溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

汽輪機(jī)啟停和帶負(fù)荷過程中的熱應(yīng)力是造成汽輪機(jī)疲勞破壞的主要因素，如果啟動(dòng)過程控制不好，將影響汽輪機(jī)的使用壽命，甚至損壞設(shè)備。因此，加強(qiáng)機(jī)組啟停和變工況下轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的監(jiān)視和控制，可以有效延長汽輪機(jī)的使用壽命。本文中的某聯(lián)合循環(huán)電廠通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配功能和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力計(jì)算模塊在啟動(dòng)過程中的協(xié)調(diào)控制，在啟動(dòng)過程中實(shí)時(shí)控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度，使主蒸汽溫度和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算模塊輸出的最高允許蒸汽溫度限值相匹配，有效控制了汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，進(jìn)而延長設(shè)備壽命。

1 主蒸汽溫度對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)的影響

汽輪機(jī)在啟動(dòng)暖機(jī)過程中，主蒸汽溫度過高容易造成主蒸汽管道、自動(dòng)主汽閥、調(diào)速汽閥、汽缸和調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽室等高溫金屬部件的機(jī)械強(qiáng)度降低，蠕變速度加快。汽缸、汽閥、高壓軸封緊固件等易發(fā)生松弛，導(dǎo)致設(shè)備損壞或使用壽命縮短。若溫度的變化幅度大、次數(shù)頻繁，這些高溫部件會(huì)因交變熱應(yīng)力而疲勞損傷，容易產(chǎn)生裂紋[1]，使得機(jī)組受到損害，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行安全性。因此，主蒸汽溫度穩(wěn)定對(duì)于機(jī)組由冷態(tài)平穩(wěn)過渡至溫?zé)釕B(tài),以及帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行有著決定性的作用。

2 燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配原理

燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配功能是通過改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(IGV)開度或者燃料量，將燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制到某一定值，使主蒸汽溫度滿足汽輪機(jī)啟動(dòng)要求。溫度匹配功能的投入最終保證余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽經(jīng)過主汽門后溫度符合汽輪機(jī)啟動(dòng)參數(shù)要求，從而保證汽缸進(jìn)汽后缸壁均勻受熱，降低熱應(yīng)力沖擊，為汽輪機(jī)進(jìn)一步增高負(fù)荷做準(zhǔn)備[2]。

6F.03燃?xì)廨啓C(jī)MARK VIe控制系統(tǒng)中，溫度匹配投入的負(fù)荷范圍為5%～50%額定負(fù)荷，通過以下兩種基本方式來實(shí)現(xiàn)：

(1) IGV 在最小全速開度與最大開度之間時(shí)，通過固定負(fù)荷、改變壓氣機(jī)的進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉開度來調(diào)整空氣進(jìn)氣量，進(jìn)而改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)排氣溫度。

(2) 在IGV 角度已經(jīng)是最小全速開度時(shí)，通過增加燃?xì)廨啓C(jī)燃料量增加負(fù)荷來提高燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度，使得IGV 角度能夠高于最小全速開度，進(jìn)入上述(1)利用IGV 開度來實(shí)現(xiàn)排氣溫度控制。如果轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)TNR 高于閥值且IGV 角度在最小全速開度時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度已經(jīng)進(jìn)入溫控，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)將會(huì)停止增加燃料約兩分鐘，并增加IGV 角度，使得機(jī)組能夠繼續(xù)增加負(fù)荷。

以往投用溫度匹配的6F.03機(jī)組聯(lián)合循環(huán)電站多基于汽輪機(jī)高壓缸第一級(jí)金屬溫度，根據(jù)汽輪機(jī)實(shí)際情況進(jìn)行修改燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度設(shè)定值作為燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配的控制值。本項(xiàng)目的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)配有熱應(yīng)力分析模塊，該模塊在啟動(dòng)過程中會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算出一個(gè)主蒸汽溫度需求值作為主蒸汽溫度設(shè)定值，并通過燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)溫度匹配功能控制排煙溫度,使主蒸汽溫度和汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度要求值相匹配，減少了運(yùn)行人員操作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)平穩(wěn)啟動(dòng)。

