上汽新型高效超临界350MW汽轮机冷态启动运行控制策略

中煤平朔安太堡热电有限责任公司 郭启存

近年来，火力发电厂节能减排和环保压力逐年增大，人们对燃煤火力发电机组的提效减排提出了越来越高的的要求，超临界350MW 机组因容量小、调整灵活、功能性强，在热电联产项目广泛应用，逐渐成为城市采暖供热、供汽的主力机型之一。上海汽轮机厂为响应市场对超临界350MW 等级高性能供热抽汽汽轮机的要求，引进了西门子技术和平台，凭借在超临界汽轮机改造方面积累的丰富经验，研发了新型高效超临界350MW 机型，上汽厂编号H159。该机型结构先进、热耗低，采用了“一键启停”技术，操作简单。但是也遇到了冷态启动时间过长的问题。

建投遵化热电2×350MW 抽汽供热机组汽轮机采用上海汽轮机厂制造的C350-24.2/0.4/566/566型超临界中间再热抽汽凝汽式、单轴、一次中间再热、两缸两排汽、凝汽式（可抽汽）汽轮机，在调试及运营初期的冷态启动过程中，遇到了暖阀和暖机时间过长的问题，暖阀需时4小时，定速600rpm暖机时间长达8小时，直接影响了机组冷态启动成本，同时因低速暖机时间过长、汽缸进汽量少、进汽不均，造成汽缸加热不均，引发汽轮机振动大的问题。针对该问题，运行人员进行了大量的探索试验，制订了一系列运行调整措施，最终控制机组冷态启动暖阀和暖机时间在6小时以内，大幅缓解了因暖机时间长带来的问题。

本文介绍了上汽新型高效超临界350MW 汽轮机主要结构和设计特点，分析了汽轮机冷态启动时间过长的原因，提出了启动过程中各阶段运行控制策略，总结了汽轮机自动化启动过程中热应力控制特点及缩短启动时间措施和方法，对国内同类型机组的冷态启动运行操作控制具有一定的借鉴和参考意义。

1 新型超临界350MW 汽轮机主要结构和设计特点

1.1 通流部分

该新型H159机型采用了整体通流叶片技术（AIBT)设计平台，对高中压、低压通流进行了整体优化设计。高中压合缸，采用整体内、外缸，通流反流布置，将高压内缸、高压持环、中压内缸、中压持环整合为整体内缸，结构简洁，能够有效避免内缸和持环之间相互漏汽的现象[1]。

高压缸设置调节级，高压进汽方式为喷嘴加节流调节，高压通流部分由1级单列调节级和14级压力级所组成。中压通流部分共有14级压力级，中压缸第11级后出来的一部分蒸汽经过#4抽汽插管抽汽至除氧器及给水泵汽轮机，同时还提供一定量的厂用蒸汽。高中压缸的下部设有1个5段抽汽口，其抽汽至#5低加，同时提供蒸汽至热网。低压缸采用双流设计，共2×7级，末级叶片长915mm。高中压模块厂内总装后整体发运，减少了现场安装误差[2]。

1.2 轴系

汽轮机整个轴系为“N+1”单支点支撑，即由2根转子、3个支承轴承组成。汽轮机由高中压转子和低压转子组成。汽轮机转子为单支撑型式，高中压转子和低压转子均为无中心孔整锻转子，通过联轴器直接相连。

1.3 DEH 控制系统

该汽轮机DEH 系统采用了上汽超超临界机组的DEH 控制系统，通过透平应力控制器（TSE）对汽轮机的高中压转子、高中压进汽阀体和汽缸等部件的热应力进行监视和评估，来控制汽轮机的启停和变负荷。通过汽轮机SGC 主顺控来自动完成汽轮机的暖阀、冲转、低速暖机、升速至额定转速和并网的整个启动过程[3]，汽轮机的自动启动系列程序一共需要35步实现，其中第11步的开启调门前的锅炉蒸汽品质确认需要运行人员手动确定，第27步的低速暖机结束后的升速至额定转速需要运行人员手动释放。

