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S109FA联合循环汽轮机应力的形成及控制

S109FA联合循环汽轮机启动过程热应力的形成及有效控制 林晓亮 (晋江天然气发电有限公司,福建 晋江 362251) 摘要:介绍了S109FA燃气—蒸汽联合循环机组在启动过程中汽轮机热应力的形成及有效控制,从温度匹配的作用、汽轮机进气方法、减温水的配合等方面分析了汽轮机热应力的有效控制 关键词:S109FA燃气—蒸汽联合循环机组;汽轮机;温度匹配;IGV;热应力;减温水;定义,采取措施 引言 晋江S109FA燃气—蒸汽联合循环机组在电力行业中作为调峰机组采用两班制运行。汽轮机在启动过程中,因流经汽轮机各部件蒸汽参数的变化,将引起汽缸和转子金属温度的变化。由于温度的变化将引起的物体变形,如果物体的热变形受到约束,则在物体内就会产生应力,这种应力我们称之为热应力。当物体内部加热或冷却不均匀,温度分布不均匀时,物体即使不受到外部约束,其内部也会产生热应力。在高温区产生压应力,在低温区产生拉应力。汽轮机转子和汽缸的热应力主要是由于金属温度分布不均匀引起的。热应力如果超出材料及系统允许的范围,将会缩短汽轮机的使用寿命,甚至造成设备的永久损坏。 根据S109FA 级燃气-蒸汽联合循环发电机组日开夜停的运行情况,将汽轮机状态划分成三种工况:热态、温态、冷态。现针对汽轮机这三种不同工况分析汽轮机启机过程热应力的形成变化及控制。 1. 汽轮机启动状态划分及温度匹配的定义 1.1汽轮机状态划分 汽轮机高中压缸上缸内壁温度在371℃以上时的启动称为热态启动。汽轮机高中压缸上缸内壁温度在204℃-371℃间的启动称为温态启动。汽轮机高中压缸上缸内壁温度低于204℃的启动称为冷态启动。 1.2温度匹配的定义 由汽轮机MK-VI系统向DCS系统送出汽轮机高压缸第一级上缸金属温度,由DCS系统在收到第一级金属温度后经过计算汽轮机高压缸第一级上缸金属温度加上110℃,其结果进行高低限值选择(低限值371℃,高限值565℃),将计算处理后的匹配温度返送给燃机MK-VI系统,由燃机MK-VI系统通过控制压气机入口可转导叶角度(IGV)或改变燃料量来控制转速控制基准(TNR)实现燃机排烟温度与汽轮机高压缸第一级上缸金属温度的匹配。 2. 汽轮机启动过程应力的形成变化及控制 2.1热态启动 机组热态启动并网后即投入温度匹配。温度匹配投入后IGV开度保持47.5°不变,燃机则通过增加燃料量以提高转速控制基准(TNR)使燃机排烟温度维持在最高限565℃,待高压主蒸汽压力达到39kg/cm2,温度达到510℃时MK-VI就满足高压进汽条件。两班制运行机组启动前汽轮机高压缸第一级金属温度高达515℃左右,且汽轮机高压缸进汽前阶段由于高压主蒸汽调阀开度较小进汽量少,经主蒸汽调阀节流后的蒸汽温度要低于汽轮机各部件金属温度。这样汽轮机进汽后转子表面和气缸表面会受到冷却产生拉应力,通过MK-VI计算出的负应力最大值可达-10左右。后阶段随着高压主蒸汽调阀的开大和燃机排气温度的升高,高压主蒸汽温度不断升高,高于汽轮机各部件金属温度后,蒸汽温度以对流换热的形式传递给转子和气缸表面,此时转子和气缸表面会受热产生压应力,通过MK-VI计算出的正应力最大值有27左右。相关参数见表1 表1 汽轮机热态高压进汽过程汽轮机缸温的变化及引起的应力变化 高压主汽调阀开度 0% 8% 40% 100% 高压主蒸汽温度 515℃ 531℃ 539 ℃ 564℃ 高压缸第一级缸温 517℃ 508 ℃ 520℃ 550℃ 高压缸应力 0 -10 5 27 从表1我们可以看到,汽轮机进气过程中汽轮机缸温是先降后升的变化,所以整个启动过程汽轮机各部件的应力要经历一个拉-压过程,启停次数越多汽轮机各部件会出现疲劳损伤就越大。 针对热态启动这一特点,我们采取控制负应力的方式是:1、尽量提高主蒸汽进汽温度,当蒸汽温度超过高压缸第一级金属最高温度时进汽。2、汽轮机高压进汽后立即在MK-VI温度匹配画面手动点击OFF按钮退出温度匹配,手动点击MK-VI主画面负荷控制Raise按钮增加燃料量提高燃机排烟温度,从而提高主、再热蒸汽温度达到减小高、中压缸体表面及转子表面的负应力。 2.2温态启动 机组温态启动MK-VI会根据汽轮机的缸温计算出合适的进汽蒸汽压力和温度。MK-VI计算得到的高压进汽蒸汽压力均为3.9MPa,高压进汽蒸汽温度会根据不同的汽轮机高压缸第一级上缸温度计算出对应的数值。当MK-VI高压进汽条件满足时汽轮机高压缸就可以进汽。进汽后汽轮机相关参数见表2 表2 汽轮机温态高压进汽过程汽轮机缸温的变化及引起的应力变化 高压主汽调阀开度 0% 5% 10% 100% 高压主蒸汽温度

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