理論與實踐：西門子1000MW汽輪機快速冷卻系統(tǒng)應(yīng)用與分析
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作者：張毅
隨著汽輪發(fā)電機組容量的增大和優(yōu)質(zhì)保溫材料的采用，汽缸的保溫性能得到了很大的改善．提高了機組運行時的熱效率和安全性。汽輪機打閘后，由于汽缸散熱條件差、熱容量大．溫度下降非常緩慢，在自然冷卻情況下，會大大延誤檢修工期�，F(xiàn)在各電廠大多采用滑參數(shù)停機來降低停機時的汽缸溫度水平。為防止降參數(shù)減負荷期間爐側(cè)受熱面內(nèi)部氧化皮脫落現(xiàn)象發(fā)生．同時為避免低負荷工況下燃燒不穩(wěn)定帶來的安全隱患，一般滑停期間溫降速率及滑停深度均有嚴(yán)格要求。華能玉環(huán)電廠綜合考慮各種因素，目前控制汽輪機打閘前轉(zhuǎn)子溫度最低降至380℃左右。在此溫度下盤車是無法立即停運的，停機后采用快速冷卻（快冷）方式加速汽輪機冷卻，對縮短停機后的等待時間十分有效，，目前常見的快速冷卻方法主要有以下幾種：
(1)蒸汽冷卻法：使用低壓低溫蒸汽對汽輪機內(nèi)部進行冷卻，為避免蒸汽凝結(jié)，需保證一定的過熱度，該方法鍋爐操作難度相對較大，且很難將轉(zhuǎn)子溫度降至120℃以內(nèi)。
(2)加熱壓縮空氣冷卻法：將壓縮空氣凈化加熱后通入汽輪機進行強迫冷卻．該方法能在轉(zhuǎn)子溫度水平較高時就投入快冷，但需配備專用的空氣凈化和加熱設(shè)備，且附屬的管道接線較為復(fù)雜．涉及系統(tǒng)多，運行操作難度大，快冷過程巾存在較大的安全隱患。
(3)爐側(cè)抽空氣冷卻法：機組停機泄壓放水后維持機組真空，空氣從大氣擴容器排氣口引入，通過鍋爐汽水分離器儲水箱進入鍋爐過熱器管屏被加熱．然后通過高中壓調(diào)門進入汽輪機進行冷卻。該方法可有效減小汽輪機快冷初期熱沖擊現(xiàn)象，同時能同步進行爐側(cè)除濕保養(yǎng)。但存在的負面影響有：①快冷期間爐側(cè)受熱面檢修工作無法正常進行；②由于溫差小，溫降速率有限，快冷耗時較長；③對停爐后受熱面氧化皮脫落存在未知影響：④汽水管道內(nèi)的異物可能會帶入汽輪機。
(4)快冷接口抽空氣法：西門子1 000 MW汽輪機在高中壓主汽門與調(diào)門之間均裝有快冷接口。汽輪機打閘后，可通過抽真空將冷空氣從快冷接口吸入高中壓缸通過順流方式對缸體及轉(zhuǎn)子進行快速冷卻。為避免冷空氣對高溫部位造成過大的熱沖擊，該方法在停機后需等到轉(zhuǎn)子自然冷卻到320 cC左右才可進行快冷工作。該快冷系統(tǒng)相對簡單，只需安裝完快冷接口，保持真空系統(tǒng)運行，快冷期間只需操作高中壓調(diào)門開度即可。由于停機后自然冷卻期間，爐側(cè)泄壓放水工作可以同步進行，實際該方式下快冷開始時間與爐側(cè)抽真空基本同步，由于冷卻介質(zhì)溫度較低，冷卻速率能得到有效保證，同時由于西門子1 000 MW汽輪機高中壓調(diào)門良好的操作特性，快冷全程轉(zhuǎn)子溫降曲線能保持優(yōu)良的平滑特性，因此安全性與經(jīng)濟性都可得到有效保證。
1 汽輪機快冷實現(xiàn)過程
1.1 高壓缸冷卻
