（国家电投集团中电（四会）热电有限责任公司 广东肇庆 526000）
摘要：电厂的汽轮机启动关系到电厂的供电系统是否顺利，但目前情况下电厂的汽轮机所采取的启动方式虽然主汽温的温升率并不大，但在进入到初始负荷阶段以后，其调节级汽温将会逐渐上升，且高压胀差也会受到影响，进而影响到冷态启动的速度。本文研究汽轮机的冷态启动用时过长问题，以某电厂200MW的汽轮机为研究案例，分析其在启动过程中的用时情况，掌握启动过程中用时过长的具体原因，找出合理的处理及改进办法，以便于保障汽轮机的顺利启动，缩短启动时间，提升供电效率，确保供电系统的稳定。
关键词：电厂；汽轮机；冷态启动
前言
在学者们对于汽轮机的研究中有观点表明，汽轮机的起动过程中稳态以及热态的起动存在的问题都不是很明显，而冷态启动用时过长问题最为明显。汽轮机的冷态启动主要是指汽轮机的转子部位从静止到带满负荷的状态，也就是说，汽轮机在常温的情况下逐渐加热到可以启动汽轮机的额定温度。因此，汽轮机的冷态启动和其本身的容量、结构、材质以及具体的传热过程都有直接的联系，分析冷态启动用时过程的原因，需要从上述角度出发，了解不同的原因造成的问题，给出具体的处理及改进措施。
一、电厂汽轮机冷态启动概述
为了更好的分析电厂汽轮机的冷态启动问题，本次选择实际的汽轮机启动记录来分析在冷态启动方式下转子的热应力问题。分析是否是由于因为热应力的关系而对冷态启动的时间造成影响，经过具体的计算来分析原因。如表1所示为某电厂汽轮机的12次启动记录数据。
表1 汽轮机12次启动记录数据表.png)
从表中的数据可以了解到调节级蒸汽温升率对于热应力具有一定的影响，在16点期间到17点期间，调节级汽温比较稳定，在16点的时候调节级汽温为290℃，而在17点的时候则是305℃.在前30分钟，温升率为0.33℃/分，而在后30分钟，温升率则为0.17℃/分。在低温升率的情况下，热应力衰减。
二、电厂汽轮机冷态启动用时过长的原因分析
了解汽轮机冷态启动用时过长的原因，首先来分析冷态启动的过程，本次选择第11次冷态启动记录的相关数据作为计算的具体数据。图1为汽轮机的转速以及内部汽温汽压变化的三条曲线。
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图1 汽轮机的转速以及内部汽温汽压变化情况
注释：P0，T0为主汽压力，温度；
P1,T1为调节级压力，温度；
Θ0，,1为转子的中心孔，外表面的热应力。
通常情况下温度场的计算会依据以下公式来进行：.png)
，其中叶轮为：.png)
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根据表1中的数据，已经在计算出汽轮机的转子热应力以后，将计算的结果绘制在图1中，而根据图1可以了解到，当转子的转速达到1400rpm的时候，受到放热系数的影响，转子的热应力出现了变化，当放热系数增大以后，转子的热应力反而出现了较小的数值，在该阶段，热应力呈现出下降的状态。但当转子的转速上升到3000rpm的时候，热应力再次出现峰值，其处于本阶段的最大峰值。导致该种现象的主要原因是调节级蒸汽温升率的增加。
总体来讲，在第11次的启动记录中，本次冷态启动的转子热应力水平相对较低。根据电厂的经验，按照离心应力以及热应力的综合值限制为屈服限的90%这个原则来设计转子，那么，在转子的中心孔位置将不会出现热裂纹[1]。电厂非常重视中心的孔裂纹，在对汽轮机进行维护和检修的过程中，相比于对转子外部裂纹的检查，中心孔位置的热裂纹检查更加困难，如果该问题较为严重可能会造成转子的爆裂。而在汽轮机的冷态启动状态当中，中心孔位置所承担的离心应力以及热应力处于叠加状态，因此应力强度因子会非常大，可能会造成事故。
通过上述的分析可以了解到，在汽轮机启动运行的过程中，转子的热应力问题并没有对冷态启动的速度造成限制，反而是高压胀差造成了冷态启动的用时过长。该情况说明本组汽轮机在设计的时候轴向间隙的值比较小，所以高压胀差的容许值也被减小。事实上，在国外对于汽轮机的设计过程中，其主要遵循了放宽轴向间隙的原则，因此让汽轮机的负荷适应性增强。从图1以及表1不难看出，当转子升速的时候，转速的上升离心力也增加，而转子在该情况下缩短，部分离心力抵消了蒸汽对于转子加热而让转子伸长的作用。因此，在转子升速的时候，高压胀差并没有明显的增加。当转子被定速以后，离心力不呈现出增加的状态，而蒸汽本身对于转子的影响显现出来，由于加热作用，转子增长，那么高压胀差也越来越明显。