3 溫度匹配應(yīng)用情況

國外某聯(lián)合循環(huán)電廠配置兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、兩臺(tái)余熱鍋爐和一臺(tái)汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)采用的是GE公司的6F.03機(jī)組，該機(jī)組的壓氣機(jī)為18級(jí)軸流式，額定轉(zhuǎn)速5 235 r/min,壓比15.8，出力達(dá)到了87 MW，排氣溫度最高可達(dá)655 ℃， 燃?xì)廨啓C(jī)自身效率為36%。汽輪機(jī)采用BHGE公司87 MW、單缸、反動(dòng)式、凝汽式雙壓汽輪機(jī)，高壓蒸汽溫度562 ℃。余熱鍋爐采用的是國產(chǎn)臥式雙壓自然循環(huán)鍋爐，高壓主蒸汽溫度565 ℃。

6F.03燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)過程中排氣溫度變化較大，如圖1所示。

圖1 未投溫度匹配功能時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度變化

轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)TNR的值在100.4 %～102 %之間時(shí)，排氣溫度最高值可以達(dá)到653 ℃，最低值為330.55 ℃，見表1。

表1 未投溫度匹配功能部分參數(shù)運(yùn)行值(參照?qǐng)D1)

本電廠燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制基本策略是通過燃?xì)廨啓C(jī)人機(jī)界面HMI投入溫度匹配功能，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)主蒸汽溫度設(shè)定值調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)燃料量或壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣溫度及溫度升降速率的控制。

4 溫度匹配控制邏輯

6F.03燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的整個(gè)溫度匹配控制邏輯如圖2所示。其中：TTRXTM_CMD 為主蒸汽溫度設(shè)定值；TTRTMR_CMD 為溫度匹配調(diào)節(jié)過程溫度變化率，它受到鍋爐汽包溫升率限制；TTRXTMR 為燃?xì)廨啓C(jī)IGV開度控制指令；L3TMTXC 為燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配投入信號(hào)。

圖2 整個(gè)溫度匹配控制邏輯

L83TMSEL表示溫度匹配的啟動(dòng)條件，須要同時(shí)滿足6個(gè)條件[3]：(1) 用戶已經(jīng)按下溫度匹配“On”按鈕；(2) 轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)TNR低于閥值TNKTMH(102 %)；(3) 轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)TNR 高于閥值TNKTML(100.4 %)；(4) 機(jī)組并網(wǎng)；(5) 主蒸汽溫度設(shè)定值沒有超過溫控的最大允許值；(6) 轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)TNR 在IGV 溫度匹配范圍內(nèi)。

L3TMTXC 表示溫度匹配投入信號(hào)，須要同時(shí)滿足3個(gè)條件：(1)溫度匹配啟動(dòng)條件L83TMSEL 信號(hào)為1；(2)IGV 角度已經(jīng)在最小全速角度41.50°；(3)溫度匹配設(shè)定值沒有超過溫控的最大允許值。

5 溫度匹配實(shí)現(xiàn)過程

溫度匹配功能的投入/退出由DCS 和燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面HMI 進(jìn)行手動(dòng)投入/切除按鈕共同完成，但是主蒸汽溫度設(shè)定值和主蒸汽溫度變化率均由DCS側(cè)產(chǎn)生。主蒸汽溫度設(shè)定值取自汽輪機(jī)控制系統(tǒng)(TCS)輸出的主蒸汽溫度要求值(Treq)。

5.1 主蒸汽溫度要求值

主蒸汽溫度要求值由TCS根據(jù)當(dāng)前主蒸汽溫度、壓力、汽輪機(jī)高壓缸入口內(nèi)壁金屬溫度等參數(shù)通過熱應(yīng)力計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出來的，它是對(duì)進(jìn)入汽輪機(jī)前主蒸汽溫度變化的要求值。同時(shí)TCS 控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的汽輪機(jī)主要部件溫度場與應(yīng)力場的變化情況，調(diào)整主蒸汽的參數(shù)變化率，使主蒸汽溫度變化與主蒸汽溫度要求值相匹配，使汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到最佳運(yùn)行狀況。在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視汽輪機(jī)熱應(yīng)力參數(shù)變化及主蒸汽溫度要求值，如圖3所示。

圖3 TCS畫面中的熱應(yīng)力監(jiān)視參數(shù)

