摘要：本文根据实践经验和理论分析，从合理缩短启动时间、减少启机时的安全隐患和运行调整经济性的角度，对优化汽轮机启动暖机操作进行了探讨，提出了合理暖机的操作方法。
关键词；汽轮机；启动；暖机；优化
1、概述
CLN660-24.2/566/566型汽轮机高中压部分是哈汽日本三菱公司合作开发设计的成熟双层缸结构，低压部分采用哈汽自主设计的三层缸设计结构。
机组的滑销系统保证在汽轮机启动、运行和停机时，汽轮机各个部件正确地膨胀、收缩和定位，同时保证汽缸和转子正确对中，如下图所示：
图1 机组滑销系统示意图
图2
机组膨胀的绝对死点在1号低压缸的中心，由预埋在基础中的两块横向定位键和两块轴向定位键限制低压缸的中心移动，形成机组绝对死点。高中压缸由四只“猫爪”支托，“猫爪”搭在轴承箱上，“猫爪”与轴承箱之间通过键配合，“猫爪”在键上可以自由滑动。高中压缸与轴承箱之间、低压1号与2号缸之间在水平中分面以下都用定位中心梁连接。汽轮机膨胀时，1号低压缸中心保持不变，它的后部通过定中心粱推动2号低压缸沿机组轴向向发电机端膨胀。1号低压缸的前部通过定中心梁推着轴承箱、高中压缸、前轴承箱沿机组轴向向调速器端膨胀。转子之间都是采用法兰式刚性联轴器联接，形成了轴系。轴系轴向位置是靠机组高压转子前端的推力盘来定位的。推力盘包围在推力轴承中，由此构成了机组动静之间的死点。当机组静子部件在膨胀与收缩时，推力轴承所在的前轴承箱也相应地轴向移动，因而推力轴承或者说轴系的定位点也随之移动，所以也称机组动静之间的死点为机组的“相对死点”。
每台机组设置了一套高、低压两级串联的汽机旁路系统。其容量按满足汽轮机中压缸启动要求，按40％BMCR设置，仅满足机组启、停工况下的使用要求。
2、汽轮机暖机的意义
汽轮机的启动过程实际上是一个暖机的过程。暖机的目的是使汽轮机各部位金属得到充分的预热，减小汽缸法兰内外壁、法兰与螺栓之间的温度差，减小转子表面与中心的温度差，从而减小金属内部应力，使汽缸、法兰和转子均匀膨胀，且胀差值在安全范围内变化，保证汽轮机内部存在动静间隙，避免摩擦，同时使带负荷的速度相应提高，缩短升至额定负荷时所需要的时间，达到节约能源的目的。
汽轮机启动过程中，各部件间的温差、热应力、热变形大，多数事故是发生在启动时刻。现代汽轮机的运行实践表明，汽缸、阀门外壳和管道出现裂纹、汽轮机转子和汽缸的弯曲、汽缸法兰结合面的翘曲、紧力装配元件的松弛、金属结构状态的变化、轴承磨损的增大以及在投入运行初始阶段所暴露出来的其它异常情况，都与启动过程的控制紧密相关。
3、汽轮机厂家规定的冷态启动曲线
采用高中压缸联合（带旁路启动）启动。厂家推荐冲转主汽压力为 8.9MPa,主汽温度 360℃,再热压力 1MPa,再热温度 320℃。汽轮机冲转时，高压主汽门与中压调汽门共同控制转速升速至 2000 rpm；在 2000 rpm 的转速下进行中速暖机。在此过程中，入口温度可以升高到430℃，但是温升速率不得超过55℃/小时。保持2000rpm超过150分钟。暖机结束后升速到2900 rpm 进行阀切换，阀切换完成后由高压调门与中压调门进行转速控制，转速升至 3000 rpm 定速并网。机组并网后，由调节阀控制，并带上5%的初负荷。保持5%负荷足够长时间以使进汽温度稳定。此过程中主蒸汽温度的温升速率尽量稳定，并不得超过83℃/小时。进一步加负荷时要确保调节级腔室温升速率最大不超过110℃/小时。
4、我厂启动情况
