以将胀差控制在保护值范围内，该汽轮机设计启动曲线中从冲转到带满负荷的时间为232分钟。实际运行中，受胀差制约，需严格控制进汽参数及负荷升速率以避免胀差超标，导致机组冷态启动从冲转到带满负荷耗时约273分钟，冷态启动过程相关曲线见下图：
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（图四：LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型汽轮机冷态启动过程相关曲线
图中，DEGEN1为高压胀差，DEGEN21为中压胀差）
综上可知，制约汽轮机快速启动的主要因素是胀差保护值，而胀差保护值的设定取决于高低齿迷宫式汽封的的高齿与转子凸台之间的轴向间隙。
对比来看，LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型汽轮机在低压部分采用平齿汽封结构，LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547型汽轮机全部采用镶齿汽封结构，如下图：
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（图五：平齿汽封结构图） (图六：镶齿汽封结构图)
平齿及镶齿汽封结构避免了汽封齿与转子之间的轴向碰磨，因此汽封位置不再成为胀差设限点。LZC136-12.69/1.9/0.403/561.7/547型汽轮机的胀差设限点处在动叶叶顶围带与隔板之间，该位置胀差极限值远小于轴向间隙值，即在极限工况下动静部分胀差达到最大值时，轴向间隙仍能保证不产生碰磨，因此该汽轮机不需设置胀差保护，亦即该汽轮机启动时间不受胀差制约。
2）径向胀差
汽轮机动静部分径向最小间隙为汽封齿顶与转子圆周方向表面，该间隙值的设计需综合考虑机组效率和避免动静碰磨。间隙值过大，则蒸汽不经做功而在该间隙通过的流量加大，从而造成能量损失，降低汽机效率；间隙值过小，则发生动静碰磨的风险加大，尤其在机组启动过程中，动叶随蒸汽温度变化而产生膨胀伸长的速度比汽缸径向膨胀迅速，汽封径向间隙变小，发生动静碰磨的可能性更大。
某电厂燃气-蒸汽循环机组LC85/N125-13.00/3.30/0.420/1.20型汽轮机设计汽封径向间隙最小处为0.4-0.5mm。在启动升负荷过程中，出现振动超标，经采取降低进汽温度升速、降低负荷升速等措施，振动得以控制，稳定运行后振动值回落。解体检修时，发现高压汽封齿顶存在碰磨，分析原因应为汽封间隙过小造成。据此，将汽封径向间隙最小处调整为0.5-0.6mm，其它部位汽封径向间隙普遍调整加大约0.1mm，问题得以解决，碰磨现象未再出现。
三、结论和汽轮机选型建议
通过以上论述可知，制约汽轮机快速启动的因素有温度差引起的热应力及热变形造成设备损伤、因动静部件之间的胀差引起的碰磨等。各制约因素的影响程度，部分取决于汽轮机结构设计，为减小各制约因素的影响程度，缩短机组启动时间，可从采用先进设计理念、汽轮机结构设计采取对应措施。
1、为减小快速启动引起汽轮机的热应力及热变形造成设备损伤，汽缸的缸壁、法兰等的厚度应设计得尽量小，中分面螺栓应采用小直径、密布置的设计，避免采用宽而低的法兰和粗而疏的螺栓结构。新型的套环结构及整体圆筒形汽缸更有利于降低热应力及热应变，有利于汽轮机快速启动。
2、为避免汽轮机动静部件之间胀差引起的碰磨，加快启动速度，宜采用平齿或镶齿结构汽封，适当放大通流及汽封径向间隙。虽然采用平齿汽封及放大间隙将降低汽轮机热效率，但对于燃气机组，启动时间过长造成的损失大于热效率降低造成的损失，设备的选型应从机组总体效益出发。
因燃气机组作为电网调峰的主力机组，启停非常频繁，要求具备快速启动能力；且在燃气-蒸汽循环机组中，制约机组快速启动的因素在于汽轮机。因此，选用先进汽轮机设备型式、优化结构设计，对于燃气-蒸汽循环机组尤为必要。
附录或参考文献
[1]董纯涛、秦祖志、张丁旺等 某联合循环机组配套汽轮机振动异常的治理.《能源研究与管理》.2018年第2期
[2]战洪仁、寇丽萍 《工程热力学基础》中国石化出版社
[3]王竹溪 《热力学》 北京大学出版社
[4]作者不详 《热力学基础概述》
[5]作者不详 《热变形热应力以及热膨胀》
[6]作者不详 《热量传递的三种基本方式》
论文作者:郑金明
论文发表刊物:《中国电业》2019年 19期
论文发表时间:2020/3/4
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