主蒸汽溫度要求值通過硬接線接入DCS控制系統(tǒng)作為主蒸汽溫度設(shè)定值。

5.2 溫度變化率限制

溫度變化率是DCS綜合余熱鍋爐汽包上下壁溫溫差限制值和金屬溫度變化率限制值所計(jì)算出的主蒸汽溫度變化速率限制，該限制值由DCS實(shí)時(shí)送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，用于控制排氣溫度變化速率。

本項(xiàng)目高壓汽包左右分別設(shè)有汽包上下壁溫測點(diǎn)各一個(gè)，在啟動(dòng)過程中應(yīng)控制上下壁溫溫差不超過25 ℃，同時(shí)監(jiān)測主蒸汽溫度和壓力控制主蒸汽溫升率不超過3.5 ℃/min，如圖4所示。

圖4 主蒸汽溫度變化率限值邏輯

5.3 主蒸汽溫度設(shè)定值

為了保證主蒸汽溫度能夠高于高壓缸進(jìn)氣室金屬溫度，同時(shí)考慮到燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度至汽輪機(jī)入口主蒸汽溫度存在差值，在主蒸汽溫度要求值Treq加上20 ℃作為主蒸汽溫度設(shè)定值TTRXTM_CMD，如式(1)所示，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和主蒸汽溫度匹配，從而減少啟動(dòng)時(shí)間。DCS將從TCS接收到Treq并折算出的排氣溫度設(shè)定值實(shí)時(shí)送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，通過其中的溫度匹配模塊調(diào)節(jié)排氣溫度。

TTRXTM_CMD=Treq+20 ℃

(1)

5.4 燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)接收到DCS送來的排氣溫度設(shè)定值，通過溫度匹配功能調(diào)整IGV開度或調(diào)整燃料量，使其排氣溫度達(dá)到設(shè)定值，從而使主蒸汽溫度滿足汽輪機(jī)運(yùn)行要求的溫度。在整個(gè)溫度匹配的過程中，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)通過接收DCS 系統(tǒng)排氣溫度設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)排氣溫度控制。

5.5 啟動(dòng)過程中溫度匹配投入/退出

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)投入溫度匹配后，IGV角度大于最小開度時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)TNR的值將維持在100.4 %，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)整IGV 角度使燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度與設(shè)定值保持一致；如果IGV 角度處在最小開度時(shí)，通過提高燃料量提高排氣溫度。DCS 按照汽輪機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動(dòng)主蒸汽參數(shù)要求，利用高壓主汽旁路閥調(diào)節(jié)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前主蒸汽壓力。當(dāng)主蒸汽溫度按照Treq的基準(zhǔn)升到冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的主蒸汽溫度值，汽輪機(jī)可以進(jìn)行沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)操作。高壓旁路的主蒸汽壓力設(shè)定值自動(dòng)跟隨冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)壓力啟動(dòng)曲線進(jìn)行改變，當(dāng)主蒸汽溫度達(dá)到額定參數(shù)時(shí)，在燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)HMI 畫面手動(dòng)退出燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配功能。燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)負(fù)荷進(jìn)入機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)控制模式，直到機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行。圖5為機(jī)組某次啟動(dòng)投入溫度匹配相關(guān)參數(shù)曲線圖。

圖5 機(jī)組某次啟動(dòng)投入溫度匹配相關(guān)參數(shù)曲線圖

6 意義

機(jī)組的平穩(wěn)啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于機(jī)組設(shè)備安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，主蒸汽溫度、壓力的控制對(duì)于汽輪機(jī)平穩(wěn)快速的啟動(dòng)尤為突出，尤其在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，把握好主蒸汽溫度和壓力，對(duì)于機(jī)組平穩(wěn)過渡至溫?zé)釕B(tài)，以及帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行有著決定性的作用。通過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析計(jì)算出主蒸汽溫度限制，可以優(yōu)化汽輪機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，減少啟動(dòng)過程中的人為干預(yù)可能導(dǎo)致的判斷失誤或誤操作。充分利用燃?xì)廨啓C(jī)溫度匹配功能，協(xié)調(diào)燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐匹配汽輪機(jī)蒸汽運(yùn)行參數(shù)要求，滿足汽輪機(jī)的啟動(dòng)和帶負(fù)荷參數(shù)要求，保證機(jī)組平穩(wěn)啟動(dòng)具有重要意義。