基于厂家给定的启动曲线，在满足相同整个启动过程曲线的前提下，使用不同的冲转参数、暖机参数（主汽压力、温度、再热汽压力、温度、真空）进行试验，得到了不同的暖机效果。冲转、暖机参数选择合理与否，将严重影响高压主汽门阀室温度、高压缸第一级金属温度、中压缸静叶持环温度的上升率一致性差，整个汽缸均匀加热速率，胀差能否控制在合理范围内。在达到相同的暖机效果时消耗的时间相差很大，参数选择不恰当时中速暖机时间就需要4小时，远远超出了启动曲线中给出的2.5小时。在满足机组减少热应力，控制温升率，保证胀差满足机组启动，不发生碰摩的情况，尽量缩短启动时间可以节约辅机电耗、燃油，从而在不影响安全性的前提下，合理控制暖机参数将能提高机组启动经济性（图2）。
5、暖机结束判据
厂家并没有给出汽轮机中速暖机结束的判据，只要求在中速暖机150min，但如果只根据暖机时间确定暖机结束，暖缸效果差，很可能发生加负荷过程中胀差超标、机组振动增大等情况，被迫在带负荷后继续进行暖机，严重影响机组安全启动，并会延长机组启动时间。当暖机达到一定的条件后，在现有的蒸汽流量及参数下，缸温会上涨很慢，暖机效果并不理想，也会拖延了机组启动时间。
根据多次开机暖机效果统计，摸索出了机组既通过合理选择蒸汽参数、真空等在2000r/min可以达到的条件，又能满足安全及较为经济启动的参数。
机组达到以下条件时可以满足当缸胀达8mm 以上，低压胀差达6～8 mm,高压缸调节级金属大于280℃,高压主汽门阀室内、外壁温差小于 83℃,说明中速暖机结束。
冷态启动参数统计表
6、提高暖机效果的措施
6.1送轴封，抽真空
送轴封抽真空的目的对于冷态启动的意义除建立真空回收疏水外，就是可以及早预热汽轮机转子和汽缸，特别是缸温接近室温时可在汽轮机冲转前将汽缸的膨胀加热出 2mm，对转子的加热快于对汽缸的加热，使胀差增加，高压胀差可达 1mm，低压胀差达 5mm，这样，一方面利用温度相对较低的轴封蒸汽（180℃）加热汽缸和转子产生的热应力小，另一方面缩短了机组在中转暖机和低负荷暖机的时间。
轴封送汽过早，由于凝结水系统的抽入，使得凝泵的电功率消耗增加，对于机组启动来说不经济；轴封送汽过迟，将延迟抽真空的时间，在炉侧起压后，若排汽装置的真空度达不到要求，将导致机前管道疏水不畅，可能引起疏水管道振动，同时延长了机组在中转暖机和低负荷暖机时间。所以合适的送轴封抽真空时间通常在锅炉点火前送轴封抽真空。这样在炉侧起压后，既保证了机前疏水通畅及机前管道充分暖管，又可适当对汽轮机进行暖机。
6.2冲转、暖机参数的选择
为获得较好的暖机效果，可适当维持稍低的主汽压力以增加进入汽轮机的蒸汽流量，同时选择合适的再热汽压力也是至关重要的，两者共同决定了暖机过程中高压主汽门和中压调汽门开度的协调，合理分配高压缸进汽流量与中压缸进汽流量比例，使高压主汽门阀室温度、高压缸第一级金属温度、中压缸静叶持环温度的上升率一致，整个汽缸均匀快速加热，胀差在合理范围内。
为防止对阀壳及蒸汽室造成大的热冲击在冷态启动时严格控制主汽温度不大于 427℃。
6.2.1冲转参数选择
厂家推荐冲转主汽压力为 8.9MPa,主汽温度 360℃,再热压力1MPa,再热温度 320℃。
工况1采用的参数明显好于工况2采用的参数，同样的时间间隔33分钟，调节级温度上升幅度明显工况1比工况2高30℃，中压第一级温度工况1比工况2低4℃，但工况1与工况2相比高压缸第一级金属温度、中压缸静叶持环温度的上升率一致性相对较差。优化调整冲转参数：主汽压力4.5-5MPa、主汽温度 330-360℃，再热汽压力0.5-0.6MPa,再热温度 300-320℃。
6.2.2暖机参数选择