三、电厂汽轮机冷态启动用时过程的处理与改进
上文分析可见，汽轮机中的转子热应力以及高压胀差都与调节级蒸汽温升率有一定的关系。为了避免高压胀差过大以及转子的热应力出现峰值情况，就需要对调节级温升率进行控制[2]。调节级汽温是跟着主汽温的变化而变化的，那么根据主汽温的变化规律，可以将对调节级蒸汽温升率的控制划分为两个阶段。如图2所示为根据主汽温对调节级汽温进行控制的相关变化图。
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图2 主汽温控制调节级汽温的示意图
从图2中可以了解到，在并列时间之间，调节级汽温和主汽温之间存在较大的温差，而当转子的速度提升时，温度差可以上升到100℃以上，在此过程中，内缸的温度越低，调节级汽温与主汽温之间的温差将越大。但在并列之后，两者之间的温度差有所减少，而从图2中的形象来看，此时的温差图形类似喇叭口，也就是说，当冲转的时候，尽管两者之间的温差比较大，但受到初始负荷的影响，流量也在增加，调节汽温本身具备了接近主汽温的特点，因此，在图中的a图形中，A段到B段之间的温升率更大。
而在并列的时间之后，调节级的汽温已经开始与主汽温一样做相对同步的温度变化。因此，在第2阶段中，对于主汽温的控制就相当于对调节级汽温的温升率进行控制。而第1阶段则不是这样。第1阶段中即便是控制了主汽温的温升率，促使其以中等速度上升，但调节级汽温还是在不同的时刻可能会出现突然的陡升情况。图2中a图中的AB段显示出的正是这种情况，局部的温升率突然增加，该种情况将对汽轮机的转子造成影响，导致转子的寿命简短，影响机组运行的安全[3]。为此，控制调节级文兴路可以从并列之前的阶段，甚至是从初始负荷阶段开始就控制好主汽温的变化，如此，才能保障调节级汽温的稳步上升。具体效果如图2中的b图所示。该种方式下的冷态启动更加理想，其启动的时间也将缩短，避免出现调节级汽温的波动对启动时间产生限制。例如，如果调节级汽温在冲转阶段的100℃上升到了满负荷阶段的480℃，那么其温升量则为380℃，即便是最保守的温升率，也就是在1℃/分的情况下，完成温升量需要380分钟，也就是6.3小时，而本次启动则需要10个小时，可见，控制主汽温，进而控制调节级汽温，以此缩短汽轮机冷态启动的时间[4]。
综合上述观点可以明确，冷态启动中需要注意一点，控制温升率期间不能单纯的控制主蒸汽以及再热蒸汽的温升率，还需要控制调节级以及中压缸第一级以后的蒸汽温升率情况，保障调节级汽温的上升速度，确保其稳步且平滑，从而达到理想的冷态启动状态。
四、结论
总结文章对于汽轮机冷态启动时间过长原因的分析可以发现，转子的热应力对于冷态启动的时间干扰并不明显，但高压胀差则不同，在调节级汽温出现变化的时候，高压胀差也将发生变化，进而对启动时间造成延迟。而根据目前汽轮机的起动方式及状态，转子本身的热应力水平相对较低，其几乎没有产生对冷态启动的速速限制。因此，处理汽轮机冷态启动时间过长的问题需要加强对高压胀差的控制，也就是注重对调节级汽温的控制，将调节级蒸汽温升率作为控制高压胀差的重要指标。
参考文献
[1]马宏革, 张文. 服役环境对发电厂汽轮机用钢力学性能及组织的影响[J]. 铸造技术, 2017(2):315-317.
[2]郑观文, 杨苑霖, 曹顺安. 某电厂3号汽轮机的结垢原因及防范对策[J]. 腐蚀与防护, 2016, 37(12):1015-1017.
[3]李猛, 郭勇, 马骏,等. 应用遗传算法的汽轮机转子启动优化[J]. 西安交通大学学报, 2018(1).
[4]王世勇, 徐乔, 严庆云,等. 某核电厂汽轮机组功率偏低原因分析[J]. 汽轮机技术, 2017, 59(3):196-198.
论文作者:沈启华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
标签：汽轮机论文; 转子论文; 电厂论文; 热应力论文; 蒸汽论文; 高压论文; 阶段论文; 《电力设备》2018年第22期论文;