高壓缸的冷卻流程如圖1所示。冷卻過程中進入高壓缸的冷空氣包括快冷接口進氣、1號瓦及2號瓦處軸封吸氣。如圖1中l(wèi)號瓦處軸封吸氣直接進入高壓缸排汽側(cè)，冷卻作用不大：2號瓦為高壓缸進汽側(cè)軸封（軸封活塞），該處軸封間隙最小，吸氣量相對較少，對缸體及轉(zhuǎn)子的冷卻效果也有限。
1.2中壓缸冷卻
中壓缸的冷卻流程如圖2所示。中壓缸內(nèi)缸外表面包圍在中壓排汽中，冷空氣經(jīng)中壓調(diào)節(jié)門進入轉(zhuǎn)子動靜通道，從末級葉片出來后經(jīng)內(nèi)缸外表面進入排汽側(cè)。由于內(nèi)缸的內(nèi)外表面都有冷空氣通過，這種設(shè)計會導(dǎo)致快冷過程中壓內(nèi)缸溫度比中壓轉(zhuǎn)子低，只要內(nèi)缸與轉(zhuǎn)子平均溫度的差值不超過允許值．則內(nèi)缸與轉(zhuǎn)子的徑向間隙就不會影響快冷的進行。
汽輪機高中壓缸冷卻過程中冷卻空氣均采取順流方式布置，順流冷卻時壓縮空氣自高溫區(qū)引入，相對逆流布置引起熱沖擊可能性要大。因順流冷卻采取的是全周進汽．進汽段有金屬溫度測點可供監(jiān)控，較逆流冷卻時溫度控制更準(zhǔn)確直觀。
2 關(guān)于汽輪機快冷的幾點說明
2.1 快冷溫度監(jiān)視點
最終停盤車的時間實際是由轉(zhuǎn)子溫度來決定的，因此快冷過程中需要監(jiān)視轉(zhuǎn)子的溫度。由于測量機制的問題．西門子1 000 MW汽輪機實際并無轉(zhuǎn)子溫度測點，所看到的轉(zhuǎn)子溫度，實際是通過內(nèi)缸進汽部分溫度測點通過模擬計算得來的。因此冷卻過程巾，應(yīng)以此點溫度作為參考。即高壓內(nèi)缸進汽部分的測點10MAA50CT011（以下以θHP表示）、 中壓內(nèi)缸進汽部分的測點10MAB50CT011（以下以eIP表示），高壓缸溫度測點布置如圖3所示。
2.2快冷過程溫降速率限制
根據(jù)兩門子1 000 MW汽輪機快冷說明書規(guī)定，要求高壓部分冷卻速率≯7℃/h(以θHP溫降率為監(jiān)測點)，中壓部分冷卻速率≯10 ℃/h。快冷期間只要溫降速率在此范圍內(nèi)，汽輪機各部件應(yīng)是足夠安全的，對于電廠而言，為了保證足夠的安全裕度，一般控制高中壓部分溫降速率均≯5 ℃/h。
2.3快冷起始及結(jié)束點規(guī)定
一般在采取滑參數(shù)停機方式下，汽輪機打閘時，高壓轉(zhuǎn)子平均溫度可降到370～380℃。實際在這個時刻，是無法立刻進行快冷操作的．其主要原因在于：(1)主蒸汽壓力較高，快冷接口安裝條件不具備，同時安裝接口需要足夠時間；(2)轉(zhuǎn)子溫度過高，一旦通入冷空氣，調(diào)門開度即使接近0．轉(zhuǎn)子溫降速率也有可能超限。因此在汽輪機打閘后．需要自然冷卻一段時間使內(nèi)缸進汽部分降至快冷要求的合理溫度范圍。一般來說，要求θHP≤320℃。根據(jù)實際操作經(jīng)驗，在此溫度下進行快冷．主調(diào)門初始開度仍需控制在1%以內(nèi)，可見該溫度點不宜更高。此處默認(rèn)的環(huán)境溫度為20℃左右，兇此在不同的季節(jié)進行快冷時，應(yīng)注意控制快冷開始時θHP與環(huán)境溫度之差不大于300℃．即冬季應(yīng)適當(dāng)降低快冷開始溫度。