2 新型H159机型冷态启动暖机时间长的原因分析

汽轮机运行模式的改变，例如带蒸汽冲转，升速到暖机转速或额定转速，汽轮机的加载程序以蒸汽压力和流量的突变的形式给汽轮机强加载荷，这会使热传递增加[4]。在现有的运行条件下，是否允许改变汽轮机的运行状态，需要一个判断标准。因此DEH 系统引入了X、Z 准则用来评估和判断汽轮机是否可以改变目前状态而又不超出预设的热应力限制值。该机型冷态启动时间过长的主要原因为暖机和暖阀时间过长。

2.1 增加X7C 和X7D 准则

新型H159机型增加了X7C 和X7D 准则，是冷态启动暖机时间过长的主要原因。该机型高、中压转子选取的材料为30Cr1Mo1V 钢，因材料的限制，启动X 准则相比上汽超超临界蒸汽轮机增加了X7C 和X7D 准则，这两个准则用于检查和判断汽轮机加速到额定转速前，高、中压转子中心最低温度必须大于转子材料的韧脆转变温度，它对转子暖机时间和转子表面温度提出了限制要求。

X7C 和X7D 准则分别要求高、中压内缸测点温度＞202.5℃和261℃，而该机型高中压转子临界转速区比较多且密集，在700rpm 至2700rpm 之间无合适的转速停留区间用于暖机，只能选择在600rpm进行低速暖机，该转速下汽轮机进汽量很小且不均匀，造成暖机时间过长且易造成暖机不充分。

2.2 Z 准则

新型H159机型在冲转前，为了保证主汽门前蒸汽温度具有足够的过热度，设置了过热度准则（即Z 准则），要求主汽门前蒸汽温度过热度＞30K 且高压主汽门前蒸汽温度＞360℃。高中压主汽门前蒸汽温度紧挨着主汽门门体布置，主汽门前疏水管道设计距离蒸汽温度较远，主汽门前蒸汽温度在暖阀期间温升较慢，是冷态启动暖阀时间过长的主要原因。

Z1准则。打开高压主汽门前的检查θRS＞θSatSt+30（SGC 启动顺控第11步判断）。θSatSt：1号高压主汽门前蒸汽压力1、2、3选中与2号高压主汽门前蒸汽压力1、2、3选中值后再选低值计算的饱和温度；θRS：1、2号高压主汽门前蒸汽温度的最高值。

Z2准则。打开中压主汽门前的检查（过热度准则）。θRS＞θSatSt+30（SGC 启动顺控第11步判断）。θSatSt：1号中压主汽门前蒸汽压力与2号中压主汽门前蒸汽压力选低值计算的饱和温度；θRS：1、2号中压主汽门前蒸汽温度的最高值。

Z3准则。打开高压主汽门前的检查（过热度准则）。θRS＞θSatSt+10（SGC 启动顺控第13步判断），θRS＞θSatSt+30（SGC 启动顺控第20步判断）。θSatSt：1号高压主汽门前蒸汽压力1、2、3选中与#2高压主汽门前蒸汽压力1、2、3选中值后选低值计算的饱和温度；θRS：1、2号高压主汽门前蒸汽温度的最低值。

Z4准则。打开中压主汽门前的检查（过热度准则）。θRS＞θSatSt+10（SGC 启动顺控第13步判断），θRS＞θSatSt+30（SGC 启动顺控第20步判断）。θSatSt：1、2号中压主汽门前蒸汽压力计算的饱和温度；θRS：1、2号中压压主汽门前蒸汽温度的最低值。

为了提高、中压主汽门前的蒸汽温度，SGC 启动顺控系统设置了暖阀程序，通过间隙性开启高压主汽门，蒸汽通过高压主汽门进入高压调门进汽腔室，利用高压主汽门调阀疏水来提高高压主汽门前蒸汽温度，但中压主汽门开启后蒸汽无法进入中压调门阀腔，蒸汽无法通过中压调阀疏水，因此在暖阀顺控中未设置间隙性开启中压主汽门的程序，致使中压主汽门前温度上升缓慢，尤其在SGC 顺控走到20步时，Z4准则难以满足，汽轮机无法进入冲转步骤。

3 缩短冷态启动时间运行控制策略

3.1 尽早投入SGC 顺控，执行暖阀程控缩短冷态启动暖阀时间

锅炉点火后，主蒸汽启压0.2MPa 后，逐步开启高低旁，根据升温升压曲线提高主再热蒸汽参数，此阶段应逐步开大高低旁路，主、再热蒸汽同步升温、升压。锅炉热态冲洗结束蒸汽品质合格后，尽早投入SGC 顺控执行暖阀程控，通过开大高低旁增大蒸汽流量，提高主再热蒸汽温度和压力。