从统计表中可以看出在工况1中08:17-10:54之间暖机效果在工况1、工况2的各个时段暖机效果是最好的，所以采用此阶段的暖机参数是较好的。根据几次启动数据统计来看，优化暖机参数：主汽压 3～3.5 MPa，主汽温度 400-420℃，再热压力 0.2～0.25 MPa，再热温度 400-420℃。在机组暖机过程中可调整高低旁路来配合锅炉燃烧，保证暖机过程中蒸汽参数基本不变。
6.3背压控制
冲转过程中，汽轮机的背压应由胀差值、金属温升率等来决定，一般来说，以 15kPa（-75kPa）～20kPa（-70kPa） 为宜。冲转过程中背压控制值不能过低也不能过高，背压控制值过高，则需较多的新蒸汽才能冲动转子，则金属温升率太快；背压太低则进入汽缸的蒸汽量较少，放热量小，各部金属温升率偏低，使得汽轮机加热缓慢，从而延长了暖机时间。并网前可适当降低汽轮机背压，因为机组并网后即带初负荷，进入排汽装置蒸汽量相对较多，汽侧压力瞬间要升高，可能使机组背压超过低负荷限制背压，对低压缸末几级叶片工作不利。
排汽温度过高又会引起低压缸中心抬升造成振动，所以一味的降低真空也是不可取的。
同时汽轮机背压的降低将直接影响汽轮机排汽温度的变化，而排汽温度的变化使得低压汽缸的膨胀速度发生变化，这样也可起到控制低压胀差的作用。
6.4为了减少暖机时间，在其它参数达要求，而主汽门阀室内壁温度与主汽门前蒸汽压力的饱和蒸汽温度相比还差30℃时即可升速至 2900rpm，由于从2100rpm升速至2900rpm的过程中转速控制是主汽门控制，所以在升速过程中主汽门阀室内壁温度会加热到主汽门前蒸汽压力的饱和蒸汽温度。
7、调整冲转参数后存在的问题及应对措施
经过以上分析，采用合理暖机参数控制，能有效的缩短中速暖机时间，但对整个开机过程又会产生一些影响因素延长启机时间和产生安全隐患：
并网前参数过低对机组后期加负荷与暖机也是相当不利的，由于主汽压力低要提高参数才能保证机组带负荷，增加燃烧速度较快，主再热汽温上涨的速率经常是较难控制，从而造成转子、汽缸温快速上涨，由于转子传热大于汽缸，转子膨胀快于汽缸，胀差就会发生接近限制值得情况，不得已只有维持负荷暖机，增加了操作难度及暖机时间。
不便于负荷控制。由于主汽压力裕度较小，升负荷率过大、过小都对汽压、汽温产生很大的影响。
并网前参数过低过热器管壁温度难于控制，容易发生超温情况。
由于采用低参数进行中速暖机，在将主汽压力由3.5MPa提高到启动曲线要求的8.9MPa，又需要较长时间，又延长了暖机时间。
为了解决以上问题采取以下方法：
在机组暖机接近结束条件时，可提前将主再热汽压力进行升温升压，避免达到暖机结束参数时才开始升参数，造成时间浪费。
在2000r/min升至3000r/min过程中安排有汽轮机阀切换、注油试验、电气并网操作等需要花费30分钟，且该阶段汽轮机的进汽流量是大于中速暖机的进汽流量，暖机效果更好，所以在实际中无必要一定达到暖机结束条件后才进行升速，可在接近结束条件时开始升速也能达到暖机须控制的效果。
8、总结
通过冲转参数、暖机参数调整，并合理优化操作配合参数需要，提高了暖机效果的同时不但保证了机组启动的安全性，并且减少了启动时间，减少燃油消耗量。在中速暖机期间每小时大约消耗8吨油，在并网后投入的油枪更多，消耗的油量更大，将能使从冲转至并网时间提前1-2小时，节约燃油8-16吨左右，取得较好的经济效益。
论文作者:杨昌学
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/26
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