對于快冷結(jié)束時間，一般要求轉(zhuǎn)子平均溫度降至100℃。由于高壓內(nèi)缸溫度測點布置在內(nèi)缸進汽口附近（見圖3），該區(qū)域由于最先接觸冷空氣，故冷卻速率較快，實際冷卻過程中可以發(fā)現(xiàn)，θHP變化與轉(zhuǎn)子溫度（模擬溫度）變化基本一致，而上下缸溫度（布置在補汽口附近，外缸溫度）則下降較慢．一旦快冷結(jié)束，由于外缸溫度相對較高，在傳熱作用下，內(nèi)缸及轉(zhuǎn)子會上升25℃左右，上升幅度與之前冷卻速率有關(guān)，冷卻速率越快，上下缸溫度與內(nèi)缸溫度偏差就越大，溫度反彈就越多。因此從安全角度考慮，建議將整個缸體最高點溫度（一般為上缸溫度）降至120℃以內(nèi)，內(nèi)缸進汽點溫度降至70℃以內(nèi)。這樣快冷結(jié)束后，內(nèi)缸及轉(zhuǎn)子溫度反彈后最大也不會超過100℃。中壓部分由于冷卻速率較快，且受限范圍也較寬，實際整個快冷過程中，受限的基本都是高壓部分，中壓部分基本可以不用考慮�？炖淙谈诇丶稗D(zhuǎn)子溫度變化如圖4所示。
2.4快冷時間分析
2.4.1 自然冷卻時間分析
根據(jù)歷次停機后自然冷卻階段統(tǒng)計，轉(zhuǎn)子平均溫度從370℃自然冷卻到320℃，耗時在24~40 ho若冷卻到300℃，耗時在48～60 h。影響自然冷卻階段耗時的主要因素有：(1)滑停深度，汽輪機打閘時，轉(zhuǎn)子平均溫度越低，后期自然冷卻耗時越短(370℃到320℃階段耗時)。(2)是否抽真空．由于主汽門和調(diào)門不可避免地存在一定的內(nèi)漏情況．汽輪機打閘后，由于爐側(cè)仍有壓力，在抽真空同時疏水門開啟的情況下，高壓轉(zhuǎn)子平均溫降速率比破壞真空時約快0.5 cC/h。(3)環(huán)境溫度及高壓缸表面保溫程度。
總體來說，在冬季環(huán)境下，若汽輪機打閘前轉(zhuǎn)子平均溫度已降至380℃(此時θHP大約在360aC)．打閘后保持真空系統(tǒng)運行，則轉(zhuǎn)子平均溫度從370 0C降至320 0C,預(yù)計最短耗時在24 h。華能玉環(huán)電廠2011- 2013年汽輪機快冷耗時統(tǒng)計如表1所列。
2.4.2快冷全程耗時分析
設(shè)汽輪機打閘時θHP=370℃，θHP=320℃時投運快冷系統(tǒng)．OHP=70℃時停運快冷。自然冷卻階段，由于爐側(cè)悶爐需求，正常停爐至主蒸汽壓力降至1MPa帶壓放水，一般超過24 h，在放水開始后．才可以進行快冷接口安裝工作(該階段需要破壞真空)．考慮到快冷接口安裝時間及快冷系統(tǒng)投用時間．預(yù)計全程最短可控制在30 h以內(nèi)（該時間與θHP溫降耗時需求一致）。由于過快的溫降速率會造成高壓缸內(nèi)外缸溫差過大，為保證足夠的安全裕度，建議溫降速率控制在5℃／h，則快冷階段最短需要50 h。實際根據(jù)多次快冷過程來看．全程5 0C/h的速率很難保證，尤其是到了后期．由于缸和轉(zhuǎn)子整體溫度水平已較低，有時在3臺真空泵全啟，主調(diào)門全開的情況下，溫度下降速率甚至低于3℃／h。由此可見，最終耗時應(yīng)更長，根據(jù)表1也可看出，一般全程耗時需100 h左右。那么如何通過優(yōu)化控制，進一步提高快冷平均速率，使最終全程耗時接近80 h，下面根據(jù)具體操作過程進一步分析。
3快冷操作過程分析