在进行暖阀程控时，提高再热蒸汽压力至0.8MPa 以上，利用再热主汽门门杆漏汽，增大通过再热主汽门前蒸汽量，提高再热主汽门前蒸汽温度温升速率，当两侧再热主汽门前蒸汽温度均达到170℃以上、且汽轮机冲转的其他条件都满足后，降低再热蒸汽压力至0.3至0.2MPa，让Z4准则快速满足，进入冲转程序，达到缩短暖阀时间的目的。

3.2 缩短暖机时间运行控制策略

提前投入轴封，韶关市粤华电力有限公司每次冷态启动提前一天投运轴封系统，在冲转前，汽轮机高、中压缸内缸温度能达到100℃左右[5]，此方法遵化热电也开展了相关试验，可以缩短汽轮机低速暖机时间半小时至1小时，但冲转前过早地向轴封供汽，会出现上、下缸温差增大和胀差正值增大的问题，且该方法在缸温相对较高（100℃左右），效果有限。在停机时间较长、缸温低于60℃以下可采用此方法，但应控制好轴封供汽温度，密切关注盘车工况下缸体各温度，尤其上下缸温差、转子偏心值、转子和汽缸膨胀值等趋势变化。

600rpm 暖机期间投入高低加运行，汽轮机定速600rpm 开始暖机后，尽早投入高低加汽测运行，目的在于增大高中压缸的进汽量。因2号高加抽汽来自再热冷段，2号高加投入抽汽后会造成进入锅炉再热蒸汽减少，再热器蒸汽冷却流量不足，再热器超温，2号高加的投入对于暖机无影响，但可以提高给水温度，对锅炉初期水动力循环有益，可以少投或不投。低速暖机期间投入高低加运行，因抽汽汽量少，抽汽压力低、甚至为负压环境，高低加汽侧水位难以控制，应安排专人密切监视并及时调整，避免高低加水位高造成汽轮机进水事故。

降低汽轮机冲转初、末参数。遵化热电在借鉴同类型机组低速暖机经验的基础上，将低速暖机时的主蒸汽压力由厂家推荐的8.4MPa 降低至3～4MPa，再热蒸汽压力降低至0.25～0.5MPa，提高机组背压至10～15kPa，暖机时间由原来的7～8小时缩短至4～5小时，暖机效果明显。但提高背压期间，应注意低压缸鼓风摩擦效应，密切关注低压缸排汽温度和低压缸隔板温度趋势变化，保证低压缸喷水连续投入。降低汽轮机冲转初、末参数缩短暖机时间是同类型机组普遍采用的方式，也是效果最明显的方法。

执行手动切缸手段，在高压缸温度准则X7C 满足后，手动关闭高压调门，增大中压缸的进汽量，缩短中压缸X7D 准则的满足时间。该机型低速暖机时间太长的主要原因是X7D 准则要求太高（中压内缸测点温度＞261℃），一般高压内缸温度大于200℃后，中压内缸温度测点距离X7D 条件满足仍有60℃温差，而受制于再热蒸汽温度偏低和调门开度较小，中压内缸温度在200℃后上升缓慢，在咨询上汽厂后，X7D 准则由原来的261℃修改为231℃。因此在高压内缸温度满足后，通过手动设定高压调门的阀位限值至0，人为关闭高压缸进汽，以增大中压调门开度、增大中压缸进汽量，缩短X7D 的满足时间。

经过多次冷态启动试验，此方法有一定的效果，但会带来高压缸暖机不充分，高压缸上下缸温差大的问题，低速暖机结束，汽轮机由600rpm 升速至额定转速期间，易造成汽轮机振动增大，冷态启动低速暖机过程中应慎重选择。

4 结语

上汽新型超临界350MW 汽轮机采用了先进的通流设计技术和设计理念，能耗水平相比同类型机组能耗降低约57kJ/(kWh)，采用一键启停技术提高了机组的自动化程度，但在运行期间，遇到了冷态启动暖阀和暖机时间太长的问题，针对该问题的原因进行了详细的分析，并在实际运行中进行了大量的探索性试验，并制订了针对性措施，取得了较好的效果，对于同类型机组的冷态启动操作控制具有一定的参考和借鉴意义。