根據(jù)真空泵運行臺數(shù)，可將快冷過程分為第1階段與第2階段（見表2）。在快冷第1階段，由于轉(zhuǎn)子及缸體溫度較高，高溫部位與冷空氣有較大溫差，因此該階段全程可以保證θHP溫降速率達到5℃／h。在第1階段初期．由于溫差最大．需嚴(yán)格控制調(diào)門開度，避免θHP溫降速率超限。若1臺真空泵運行無法保證快冷全程溫降速率達到5℃／h，可視情況啟動第2臺真空泵進入快冷第2階段。直至θHP降至70℃以內(nèi)結(jié)束快冷停運盤車。由于各臺機組軸封間隙不同．環(huán)境溫度及保溫程度不同等各種原因，第2臺真空泵的啟動時機需視實際快冷進度來定。
3.1 自然冷卻階段
(1)轉(zhuǎn)子平均溫度滑至380℃（此時θHP≈360℃，由于汽輪機打閘初期θHP波動較大．建
議此時參考轉(zhuǎn)子平均溫度）時打閘停機，汽輪機打閘后保持真空系統(tǒng)運行。
(2)如果條件允許，保持真空系統(tǒng)運行直至eHP=320℃，停運真空系統(tǒng)及軸封系統(tǒng)．關(guān)閉相應(yīng)疏水門，聯(lián)系檢修安裝快冷接口。預(yù)計4h完成。
3.2快冷第1階段（單臺真空泵運行）
(1)首先保證各輔助系統(tǒng)狀態(tài)正常，快冷條件具備。關(guān)閉真空破壞閥．關(guān)閉軸封排汽閥f為了避免高壓缸端部汽封的非預(yù)見性的過冷），啟動1臺真空泵。開啟高壓缸本體疏水門、一段抽汽逆止門前氣動疏水門、高壓排汽逆止門前氣動疏水門及中壓部分疏水閥。
(2)待真空穩(wěn)定后，投入快冷SLC，檢查確認(rèn)高壓缸排汽通風(fēng)閥開肩正常，手動開啟高中壓調(diào)門，注意首次開啟幅度不宜過大．建議開至0.5%（各機組南于閥門特性不一致．具體開啟幅度根據(jù)機組情況而定，但均建議初次開啟幅度應(yīng)小于1%)，保持10 min.觀察溫度變化，若溫度下降幅度低于0.5℃，可繼續(xù)開大0.1%．若下降幅度超過1℃，則關(guān)小0.1%．在快冷初期．建議每10 min觀察一次溫度變化情況，并適當(dāng)進行調(diào)整．同時關(guān)注30 min、1 h溫度變化曲線，逐步將溫度下降速率控制在5 0C/h。
(3)根據(jù)溫度下降速率變化情況，逐步開大高中調(diào)門，直至高調(diào)門開足。對于高調(diào)門，在1%開度以下，建議每次變化幅度為0.1%：調(diào)門開度在1%～5%，建議控制變化幅度不超過當(dāng)前開度的10%：大于5%后，建議控制變化幅度不超過當(dāng)前開度的20%,每次開大調(diào)門后均需觀察10 min,發(fā)現(xiàn)溫降速率超限后及時調(diào)整。對于中調(diào)門．前期操作基本與高調(diào)門同步．一般由于中壓缸及中壓轉(zhuǎn)子冷卻速度較快．巾調(diào)門開度全程可控制在5%以內(nèi)。在冷卻前期，建議適當(dāng)放大中壓轉(zhuǎn)子冷卻速率．這樣在后期可適當(dāng)關(guān)小中調(diào)門（甚至可以考慮直接關(guān)到0)．使凝汽器可以維持較高的真空度，這樣有利于維持末期高壓轉(zhuǎn)子的冷卻速率。
3.3快冷第2階段，2臺真空泵運行
(1)當(dāng)高調(diào)門開足后，若內(nèi)缸溫度下降速率低于5C/h．應(yīng)及時啟動第2臺真空泵。此時應(yīng)注意，在同樣調(diào)門開度下，啟動第2臺真空泵后初期溫降速率會上升1倍以上，岡此真空泵啟動后應(yīng)及時關(guān)小高調(diào)門，建議逐步關(guān)至10%,之后根據(jù)溫降速率情況考慮關(guān)小還是開大．啟動第2臺真空泵后的高調(diào)門開度及內(nèi)缸溫度如圖5所示。
(2)根據(jù)溫度變化情況，逐步開大高調(diào)門至開足．維持溫降速率在5℃/h,直至θHP=70℃停運快冷系統(tǒng)。
4汽輪機快冷末期溫降速率大幅下降原因
一般來說．1臺或2臺真空泵運行．理論上可滿足快冷全程溫降速率要求.根據(jù)華能玉環(huán)電廠多次快冷經(jīng)歷，在快冷末期（120～70℃階段）θHP溫降速率往往低于3℃／h，且各臺機組在快冷末期溫降速率差距較大，部分情況下即使3臺真空泵全啟動，高調(diào)門開足，中調(diào)門關(guān)閉，溫降速率甚至仍低于1℃／h。當(dāng)溫度水平一致，操作手法相同的情況下，溫降速率應(yīng)基本一致。造成快冷末期溫降速率大幅下降且不一致的原因是：在缸體及轉(zhuǎn)子溫度、環(huán)境溫度差別不大的情況下，筆者認(rèn)為空氣通流量差別是造成冷卻速率不一致的主要原因，根據(jù)前面分析．1號瓦及2號瓦軸封吸氣即使有差別，其對快冷的影響效果也很小。
如圖6所示：快冷接口內(nèi)徑為60 mm，入口處為“V”形濾網(wǎng)，濾網(wǎng)網(wǎng)眼直徑小于lmm。一般來說，空氣中粉塵直徑大多小于1mm.但在機組檢修期間．汽輪機房內(nèi)整體粉塵含量較大，特別是設(shè)備保溫拆除后，空氣中有大量細小的保溫棉顆粒．這類物體直徑很小，但其長度往往大于1mm，且一旦堆積，容易纏繞在一起。
在快冷末期．若3臺真空泵啟動，則在快冷接口入口濾網(wǎng)附近會產(chǎn)生較大真空度，大量攜帶粉塵的空氣進入濾網(wǎng)內(nèi)部，部分長條形粉塵極有可能在入口濾網(wǎng)堆積直至堵塞濾網(wǎng)，造成通流量大幅下降。鑒于此．2013年4月1號機組快冷期間．當(dāng)筆者發(fā)現(xiàn)快冷末期溫降速率大幅下降后特別對快冷接口進行了仔細檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)堵塞情況驚人，如圖7所示。
筆者對濾網(wǎng)進行了簡單清理，汽輪機進氣量大幅上升．溫降速率亦上升明顯，在快冷末期(θHP<100℃)，溫降速率再一次達到甚至超過
5 ℃/h,如圖8所示。
根據(jù)以上案例分析，筆者認(rèn)為該快冷接口設(shè)計存在缺陷，值得優(yōu)化改進，建議改造如下：在原快冷接口前再增加一層平面濾網(wǎng)，該濾網(wǎng)網(wǎng)眼直徑與原“V”形濾網(wǎng)保持一致，同時平面濾網(wǎng)應(yīng)具備在線拆卸清理功能（見圖6濾網(wǎng)改造部分）。
5 1000 MW汽輪機快冷操作建議
(1)汽輪機打閘后，自然冷卻期間，應(yīng)保持真空系統(tǒng)運行，與全程破壞真空相比，節(jié)約自然冷卻時間超過5h。這樣在滑參數(shù)停機工況下，可有效控制汽輪機打閘到快冷投運耗時不超過30 h。
(2)快冷期間應(yīng)嚴(yán)格控制溫降速率在最大允許溫降速率之內(nèi)，安排專人負責(zé)監(jiān)視及控制快冷進度。正常按5 ℃/h溫降率控制，同時應(yīng)控制每10 min溫度下降不大于1℃，發(fā)現(xiàn)溫降速率過快或溫差較大時，及時關(guān)小調(diào)門甚至停運快冷。
(3)啟動備用真空泵后應(yīng)及時關(guān)小調(diào)門，防止凝汽器真空度上升后，溫降速率大幅超限。
(4)前期控制中壓部分溫降速率不低于高壓部分，保證中壓內(nèi)缸溫度低于高壓內(nèi)缸溫度30℃左右．待2臺真空泵啟動，高調(diào)門全開后，適當(dāng)關(guān)小中調(diào)門，通過關(guān)中調(diào)門來增加凝汽器真空度，提高高壓部分冷卻速率，延緩或避免啟動第3臺真空泵。中調(diào)門開度可關(guān)至1%以內(nèi)，必要的話可關(guān)到0（若中壓部分溫度已滿足盤車停運條件）。
(5)在濾網(wǎng)完成改造后，快冷過程中，當(dāng)啟動2臺真空泵且調(diào)門開足后，需每隔th對濾網(wǎng)進行檢查．發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)堵塞較嚴(yán)重時及時清理，清理過程中應(yīng)密切監(jiān)視溫降率變化，發(fā)現(xiàn)溫降率上升時應(yīng)及時關(guān)小調(diào)門。
6結(jié)語
本文根據(jù)具體的快冷案例，對汽輪機快冷操作流程及快冷過程中存在的問題進行分析總結(jié)．目的在于優(yōu)化快冷操作流程，在保證安全的前提下，縮短快冷時間，節(jié)約機組檢修工期。
(1) θHP在320～300℃時，可開始快冷（考慮環(huán)境溫度差別），當(dāng)θHP≤70℃時，可停運快冷。
快冷停運后．θHP及轉(zhuǎn)子溫度均會小幅反彈．但反彈后最大值不會超過100℃。
(2)整個快冷期間（320～70℃），在濾網(wǎng)不堵塞的情況下，θHP在100℃以上時，可實現(xiàn)全程5 ℃/h的溫降率（實際可以更快，但為保證足夠安全裕度，不建議控制溫降速率大于6℃／h）：0 HP在100～70℃期間．全階段實現(xiàn)平均4℃/h的溫降率。綜上，若不限制內(nèi)外缸溫差，則全程可控制在83 h以內(nèi)（包括30 h左右的自然冷卻時間）。
(3)在內(nèi)缸及轉(zhuǎn)子溫降速率可以保證情況下，限制快冷速率的主要因素為內(nèi)外缸溫差�；诎踩嵌瓤紤]，目前一般控制內(nèi)外缸溫差不大于80℃。由于外缸溫降速率后期一般在3 ℃/h左右，則一旦內(nèi)外缸溫差達到限值時，內(nèi)缸溫降速率就必須控制在3 0C/h以內(nèi)。在此限制下，最終快冷全程可控制在88 h以內(nèi)。
(4)在2臺真空泵啟動后，由于高壓缸內(nèi)部存在較高的負壓，快冷入口濾網(wǎng)極易發(fā)生不同程度的堵塞情況，入口濾網(wǎng)堵塞會造成快冷后期轉(zhuǎn)子溫降速率大幅下降。
7摘要：汽輪機打閘后需要盤車運行一段時間，如果盤車運行時間長將使檢修工期延長，同時也會增加相關(guān)系統(tǒng)運行成本。為縮短檢修工期，并兼顧節(jié)能降耗，在機組停運后一般均采用汽輪機快速冷卻（簡稱“快冷”）方式來加速內(nèi)部部件冷卻速率，減少盤車運行時間。從汽輪機打閘到盤車停運，在自然冷卻情況下，需要12～15天：采取快速冷卻方式后，耗時一般少于5天，因此可至少提前l(fā)周停運盤車。根據(jù)西門子1 000MW汽輪機典型快冷案例0000000操作流程及過程中存在的問題進行闡述和分析，總結(jié)了具有一定參考價值的操作流程及控制手段。
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